solidworks進(jìn)行有限元分析的一般步驟精

1、.軟件形式:.SolidWorks的內(nèi)置形式：COSMOSXpress只有對(duì)一些具有簡(jiǎn)單載荷和支撐類型的零件的靜態(tài)分 析。.SolidWorks的插件形式：COSMOSWorks Designer一對(duì)零件或裝配體的靜態(tài)分析。COSMOSWorks Professional-對(duì)零件或裝配體的靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、扭曲、頻 率、掉落測(cè)試、優(yōu)化、疲勞分析。COSMOSWorks Advanced Professiona- 在 COSMOSWorks Professional的 所有功能上增加了非線性和高級(jí)動(dòng)力學(xué)分析。.單獨(dú)發(fā)行形式：COSMOS DesignSTAR功能與 COSMOSWorks Advan

2、ced Professional相同。.使用FEA的一般步驟：FEA=Finite Element Analysis是一種工程數(shù)值分析工具，但不是唯一的數(shù)值分析工具！其它的數(shù)值分析工具還有：有限差分法、邊界元法、有限體積法，建立數(shù)學(xué)模型一一有時(shí)，需要修改CAD幾何模型以滿足網(wǎng)格劃分的需要，（即從CAD幾何體一FEA幾何體），共有下列三法：特征消隱：指合并和消除在分析中認(rèn)為不重要的幾何特征，如外圓角、圓 邊、標(biāo)志等。理想化：理想化是更具有積極意義的工作，如將一個(gè)薄壁模型用一個(gè)平面來(lái)代理（注：如果選中了 使用中面的殼網(wǎng)格”做為 網(wǎng)格類型”， COSMOSWorks會(huì)自動(dòng)地創(chuàng)建曲面幾何體）。清除：因

3、為用于劃分網(wǎng)格的幾何模型必須滿足比實(shí)體模型更高的要求。如 模型中的細(xì)長(zhǎng)面、多重實(shí)體、移動(dòng)實(shí)體及其它質(zhì)量問(wèn)題會(huì)造成網(wǎng)格劃分的困難甚至 無(wú)法劃分網(wǎng)格一這時(shí)我們可以使用CAD質(zhì)量檢查工具（即SW菜單：Tools 一Check ,）來(lái)檢驗(yàn)問(wèn)題所在，另外含有非常短的邊或面、小的特征也必須清除掉 （小特征是指其特征尺寸相對(duì)于整個(gè)模型尺寸非常??！但如果分析的目的是找出圓 角附近的應(yīng)力分布，那么此時(shí)非常小的內(nèi)部圓角應(yīng)該被保留）。建立有限元模型一一即FEA的預(yù)處理部分，包括五個(gè)步驟：選擇網(wǎng)格種類及定義分析類型（共有靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、頻率，等八種類別）一這時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)FEA算例，左側(cè)瀏覽器中之算例名稱之后的括號(hào)里是配

4、置名 稱；添加材料屬性：材料屬性通常從材料庫(kù)中選擇，它不并考慮缺陷和表面條件 等因素，與幾何模型相比，它有更多的不確定性。右鍵單擊實(shí)體文件夾”并選擇應(yīng)用材料到所有”一制有零部件將被賦予相 同的材料屬性。右鍵單擊實(shí)體文件夾”下的某個(gè)具體零件文件夾并選擇應(yīng)用材料到所有實(shí) 體- K個(gè)零件的所有實(shí)體（多實(shí)體將被賦予指定的材料屬性。右鍵單擊實(shí)體文件夾”下具體零件的某個(gè)“Body弁選擇應(yīng)用材料到實(shí) 體” 一T有該“Body被賦予指定的材料屬性。施加約束：定義約束是最容易產(chǎn)生誤差的地方。通常的誤差來(lái)自于過(guò)約束 模型，其后果是：結(jié)構(gòu)過(guò)于剛硬并低估了實(shí)際變形量和應(yīng)力值。對(duì)裝配體而言，還 要定義 接觸/間隙”這種

5、特殊的 約束”。約束的目的是禁止模型的剛體位移在COSMOSWorks中共有十種約束（不包括 接觸/間隙”）。它也意味著處于 指定的 熏、線、面”上的全部這些節(jié)點(diǎn)所受到的約束。約束符號(hào)中的箭頭表示 平移”約束，而圓盤則表示 回轉(zhuǎn)”約束（實(shí)體單元的每 個(gè)節(jié)點(diǎn)僅有3個(gè)移動(dòng)自由度，而殼單元有6個(gè)自由度）。對(duì)“Solid mesh而詈，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以選擇商定”和 不可移動(dòng)的效果是完全一樣的。定義完約束之后，模型的空間位置就被固定下來(lái)了。此時(shí)， 模型不可能再發(fā)生除彈形變形之外的位移（在 FEA的靜態(tài)分析中，可能存在的也 只能是彈形位移），稱之為 模型沒(méi)有剛體位移定義載荷：在現(xiàn)實(shí)中，只能大概地

6、知道載荷的大小、分布、時(shí)間依賴關(guān) 系。所以，必須在FEA分析中通過(guò)簡(jiǎn)化的假設(shè)做出近似的估計(jì)。因此，定義載荷 會(huì)產(chǎn)生較大的建模誤差（理想化誤差）。注：前面的四項(xiàng)統(tǒng)稱為FEA分析的 預(yù)處理”，它們的不確定性程度從高到低 依次為：約束、載荷、材料、幾何模型。網(wǎng)格劃分：a. COSMOSWorks中只有兩類單元：一階單元（草稿品質(zhì)單元）和二階單元（高品質(zhì)單元）。或：實(shí)體四面體單元和三角形殼單元。這樣， COSMOSWorks 共有四種單元類型：一階實(shí)體四面體單元（只有 4個(gè)角節(jié)點(diǎn)，1個(gè)高斯點(diǎn)）、二階 實(shí)體四面體單元（有4個(gè)角節(jié)點(diǎn)和6個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)節(jié)點(diǎn)，4個(gè)高斯 點(diǎn)）、一階三角形殼單元（只有 3

7、個(gè)角節(jié)點(diǎn)，1個(gè)高斯點(diǎn)）、二階三角形殼單元（有3個(gè)角節(jié)點(diǎn)和3個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)，3個(gè)高斯點(diǎn)）一一這里的四面體 不一定是正四面體，而三角形也不一定是正三角形。止匕外，二階單元的邊和面都可 以是曲線形狀，以模擬單元因加載而變形的實(shí)際情形。b.單元的品質(zhì)可通過(guò) SW菜單：COSMOSWorks Options , a Mesh標(biāo)簽,c. 一般FEA中擁有最少節(jié)點(diǎn)的單元是橫梁?jiǎn)卧?，它只?2個(gè)節(jié)點(diǎn)（即梁的兩個(gè)端點(diǎn)），但每個(gè)節(jié)點(diǎn)處均有6個(gè)自由度（即三個(gè)平移分量加三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移分 量）。d.二階實(shí)體四面體單元和二階三角形殼單元適用于曲線形的幾何體。e.某些類型的形狀既可以使用實(shí)體單元也可以使用殼單元，具

8、體選用什么類型 的單元取決于分析的目的。然而，通常情況下，幾何體的天然形狀決定了所使用的 單元類型，比如，一些鑄件只能用實(shí)體網(wǎng)格劃分，而一張金屬板材最好使用殼單 元。f.有限單元網(wǎng)格中的自由度是指單元節(jié)點(diǎn)的自由度。實(shí)體單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三 個(gè)自由度（三個(gè)平移分量），殼單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度（三個(gè)平移分量加三 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位移分量）。節(jié)點(diǎn)的位移即為這些分量的幾何合成矢量。g.在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，單元在匹配幾何體的過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷變形扭曲，但過(guò)度的 扭曲會(huì)導(dǎo)致單元的惡化，從而導(dǎo)致計(jì)算量徒增和計(jì)算精度大大地降低，甚至?xí)o(wú)法 計(jì)算。為此，需要通過(guò)控制默認(rèn)單元的大?。?SW菜單：COSMOSWorksMesh

9、一Create ,其中：Coarse對(duì)應(yīng)大，F(xiàn)ine對(duì)應(yīng)?。┗驊?yīng)用局部網(wǎng)格控制（即 SW菜 單：COSMOSWork”Mesh fApply Control ,）來(lái)避免單元的過(guò)度扭曲。h.網(wǎng)格質(zhì)量保證：包括長(zhǎng)寬比檢查和 Jacobian檢查，這些檢查由程序自動(dòng)執(zhí) 行。長(zhǎng)寬比檢查：正四面體的長(zhǎng)寬比通常被用做計(jì)算其它單元的長(zhǎng)寬比。一個(gè)單元 的長(zhǎng)寬比定義為：四面體的最長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度值/四面體的頂點(diǎn)到其相對(duì)面的法向距離的最小長(zhǎng) 度值。這里，頂點(diǎn)的相對(duì)面需用正四面體正則化，并假定四面體的4個(gè)角點(diǎn)之間用直線相連。非常小的正四面體單元的長(zhǎng)寬比可近似地認(rèn)為是1.0。作為長(zhǎng)寬比檢查的一部分，COSMOSWorks還

10、自動(dòng)執(zhí)行邊長(zhǎng)檢查、內(nèi)切圓和外接圓檢查，以及法 向長(zhǎng)度檢查。Jacobian檢查：即檢查雅可比行列式的值，用于判斷單元的彎曲程度。一個(gè)極 端扭曲單元的雅可比行列式是負(fù)值，而負(fù)的雅可比行列式會(huì)導(dǎo)致FEA程序的終止。Jacobian檢查是基于一系列點(diǎn)（高斯點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)），這些點(diǎn)位于每個(gè)單元中。通 常情況下，雅可比率小于或等于 40是可以接受的。COSMOSWorks會(huì)自動(dòng)調(diào)整扭 曲單元的中節(jié)點(diǎn)位置，以確保所有的單元能通過(guò)雅可比檢查。在二次單元中，單元 邊界上的中節(jié)點(diǎn)放置在真實(shí)的幾何體上；但在尖劈和彎曲邊界，將中節(jié)點(diǎn)放置在真 實(shí)幾何體上會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生邊緣下相互重疊的扭曲單元。對(duì)正四面體而言，所有中節(jié)點(diǎn) 均精確

11、地定位在直邊中點(diǎn)，其雅可比率為 1.0,隨著邊緣曲率的增加，其雅可比率 也增大。Jacobian檢查設(shè)置可通過(guò)COSMOSWorks options , 一Mesh標(biāo)簽來(lái)實(shí) 現(xiàn)。i.局部網(wǎng)格控制：由三個(gè)參數(shù)來(lái)控制 一一所選實(shí)體的單元尺寸、層與層之間的 單元尺寸比、受局部?jī)?yōu)化影響的單元層數(shù)。它們的缺省值分別為2.2、1.5、3。網(wǎng)格控制可用在點(diǎn)（頂點(diǎn)）、線（邊界）、面（表面）、及裝配體組件上。三個(gè)控制 參數(shù)可通過(guò)命令：COSMOSWorks Mesh fApply Control , 來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了找出仍 在工作的最大單元，可勾選 COSMOSWorks options , 一Mesh標(biāo)簽中的Au

12、tomatic Looping選項(xiàng)，自動(dòng)為實(shí)體循環(huán)”功能要求網(wǎng)格劃分程序利用更小的全局單元尺寸 網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行重新劃分，用戶可以控制：循環(huán)實(shí)驗(yàn)的最大次數(shù)、全局單元尺寸每 次減少的幅度、公差。對(duì)于應(yīng)用于組件的網(wǎng)格控制由 “Component signficancel（件有效數(shù)”來(lái)定義， 對(duì)于不同的Slide位置，指示網(wǎng)格劃分程序選用不同的單元尺寸來(lái)對(duì)每個(gè)選定的組 件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。但如果 “use same element size勾選，那么所有組件均按網(wǎng)格控制”窗口中指定相同單元尺寸來(lái)進(jìn)行劃分。j.實(shí)際的網(wǎng)格劃分過(guò)程，共分三個(gè)步驟：第一步，評(píng)估幾何模型 一一檢查CAD幾何體有無(wú)缺陷;第二步，處理

13、邊界一一即先將節(jié)點(diǎn)置于邊界上，這一步被稱做表面劃分;第三步，創(chuàng)建網(wǎng)格 用四面體單元來(lái)填充實(shí)體體積。k,如果第一步失敗，則最有可能的是幾何模型錯(cuò)誤，為了驗(yàn)證幾何模型是否錯(cuò) 誤，以IGES輸出模型，觀察是否出現(xiàn)錯(cuò)誤信息 處理修整的表面實(shí)體失敗I,如果第二步失敗，分兩種情況：i,在進(jìn)度指示條到達(dá)最右端之前出現(xiàn)錯(cuò)誤， 則說(shuō)明至少在一個(gè)面上的劃分出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)，右鍵單擊網(wǎng)格，選擇失敗診斷”，以找出有問(wèn)題的表面，再有分割線或網(wǎng)格控制來(lái)幫助劃分該表面；ii,在進(jìn)度指示條到達(dá)最右端之后且在第三步開(kāi)始之前出現(xiàn)錯(cuò)誤，此時(shí)，需要將公差從5% （默認(rèn)）到10%對(duì)單元尺寸進(jìn)行增加后重新劃分網(wǎng)格，但如果公差為10%時(shí)仍舊

14、失敗，則可以繼續(xù)增加公差，但最大不要超過(guò) 25%。設(shè)置命令為：COSMOSWorks f Mesh 一 Create , ,m,如果第三步失敗，則表明錯(cuò)誤發(fā)生在體積填充階段。此時(shí)，可將單元尺寸 公差從5%減少到1%,如果仍然失敗，則可以25%的幅度減少單元尺寸，并設(shè)公 差為1%.n.失敗診斷”工具只對(duì)實(shí)體單元有效，對(duì)殼單元不起作用。o,從2008版開(kāi)始，COSMOSWorks實(shí)現(xiàn)了自動(dòng) 局部網(wǎng)格控制”，因而 網(wǎng)格劃 分”完全不再需要人工干預(yù)。求解有限元模型一一在結(jié)構(gòu)分析中，F(xiàn)EA首先計(jì)算的是網(wǎng)格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 位移（矢量），再在此基礎(chǔ)上計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力等其它物理量；在熱分析中，F(xiàn)EA首先計(jì)算的是網(wǎng)

15、格中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度（標(biāo)量），再在此基礎(chǔ)上計(jì)算溫度梯度和熱流 等其它物理量，一般如果模型可劃分網(wǎng)格，那么它就可以求解，但如果沒(méi)有定義材料或載荷， 則求解會(huì)終止。解算器也可檢查出由于約束不足而引起的剛體運(yùn)動(dòng)。但剛體運(yùn)動(dòng)可用解 算器選項(xiàng)來(lái)處理，比如，使用軟彈簧來(lái)穩(wěn)定模型，或使用平面內(nèi)作用、慣性卸除。 影響選擇合適的解算器的五個(gè)因素：.問(wèn)題的大小一一通常，F(xiàn)FEPlus在處理自由度（DOF超過(guò)100,000時(shí)，速度比 較快。FFEPlus隨著問(wèn)題的變大會(huì)變得更有效率。.計(jì)算機(jī)資源一一在計(jì)算機(jī)可用的內(nèi)存足夠多時(shí)，Direct Sparse解算器的速度 比較快。.分析選項(xiàng)；.單元類型；.材料屬性一一當(dāng)模型

16、中使用的材料彈性模量差異較大時(shí)（比如鋼和尼龍）， FFEPlus （迭代法）求解比Direct Sparse （直接法）求解的精度低。如果不能確定選擇哪個(gè)解算器是分析的最佳選擇時(shí)，可將解算器的類型設(shè)為 自動(dòng)”。選擇求解器白命令為：COSMOSWorksOptions ,f選Results標(biāo)簽.結(jié)果分析一一對(duì)結(jié)果的正確解釋需要我們熟悉理解：i.各種假設(shè)，如在靜 態(tài)分析中的 材料線性假設(shè)、小變形假設(shè)、靜態(tài)載荷假設(shè)；ii.簡(jiǎn)化約定；iii.前面三 步中產(chǎn)生的誤差，如建模誤差（也稱理想化誤差）、離散誤差（劃分網(wǎng)格時(shí)產(chǎn)生的 誤差）、數(shù)值誤差（求解過(guò)程中產(chǎn)生的誤差）。在這三種誤差當(dāng)中，只有離散化誤 差是FEA特有的，故只有這個(gè)誤差能夠在使用FEA時(shí)被控制一一網(wǎng)格單元越小，離散誤差越低；影響數(shù)學(xué)幾何模型的建模誤差，是在 FEA之前引入的，故只能通 過(guò)正確的建模技術(shù)來(lái)控制；數(shù)值誤差（求解誤差）是在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的，難于控 制，但它們通常比較小。執(zhí)行 “COSMOSWorks Options , 一Results標(biāo)簽一Automa