SolidWorks Simulation邊界條件設定方法

1、SolidWorks Simulation邊界條件設定方法-轉(zhuǎn)載自期刊CAD/CAM與制造業(yè)信息化 P60，河南工程學院 劉軍一、引言有限元分析利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬，分析結(jié)果誤差的主要來源如圖1所示，其中影響分析結(jié)果最大因素的是約束和載荷，即邊界條件。不恰當?shù)倪吔鐥l件會使分析模型的結(jié)果嚴重偏離實際結(jié)果。本文重點講解邊界條件中分析模型邊界的確定方法。分析模型邊界定義得越大，被關(guān)注對象的分析結(jié)果就越接近真實情況。但是，這也造成分析模型中包含的零部件數(shù)量過多，計算困難、成本過高、消耗的時間也越多;分析模型的邊界定義得越小，邊界條件的定義就越困難，與實際產(chǎn)品的偏差就越大，分析產(chǎn)生誤

2、差的概率越大。本文主要討論SolidWorks Simulation中三種確定分析模型邊界的方法：包裹法、工程分析法和圣維南原理法。圖1有限元分析誤差的主要因素二、包裹法包裹法，首先，單獨取出被關(guān)注的零部件，確定其最合理的邊界條件，進行分析計算;然后擴大零部件的范圍，即增加一層零部件，添加合理的邊界條件后再次分析計算;對比兩次計算的結(jié)果，如果結(jié)果偏差很大，說明第一次分析定義的邊界太小，需要再次擴大邊界重新計算，和第二次的結(jié)果對比。循環(huán)進行，直至兩次分析的結(jié)果基本不再發(fā)生變化，就找到了最合適的邊界。該方法適用于所有分析類型，具體分析流程如圖2所示。例如，我們關(guān)注某軌道車底板一個零件“C型槽”的力

3、學性能，如圖3所示的黃色零件。綠色部位是和其余零部件的接觸面。利用包裹法確定其分析邊界的步驟如下。(1)孤立關(guān)注的零部件：分析模型僅選取C型槽零件自身。(2)添加邊界：將C型槽與其他零件的接觸面分割出來，如圖3所示的綠色面。對綠色面采用固定約束，如圖4所示。(3)添加其他相關(guān)參數(shù)，分析計算，結(jié)果如圖5所示，固定約束的區(qū)域沒有任何變形。(4)擴大分析模型的邊界至連接C型槽的槽鋼，如圖6所示。(5)添加邊界，固定槽鋼的端面。(6)再次分析計算，結(jié)果如圖7所示，C型槽零件與槽鋼接觸部位有較大的變形。(7)對比兩次分析的結(jié)果，C型槽的變形和應力分布差別非常大，所以第一次定義的邊界不正確，需要繼續(xù)擴大邊

4、界，直至得到滿意的結(jié)果。包裹法確定邊界的方法很簡單，但是也笨拙，經(jīng)常會導致重復計算和參與分析的零部件數(shù)量過多、計算量過大的情況。例如，對于C型槽，當繼續(xù)擴大邊界條件時，我們是否需要將整個軌道車都添加進來盡量進行分析。這樣做的時間和計算代價會太大，往往難以接受。實際應用過程中，通常我們采用第二種方法，工程分析法。三、工程分析法工程分析法，首先判斷零部件之間的相互作用，然后再決定是否向被分析模型中添加與之接觸的零部件，分析流程如圖8所示。判斷的標準如下。(1)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度大一個數(shù)量級，使用載荷代替零部件間的相互作用。(2)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度

5、小一個數(shù)量級，使用約束代替零部件間的相互作用。(3)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度差別不大或相當，使用包裹法判斷邊界。工程分析法確定邊界比較依賴于分析者的經(jīng)驗，豐富的經(jīng)驗直接影響分析的結(jié)果是否正確。圖8工程法流程在對板凳進行受力分析時，確定邊界是否要把人體的模型添加進來。很顯然，板凳的剛度遠遠大于人體的剛度，所以根據(jù)工程分析法，人體模型對板凳的相互作用，使用載荷進行替代，等效載荷施加在人與板凳的接觸面上。如圖9所示，粘接在鋼板上的塑料件，鋼板材料為普通碳鋼，塑料件的材料為尼龍。采用工程分析法是：尼龍的剛度遠遠低于鋼板的剛度，所以，鋼板與塑料件的相互作用就可以用固定約束代替，固定約

6、束定義在塑料件與水泥板的相互接觸面處。圖10為鋼板與塑料件一起分析的結(jié)果，鋼板底面為固定約束。圖11是塑料件單獨分析的結(jié)果，接觸面為固定約束。兩次分析的結(jié)果基本相同，說明鋼板與塑料件的相互作用完全可以用固定約束等效替代。如圖12所示，液壓支架頂梁柱窩的力學性能分析。該柱窩焊接在頂梁底板上，如圖13所示，將柱窩與頂梁的接觸面定義為邊界，使用固定約束，分析的結(jié)果如下。采用工程分析法進行分析，柱窩的剛度和頂梁的剛度相近，那么柱窩與頂梁的相互作用就不能簡單地使用約束或載荷進行替代，需要采用包裹法進行分析。包裹法分析結(jié)果如圖14、圖15所示，顯然柱窩、頂梁整體分析的結(jié)果是正確的。四、圣維南原理法根據(jù)圣維

7、南原理，當作為邊界的零部件距離被分析零部件的關(guān)注點或危險點足夠遠時，邊界可以縮小或者用等效的方式加載，如果分析零件的關(guān)注點或危險點靠近邊界，那么邊界必須擴大。該方法是包裹法和工程法的補充，用于判斷是否需要擴大或縮小邊界。例如健身器輪組受力分析，如圖16所示，人蹬車的力作用在腳踏板上，由腳踏板傳遞到曲軸上，那么分析的時候，是否將腳踏板添加到分析模型中呢?首先，不添加腳踏板，將載荷直接等效作用在曲軸上，進行有限元分析，分析結(jié)果如圖17所示，應力最大點離腳踏板零部件足夠遠，所以根據(jù)圣維南原理，腳踏板可以不作為分析模型的邊界。假設如果應力的最大點在靠近腳踏板的紫色軸上一點，若關(guān)注這一點應力的話，邊界必須擴大，需要將腳踏板模型添加到分析模型中。五、結(jié)語實際