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solidworks有限元分析使用教程 系统之家下载站 有限元分析是软件中非常强大的一个功 能，如果要使用好这个功能必须结合自身 的很多知识才能运用好，有限元分析不同 于绘图，它需要有材料力学、理论力学、 高等数学的基础。下面就给大家简单介绍 进行有限元分析的方法和步骤。 solidworks有限元分析应用于机械、汽车、家 电、电子产品、家具、建筑、医学骨科等产品设 计及研发。其作用是：确保产品设计的安全合理 性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案， 降低材料的消耗或成本 ; 在产品制造或工程施工前 预先发现潜在的问题 ; 模拟各种试验方案，减少试 验时间和经费 ; 是产品设计研发的核心技术。看板 网根据超过十年的项目经验和培训经验，提醒各 位朋友，有限元分析，不同于绘图。以下是看板 网总结的 solidworks有限元分析使用方法，希望 对大家有用。 一、软件形式： （一） solidworks的内置形式： SimulationXpress 只有对一些具有 简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。 （二） SolidWorks的插件形式： SimulationWorks Designer 对零件或装 配体的静态分析。 SimulationWorksProfessional 对零件或 装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、 优化、疲劳分析。 SimulationWorks AdvancedProfessional 在 SimulationWorksProfessional的所有功能上 增加了非线性和高级动力学分析。 （三）单独发行形式： Simulation DesignSTAR 功能与 SimulationWorks Advanced Professional 相同。 二、使用 FEA的一般步骤： FEA=Finite Element Analysis 是一 种工程数值分析工具，但不是唯一的数值 分析工具！其它的数值分析工具还有：有 限差分法、边界元法、有限体积法等等。 方法与步骤 （一）建立数学模型 有时，需要修改 CAD几何模型以满足 网格划分的需要，（即从 CAD几何体 FEA几何体），共有下列三法： 1、特征消隐：指合并和消除在分析中 认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、 标志等。 2、理想化：理想化是更具有积极意义的 工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代 理（注：如果选中了“使用中面的壳网格” 做为“网格类型”， SimulationWorks会自 动地创建曲面几何体）。 3、清除：因为用于划分网格的几何模型必须满 足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、 多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格 划分的困难甚至无法划分网格 这时我们可以使 用 CAD质量检查工具（即 SW菜单： ToolsCheck ）来检验问题所在，另外含有非 常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征 是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但 如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那 么此时非常小的内部圆角应该被保留）。 （二）建立有限元模型，即 FEA的预处 理部分，包括五个步骤： 1、选择网格种类及定义分析类型（共 有静态、热传导、频率 等八种类别） 这时将产生一个 FEA算例，左侧浏览器中 之算例名称之后的括号里是配置名称； 2、添加材料属性： 材料属性通常从材料 库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等 因素，与几何模型相比，它有更多的不确 定性。 （ 1）右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料 到所有” 所有零部件将被赋予相同的材料属 性。 （ 2）右键单击“实体文件夹”下的某个具体 零件文件夹并选择“应用材料到所有实体” 某个零件的所有实体（多实体）将被赋予指定的 材料属性。 （ 3）右键单击“实体文件夹”下具体零件的 某个“ Body”并选择“应用材料到实体” 只有 该“ Body”被赋予指定的材料属性。 3、施加约束：定义约束是最容易产生误差的地方。通常的误差来 自于过约束模型，其后果是：结构过于刚硬并低估了实际变形量和应 力值。对装配体而言，还要定义“接触 /间隙”这种特殊的“约束”。 约束的目的是禁止模型的刚体位移。 在 SimulationWorks中共有十种约束（不包括“接触 /间隙”）。 它也意味着处于指定的“点、线、面”上的全部这些节点所受到的约 束。 约束符号中的箭头表示“平移”约束，而圆盘则表示“回转”约 束（实体单元的每个节点仅有 3个移动自由度，而壳单元有 6个自由 度）。 对“ Solid mesh”而言，因为节点无转动自由度，所以选择“固定” 和“不可移动”的效果是完全一样的。定义完约束之后，模型的空间 位置就被固定下来了。此时，模型不可能再发生除弹形变形之外的位 移（在 FEA的静态分析中，可能存在的也只能是弹形位移），称之为 “模型没有刚体位移”。 4、定义载荷：在现实中，只能大概地知 道载荷的大小、分布、时间依赖关系。所 以，必须在 FEA分析中通过简化的假设做出 近似的估计。因此，定义载荷会产生较大 的建模误差（理想化误差）。 注：前面的四项统称为 FEA分析的“预 处理”，它们的不确定性程度从高到低依 次为：约束、载荷、材料、几何模型。 5、网格划分： （ 1） SimulationWorks中只有两类单元：一阶单元 （草稿品质单元）和二阶单元（高品质单元）。或：实体 四面体单元和三角形壳单元。这样， SimulationWorks共 有四种单元类型：一阶实体四面体单元（只有 4个角节点， 1个高斯点）、二阶实体四面体单元（有 4个角节点和 6个 中间节点，共计 10个节点， 4个高斯点）、一阶三角形壳 单元（只有 3个角节点， 1个高斯点）、二阶三角形壳单元 （有 3个角节点和 3个中间节点，共计 6个节点， 3个高斯 点） 这里的四面体不一定是正四面体，而三角形也不 一定是正三角形。此外，二阶单元的边和面都可以是曲线 形状，以模拟单元因加载而变形的实际情形。 （ 2）单元的品质可通过 SW菜单： SimulationWorksOptions 选 Mesh标 签 （ 3）一般 FEA中拥有最少节点的单元 是横梁单元，它只有 2个节点（即梁的两个 端点），但每个节点处均有 6个自由度（即 三个平移分量加三个转动位移分量）。 （ 4）二阶实体四面体单元和二阶三角形 壳单元适用于曲线形的几何体。 （ 5）某些类型的形状既可以使用实体 单元也可以使用壳单元，具体选用什么类 型的单元取决于分析的目的。然而，通常 情况下，几何体的天然形状决定了所使用 的单元类型，比如，一些铸件只能用实体 网格划分，而一张金属板材最好使用壳单 元。 （ 6）有限单元网格中的自由度是指单元节点的自由度。 实体单元的每个节点有三个自由度（三个平移分量），壳 单元的每个节点有六个自由度（三个平移分量加三个转动 位移分量）。节点的位移即为这些分量的几何合成矢量。 （ 7）在进行网格划分时，单元在匹配几何体的过程 中会经历变形扭曲，但过度的扭曲会导致单元的恶化，从 而导致计算量徒增和计算精度大大地降低，甚至会无法计 算。为此，需要通过控制默认单元的大小（即 SW菜单： SimulationWorksMeshCreate ，其中： Coarse对应 大， Fine对应小）或应用局部网格控制（即 SW菜单： SimulationWorksMeshApply Control ）来避免单元 的过度扭曲。 （ 8）网格质量保证：包括长宽比检查和 Jacobian检 查， 这些检查由程序自动执行。 长宽比检查：正四面体的长宽比通常被用做计 算其它单元的长宽比。一个单元的长宽比定义为： 四面体的最长边的长度值 /四面体的顶点到其相对 面的法向距离的最小长度值。这里，顶点的相对 面需用正四面体正则化，并假定四面体的 4个角点 之间用直线相连。非常小的正四面体单元的长宽 比可近似地认为是 1.0。作为长宽比检查的一部分， SimulationWorks还自动执行边长检查、内切圆和 外接圆检查，以及法向长度检查。 Jacobian检查：即检查雅可比行列式的值，用于判断 单元的弯曲程度。一个极端扭曲单元的雅可比行列式是负 值，而负的雅可比行列式会导致 FEA程序的终止。 Jacobian检查是基于一系列点（高斯点或节点），这些点 位于每个单元中。通常情况下，雅可比率小于或等于 40是 可以接受的。 SimulationWorks会自动调整扭曲单元的中 节点位置，以确保所有的单元能通过雅可比检查。在二次 单元中，单元边界上的中节点放置在真实的几何体上；但 在尖劈和弯曲边界，将中节点放置在真实几何体上会导致 产生边缘下相互重叠的扭曲单元。对正四面体而言，所有 中节点均精确地定位在直边中点，其雅可比率为 1.0，随 着边缘曲率的增加，其雅可比率也增大。 Jacobian检查设 置可通过 SimulationWorksoptionsMesh 标签来实现。 （ 9）局部网格控制：由三个参数来控制 所选实体的 单元尺寸、层与层之间的单元尺寸比、受局部优化影响的 单元层数。它们的缺省值分别为 2.2、 1.5、 3。网格控制 可用在点（顶点）、线（边界）、面（表面）、及装配体 组件上。三个控制参数可通过命令： SimulationWorksMeshApply Control 来实现。为了 找出仍在工作的最大单元，可勾选 SimulationWorksoptionsMesh 标签中的 Automatic Looping选项，“自动为实体循环”功能要求网格划分程 序利用更小的全局单元尺寸网格对模型进行重新划分，用 户可以控制：循环实验的最大次数、全局单元尺寸每次减 少的幅度、公差。 对于应用于组件的网格控制由 “ Componentsignificance （零件有效数）” 来定义，对于不同的 Slide位置，指示网格 划分程序选用不同的单元尺寸来对每个选 定的组件进行网格划分。但如果“ use same element size”已勾选，那么所有组件 均按“网格控制”窗口中指定相同单元尺 寸来进行划分。 （ 10）实际的网格划分过程，共分三 个步骤： 第一步，评估几何模型 检查 CAD 几何体有无缺陷； 第二步，处理边界 即先将节点置 于边界上，这一步被称做表面划分； 第三步，创建网格 用四面体单元 来填充实体体积。 （ 11）如果第一步失败，则最有可能的是几何模型错误， 为了验证几何模型是否错误，以 IGES输出模型，观察是 否出现错误信息“处理修整的表面实体失败”。 （ 12）如果第二步失败，分两种情况： i.在进度指示 条到达最右端之前出现错误，则说明至少在一个面上的划 分出现错误，此时，右键单击网格，选择“失败诊断”， 以找出有问题的表面，再有分割线或网格控制来帮助划分 该表面； ii.在进度指示条到达最右端之后且在第三步开始 之前出现错误，此时，需要将公差从 5%（默认）到 10% 对单元尺寸进行增加后重新划分网格，但如果公差为 10% 时仍旧失败，则可以继续增加公差，但最大不要超过 25%。 设置命令为： SimulationWorksMeshCreate （ 13）如果第三步失败，则表明错误发生在体 积填充阶段。此时，可将单元尺寸公差从 5%减少 到 1%，如果仍然失败，则可以 25%的幅度减少单 元尺寸，并设公差为 1%. （ 14）“失败诊断”工具只对实体单元有效， 对壳单元不起作用。 （ 15） 从 2008版开始， SimulationWorks实 现了自动“局部网格控制”，因而“网格划分” 完全不再需要人工干预。 （三）求解有限元模型 在结构分析中， FEA首先计算的是网格 中每个节点的位移（矢量），再在此基础 上计算应变和应力等其它物理量；在热分 析中， FEA首先计算的是网格中每个节点的 温度（标量），再在此基础上计算温度梯 度和热流等其它物理量。 一般如果模型可划分网格，那么它就可 以求解，但如果没有定义材料或载荷，则 求解会终止。解算器也可检查出由于约束 不足而引起的刚体运动。但刚体运动可用 解算器选项来处理，比如，使用软弹簧来 稳定模型，或使用平面内作用、惯性卸除。 影响选择合适的解算器的五个因素： 1、问题的大小 通常， FFEPlus在处理自由 度（ DOF）超过 100， 000时，速度比较快。 FFEPlus随着问题的变大会变得更有效率。 2、计算机资源 在计算机可用的内存足够 多时， DirectSparse解算器的速度比较快。 3、分析选项； 4、单元类型； 5、材料属性 当模型中使用的材料弹性模 量差异较大时（比如钢和尼龙）， FFEPlus（迭 代法）求解比 DirectSparse（直接法）求解的精 度低。 如果不能确定选择哪个解算器是分析的 最佳选择时，可将解算器的类型设为“自 动”。 选择求解器的命令为： SimulationWorksOptions 选 Results 标签。 （四）结果分析 对结果的正确解释需要我们熟悉理解： i）。各种假设， 如在静态分析中的 材料线性假设、小变形假设、静态载荷假设； ii）。 简化约定； iii）。前面三步中产生的误差，如建模误差 （也称理想化误差）、离散误差（划分网格时产生的误 差）、数值误差（求解过程中产生的误差）。在这三种误 差当中，只有离散化误差是 FEA特有的，故只有这个误差 能够在使用 FEA时被控制 网格单元越小，离散误差越 低；影响数学几何模型的建模误差，是在 FEA之前引入的， 故只能通过正确的建模技术来控制；数值误差（求解误差） 是在计算过程中产生的，难于控制，但它们通常比较小。 执行“ SimulationWorksOptionsResults 标签 Automatic Results Plots按钮”，可确定要 在程序界面中显示的计算项目的结果。 结果中的波节应力（ Node values）是指单元 节点上的应力，而单元应力（ Element values） 则是指单元高斯点上的应力。 单元应力和波节应力一般是不同的，但若两 者相差过大，则说明网格划分不够精细。 解析解（用数学公式求出的解）只有 在平面应力假设下，板的厚度非常薄时才 有效 因为它不考虑应力沿板厚方向的 分布（梯度分布：中间最大，两边缘最 小），认为板厚方向的截面上的应力处处 相等。所以， FEA解能够比较真实地反映应 力的实际状况。 上面便是有限元分析的方法和步骤，如 果你不是一名理科生，并且没有接触过这 个功能，那么你会比较难看懂甚至看不懂 上面的方法步骤，所以如果要实现有限元 分析，最好要有一定的基础。 Jjhl7684dggds如果你想学到更多的电脑知 识请随时关注系统 114，记住我们的官方网 站： 系统之家下载站