solidworks進行有限元分析的一般步驟(精)

1.軟件形式：㈠.SolidWorks的內(nèi)置形式：◆COSMOSXpress——只有對一些具有簡單載荷和支撐類型的零件的靜態(tài)分析。㈡.SolidWorks的插件形式：◆COSMOSWorksDesigner——對零件或裝配體的靜態(tài)分析?！鬋OSMOSWorksProfessional——對零件或裝配體的靜態(tài)、熱傳導、扭曲、頻率、掉落測試、優(yōu)化、疲勞分析?！鬋OSMOSWorksAdvancedProfessional——在COSMOSWorksProfessional的所有功能上增加了非線性和高級動力學分析。㈢.單獨發(fā)行形式：◆COSMOSDesignSTAR——功能與COSMOSWorksAdvancedProfessional相同。2.使用FEA的一般步驟：FEA=FiniteElementAnalysis——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?①建立數(shù)學模型——有時，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→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為不重要的幾何特征，如外圓角、圓邊、標志等。▲理想化：理想化是更具有積極意義的工作，如將一個薄壁模型用一個平面來代理（注：如果選中了“使用中面的殼網(wǎng)格”做為“網(wǎng)格類型”，COSMOSWorks會自動地創(chuàng)建曲面幾何體）?！宄阂驗橛糜趧澐志W(wǎng)格的幾何模型必須滿足比實體模型更高的要求。如模型中的細長面、多重實體、移動實體及其它質(zhì)量問題會造成網(wǎng)格劃分的困難甚至無法劃分網(wǎng)格—這時我們可以使用CAD質(zhì)量檢查工具（即SW菜單:Tools→Check?）來檢驗問題所在，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于整個模型尺寸非常??！但如果分析的目的是找出圓角附近的應(yīng)力分布，那么此時非常小的內(nèi)部圓角應(yīng)該被保留）。②建立有限元模型——即FEA的預處理部分，包括五個步驟：▲選擇網(wǎng)格種類及定義分析類型（共有靜態(tài)、熱傳導、頻率?等八種類別）——這時將產(chǎn)生一個FEA算例，左側(cè)瀏覽器中之算例名稱之后的括號里是配置名稱；▲添加材料屬性:材料屬性通常從材料庫中選擇，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“實體文件夾”并選擇“應(yīng)用材料到所有”——所有零部件將被賦予相同的材料屬性。

右鍵單擊“實體文件夾”下的某個具體零件文件夾并選擇“應(yīng)用材料到所有實體”——某個零件的所有實體(多實體將被賦予指定的材料屬性。

右鍵單擊“實體文件夾”下具體零件的某個“Body”并選擇“應(yīng)用材料到實體”——只有該“Body”被賦予指定的材料屬性?！┘蛹s束：定義約束是最容易產(chǎn)生誤差的地方。通常的誤差來自于過約束模型，其后果是：結(jié)構(gòu)過于剛硬并低估了實際變形量和應(yīng)力值。對裝配體而言，還要定義“接觸/間隙”這種特殊的“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“點、線、面”上的全部這些節(jié)點所受到的約束。約束符號中的箭頭表示“平移”約束，而圓盤則表示“回轉(zhuǎn)”約束（實體單元的每個節(jié)點僅有3個移動自由度，而殼單元有6個自由度）。對“Solidmesh”而言，因為節(jié)點無轉(zhuǎn)動自由度，所以選擇“固定”和“不可移動”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了。此時，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“模型沒有剛體位移”?！x載荷：在現(xiàn)實中，只能大概地知道載荷的大小、分布、時間依賴關(guān)系。所以，必須在FEA分析中通過簡化的假設(shè)做出近似的估計。因此，定義載荷會產(chǎn)生較大的建模誤差（理想化誤差）。注：前面的四項統(tǒng)稱為FEA分析的“預處理”，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?！W(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：一階實體四面體單元（只有4個角節(jié)點，1個高斯點）、二階實體四面體單元（有4個角節(jié)點和6個中間節(jié)點，共計10個節(jié)點，4個高斯點）、一階三角形殼單元（只有3個角節(jié)點，1個高斯點）、二階三角形殼單元（有3個角節(jié)點和3個中間節(jié)點，共計6個節(jié)點，3個高斯點）——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。此外，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際情形。b.單元的品質(zhì)可通過SW菜單:COSMOSWorks→Options?→選Mesh標簽?c.一般FEA中擁有最少節(jié)點的單元是橫梁單元，它只有2個節(jié)點（即梁的兩個端點），但每個節(jié)點處均有6個自由度（即三個平移分量加三個轉(zhuǎn)動位移分量）。d.二階實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體單元也可以使用殼單元，具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)點的自由度。實體單元的每個節(jié)點有三個自由度（三個平移分量），殼單元的每個節(jié)點有六個自由度（三個平移分量加三個轉(zhuǎn)動位移分量）。節(jié)點的位移即為這些分量的幾何合成矢量。g.在進行網(wǎng)格劃分時，單元在匹配幾何體的過程中會經(jīng)歷變形扭曲，但過度的扭曲會導致單元的惡化，從而導致計算量徒增和計算精度大大地降低，甚至會無法計算。為此，需要通過控制默認單元的大?。碨W菜單:COSMOSWorks→Mesh→Create?，其中：Coarse對應(yīng)大，F(xiàn)ine對應(yīng)小）或應(yīng)用局部網(wǎng)格控制（即SW菜單:COSMOSWorks→Mesh→ApplyControl?）來避免單元的過度扭曲。h.網(wǎng)格質(zhì)量保證：包括長寬比檢查和Jacobian檢查,這些檢查由程序自動執(zhí)行。長寬比檢查：正四面體的長寬比通常被用做計算其它單元的長寬比。一個單元的長寬比定義為：四面體的最長邊的長度值/四面體的頂點到其相對面的法向距離的最小長度值。這里，頂點的相對面需用正四面體正則化，并假定四面體的4個角點之間用直線相連。非常小的正四面體單元的長寬比可近似地認為是1.0。作為長寬比檢查的一部分，COSMOSWorks還自動執(zhí)行邊長檢查、內(nèi)切圓和外接圓檢查，以及法向長度檢查。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。一個極端扭曲單元的雅可比行列式是負值，而負的雅可比行列式會導致FEA程序的終止。Jacobian檢查是基于一系列點（高斯點或節(jié)點），這些點位于每個單元中。通常情況下，雅可比率小于或等于40是可以接受的。COSMOSWorks會自動調(diào)整扭曲單元的中節(jié)點位置，以確保所有的單元能通過雅可比檢查。在二次單元中，單元邊界上的中節(jié)點放置在真實的幾何體上；但在尖劈和彎曲邊界，將中節(jié)點放置在真實幾何體上會導致產(chǎn)生邊緣下相互重疊的扭曲單元。對正四面體而言，所有中節(jié)點均精確地定位在直邊中點，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COSMOSWorks→options?→Mesh標簽來實現(xiàn)。i.局部網(wǎng)格控制：由三個參數(shù)來控制——所選實體的單元尺寸、層與層之間的單元尺寸比、受局部優(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（頂點）、線（邊界）、面（表面）、及裝配體組件上。三個控制參數(shù)可通過命令：COSMOSWorks→Mesh→ApplyControl?來實現(xiàn)。為了找出仍在工作的最大單元，可勾選COSMOSWorks→options?→Mesh標簽中的AutomaticLooping選項，“自動為實體循環(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)格對模型進行重新劃分，用戶可以控制：循環(huán)實驗的最大次數(shù)、全局單元尺寸每次減少的幅度、公差。對于應(yīng)用于組件的網(wǎng)格控制由“Componentsignificance(零件有效數(shù)”來定義，對于不同的Slide位置，指示網(wǎng)格劃分程序選用不同的單元尺寸來對每個選定的組件進行網(wǎng)格劃分。但如果“usesameelementsize”已勾選，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進行劃分。j.實際的網(wǎng)格劃分過程，共分三個步驟：第一步，評估幾何模型——檢查CAD幾何體有無缺陷；第二步，處理邊界——即先將節(jié)點置于邊界上，這一步被稱做表面劃分；第三步，創(chuàng)建網(wǎng)格——用四面體單元來填充實體體積。k.如果第一步失敗，則最有可能的是幾何模型錯誤，為了驗證幾何模型是否錯誤，以IGES輸出模型，觀察是否出現(xiàn)錯誤信息“處理修整的表面實體失敗”。l.如果第二步失敗，分兩種情況：i.在進度指示條到達最右端之前出現(xiàn)錯誤，則說明至少在一個面上的劃分出現(xiàn)錯誤，此時，右鍵單擊網(wǎng)格，選擇“失敗診斷”，以找出有問題的表面，再有分割線或網(wǎng)格控制來幫助劃分該表面；ii.在進度指示條到達最右端之后且在第三步開始之前出現(xiàn)錯誤，此時，需要將公差從5%（默認）到10%對單元尺寸進行增加后重新劃分網(wǎng)格，但如果公差為10%時仍舊失敗，則可以繼續(xù)增加公差，但最大不要超過25%。設(shè)置命令為：COSMOSWorks→Mesh→Create?→?m.如果第三步失敗，則表明錯誤發(fā)生在體積填充階段。此時，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”工具只對實體單元有效，對殼單元不起作用。o.從2008版開始，COSMOSWorks實現(xiàn)了自動“局部網(wǎng)格控制”，因而“網(wǎng)格劃分”完全不再需要人工干預。③求解有限元模型——在結(jié)構(gòu)分析中，F(xiàn)EA首先計算的是網(wǎng)格中每個節(jié)點的位移（矢量），再在此基礎(chǔ)上計算應(yīng)變和應(yīng)力等其它物理量；在熱分析中，F(xiàn)EA首先計算的是網(wǎng)格中每個節(jié)點的溫度（標量），再在此基礎(chǔ)上計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，但如果沒有定義材料或載荷，則求解會終止。解算器也可檢查出由于約束不足而引起的剛體運動。但剛體運動可用解算器選項來處理，比如，使用軟彈簧來穩(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因素：1.問題的大小——通常，F(xiàn)FEPlus在處理自由度(DOF超過100,000時，速度比較快。FFEPlus隨著問題的變大會變得更有效率。2.計算機資源——在計算機可用的內(nèi)存足夠多時，DirectSparse解算器的速度比較快。3.分析選項；4.單元類型；5.材料屬性——當模型中使用的材料彈性模量差異較大時（比如鋼和尼龍），F(xiàn)FEPlus（迭代法）求解比DirectSparse（直接法）求解的精度低。如果不能確定選擇哪個解算器是分析的最佳選擇時，可將解算器的類型設(shè)為“自動”。選擇求解器的命令為：COSMOSWorks→Options?→選Results標簽.④結(jié)果分析——對結(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)格時產(chǎn)生的誤差）、數(shù)值誤差（求解過程中產(chǎn)生的誤差）。在這三種誤差當中，只有離散化誤差是FEA特有的，故只有這個誤差能夠在使用FEA時被控制——網(wǎng)格單元越小，離散誤差越低；影響數(shù)學幾何模型的建模誤差，是在FEA之前引入的，故只能通過正確的建模技術(shù)來控制；數(shù)值誤差（求解誤差）是在計算過程中產(chǎn)生的，難于控制，但它們通常比較小。執(zhí)行“COSMOSWorks→Options?→Results標簽→Auto