solidworks_Simulation理論基礎.ppt

Chapter1BackgroundandTheory 1 Simulation有限元分析 理論基礎 長沙凱士達信息技術有限公司CAE工程師謝莉 Chapter1BackgroundandTheory 2 概要 Simulation產(chǎn)品線及公司介紹什麼是FEA 歷史背景FEA在設計中的作用有限元理論定義一般過程強度理論 Chapter1BackgroundandTheory 3 Simulation產(chǎn)品線 面向所有用戶的協(xié)同仿真 Simulation機械設計驗證 FlowSimulation計算流體動力學 Motion運動仿真 Chapter1BackgroundandTheory 4 SolidWorks設計仿真產(chǎn)品線 Chapter1BackgroundandTheory 5 COSMOS更名 SolidWorksSimulation產(chǎn)品線的新名稱 Chapter1BackgroundandTheory 6 Simulation發(fā)展歷程 1982 1985 1995 1997 SRAC創(chuàng)立 COSMOS M 第一款用于PC的FEA軟件 第一個SolidWorks合作伙伴 第一個SolidWorks黃金合作伙伴 發(fā)布Simulation2005 被DassaultSystemes收購 發(fā)布COSMOS2007 2002 2004 2001 發(fā)布SW Premium 發(fā)布Simulation2006 2005 2006 COSMOSMotion加入SW Premium 2007 發(fā)布COSMOS2008 2008 更名為Simulation Chapter1BackgroundandTheory 7 許多人并不需要FEA 當時間 費用 重量無需考慮時 Chapter1BackgroundandTheory 8 什么是FEA 解析方法雖然簡單但很難滿足許多工程設計的需要 FEA將復雜的幾何模型離散分解成許多簡單的小塊 FEA FiniteElementAnalysisFEM FiniteElementMethodFEA FEM稱為有限單元分析 方法 Chapter1BackgroundandTheory 9 歷史背景基于計算機的結構分析 在1943 RichardCourant建議將連續(xù)介質的物體劃分為三角形的小塊1953年 絎架結構分析在數(shù)字計算機上首次完成 1960年 有限單元法 的名字由RayClough首次提出在70年代末80年代初 分析評估在微機和工作站上實現(xiàn)花費少容易組織但過程麻煩 設計人員產(chǎn)生模型并把他們交給分析人員 分析人員導入分析模型 進行分析 并給出分析結果根據(jù)分析結果更改設計等 Chapter1BackgroundandTheory 10 歷史背景基于計算機的結構分析 80年代中期進入PC時代 分析的采用在一定程度上提高了效率90年代中期進入Windows時代花費低設計人員已把分析作為設計中不可分割的一部分更復雜和更大的裝配體模型也可進行分析CAD和FEA集成的改善自動優(yōu)化處理更快的速度和精度分析的未來 更高效的工程部門更安全的產(chǎn)品更短的產(chǎn)品投放市場時間 Chapter1BackgroundandTheory 11 FEA在工業(yè)中 CAD和FEA的結合使得在實際工作中使用FEA方便簡單在設計中使用FEA可以大大減少 但不是替代 物理樣機和試驗通過使用FEA 設計可以更優(yōu) 減少重量體積并且提高可靠性 Chapter1BackgroundandTheory 12 FEA在工業(yè)中 FEA并不只強調自己FEA要在設計中發(fā)揮作用離不開物理樣機的實驗 Chapter1BackgroundandTheory 13 當有零部件破壞時 物理實驗金相檢查各種儀器 昂貴 檢測重新設計重新試驗 FEA了解到各種工況數(shù)據(jù)看到失效形式找到危險和沒危險的零部件 我們試了又試但仍不知道它為什麼會壞 Chapter1BackgroundandTheory 14 把事情做好 傳統(tǒng)的方式按比例試驗樣機重新設計重新試驗 FEA了解各種參數(shù)影響沒有材料消耗測試各種極端情況下和無法作試驗的結果鑒別各種可能的趨勢優(yōu)化處理 Chapter1BackgroundandTheory 15 有限元術語 Chapter1BackgroundandTheory 16 有限元網(wǎng)格 一個離散化的模型代表實際三維物體有限元模型由單元和節(jié)點構成 對單元位移有一個簡化的假設形式位移的連續(xù)性在節(jié)點處被保證 Chapter1BackgroundandTheory 17 單元 節(jié)點定義 應力應變在每個單元中被計算力和位移在每個節(jié)點被計算單元通過節(jié)點相互作用單元可分為兩大類連續(xù)介質 實體 結構 梁 殼 Chapter1BackgroundandTheory 18 有限單元 COMOSWorks用四面體實體單元劃分實體幾何體 用三角形殼單元劃分幾何面 實體四面體單元 二階 Chapter1BackgroundandTheory 19 Chapter1BackgroundandTheory 20 有限單元 殼單元 一階 二階 Chapter1BackgroundandTheory 21 Chapter1BackgroundandTheory 22 有限單元 橫梁單元 Chapter1BackgroundandTheory 23 在FEA中使用直接位移法求解 位移被假設是未知的每個節(jié)點有六個可能的位移自由度 DOF 即 ux uy uz qx qy qz根據(jù)單元類型不同 每個節(jié)點的自由度情況也不同在2D中的連續(xù)單元僅有ux和uy在2D中的結構單元僅有ux uy 和qz在3D中的連續(xù)單元僅有ux uy和uz在3D中的結構單元有所有六個自由度所有存在的自由度都對應有相應的力和矩 Chapter1BackgroundandTheory 24 實體單元各節(jié)點 3個自由度殼單元各節(jié)點 6個自由度梁單元各節(jié)點 6個自由度 Chapter1BackgroundandTheory 25 結構分析基礎 平衡方程 變形協(xié)調方程 應力應變關系 虎克定律 Chapter1BackgroundandTheory 26 平衡方程 施加在一個單元上的外力之和為零 Chapter1BackgroundandTheory 27 變形協(xié)調方程 單元節(jié)點位移和單元應變的關系節(jié)點力和單元應力亦如此 ei B u Chapter1BackgroundandTheory 28 應力應變關系 又稱為物理方程定義應力 s 和應變 e 關系 在該關系方程中 C 是一個6X6的矩陣 s C e Chapter1BackgroundandTheory 29 邊界條件 在有限元分析中的邊界條件代表實際物理模型和它周邊物體之間的相互作用關系 分析整個系統(tǒng)在很多時候既不實際也沒必要 通過使用邊界條件一個系統(tǒng)級的分析 可以簡化成對一個零部件級的分析 Chapter1BackgroundandTheory 30 邊界條件 自由物體有六個自由度 RIGIDBODYMODES 一個 RBM 是一個可能的運動 存在有可能的運動的方向不能有變形 自由物體有三個移動自由度和三個轉動自由度 Chapter1BackgroundandTheory 31 邊界條件 約束應按以下原則施加 約束條件忠實地反映實際工況剛體六個運動自由度必須被約束掉 Chapter1BackgroundandTheory 32 各種約束條件的實例 FEA等效約束種類如下所述 懸臂梁約束 固定 導槽約束輪廓約束鉸鏈約束球鉸約束 Chapter1BackgroundandTheory 33 邊界條件 所有的移動和轉動都被約束 懸臂梁約束 固定約束 僅有一個移動自由度 導槽約束 Chapter1BackgroundandTheory 34 邊界條件 所有的轉動被約束僅允許一個移動自由度 輪廓約束 所有的移動被約束僅允許一個轉動自由度 鉸鏈約束 Chapter1BackgroundandTheory 35 邊界條件 所有移動被消除 所有轉動被允許 球鉸約束 Chapter1BackgroundandTheory 36 載荷 施加在物體外表面的力稱為外力如集中力和壓力施加在物體內部的力稱為體力如重力 離心力 溫度應力 Chapter1BackgroundandTheory 37 有限元分析概述 有限元分析可分成三個階段 前處理 處理和后處理 前處理是建立有限元模型 完成單元網(wǎng)格劃分 后處理則是采集處理分析結果 使用戶能簡便提取信息 了解計算結果 FEA分析的基本步驟 預處理 定義分析類型 添加材料屬性 施加載荷和約束 網(wǎng)格劃求解 計算結果后處理 分析結果 Chapter1BackgroundandTheory 38 有限元分析過程 產(chǎn)生幾何模型 劃分單元 確定分析類型 添加材質屬性 加約束 加載荷 解線性方程組 u 建立系統(tǒng)線性方程組 Pre Analysis 生成系統(tǒng)剛度矩陣 K 計算 產(chǎn)生單元剛度矩陣 u f Chapter1BackgroundandTheory 39 有限元分析過程 獲得每個單元的單元應變 計算單元應力 顯示結果 Post 獲取每個節(jié)點位移 Chapter1BackgroundandTheory 40 建立數(shù)學模型 對CAD幾何模型進行修改以滿足網(wǎng)格劃分的要求 正確的 適度少的有限單元 方法特征消隱理想化清除確定分析類型 材料屬性 載荷 支撐和約束 Chapter1BackgroundandTheory 41 建立有限元模型網(wǎng)格劃分 通過離散化過程 將數(shù)學模型分成有限單元 求解有限元模型結果分析 Chapter1BackgroundandTheory 42 有限元分析過程 Chapter1BackgroundandTheory 43 強度理論 第一強度理論 最大法向應力理論 P1 第一主應力主應力 切應力為零的平面上的正應力 一般適用于脆性材料 如鑄鐵 陶瓷 工具鋼等第二強度理論 最大伸長線應變理論 P1 u P2 P3 合金鑄鐵 低溫回火的高強度鋼和石料等第三強度理論 最大切應力理論 最大抗剪應力 max P1 P3 2 Chapter1BackgroundandTheory 44 強度理論 第四強度理論 形狀改變比能理論VonMises應力 Chapter1BackgroundandTheory 45 主應力 1 2 3 剪應力為零 設計檢查圖解安全系數(shù) 不同材料不同情況下公式中的極限應力都不同 根據(jù)需要來選擇 Chapter1Backgroun