solidworks Simulation理論基礎(chǔ).ppt

1、a Background and Theory,1,Simulation有限元分析,理論基礎(chǔ),長(zhǎng)沙凱士達(dá)信息技術(shù)有限公司 CAE工程師 謝莉,a Background and Theory,2,概要,Simulation產(chǎn)品線及公司介紹 什麼是FEA? 歷史背景 FEA在設(shè)計(jì)中的作用 有限元理論 定義 一般過(guò)程 強(qiáng)度理論,a Background and Theory,3,Simulation 產(chǎn)品線-面向所有用戶的協(xié)同仿真,Simulation 機(jī)械設(shè)計(jì)驗(yàn)證,Flow Simulation 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),Motion 運(yùn)動(dòng)仿真,a Background and Theory,4,Solid

2、Works 設(shè)計(jì)仿真產(chǎn)品線,a Background and Theory,5,COSMOS更名,SolidWorks Simulation 產(chǎn)品線的新名稱,a Background and Theory,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(gè) SolidWorks 合作伙伴,第一個(gè) SolidWorks 黃金合作伙伴,發(fā)布 Simulation 2005,被 Dassault Systemes 收購(gòu),發(fā)布COSMOS2007,2002,2004,2001,發(fā)布SW&Premium

3、,發(fā)布Simulation 2006,2005,2006,COSMOSMotion 加入SW&Premium,2007,發(fā)布COSMOS2008,2008,更名為Simulation,a Background and Theory,7,許多人并不需要 FEA,當(dāng)時(shí)間，費(fèi)用，重量無(wú)需考慮時(shí),a Background and Theory,8,什么是 FEA?,解析方法雖然簡(jiǎn)單但很難滿足許多工程設(shè)計(jì)的需要,FEA 將復(fù)雜的幾何模型離散分解成許多 簡(jiǎn)單的小塊,FEA: Finite Element Analysis FEM: Finite Element Method FEA/FEM 稱為有限單元分

4、析/方法,a Background and Theory,9,歷史背景基于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分析,在 1943, Richard Courant 建議將連續(xù)介質(zhì)的物體劃分為三角形的小塊 1953年, 絎架結(jié)構(gòu)分析在數(shù)字計(jì)算機(jī)上首次完成. 1960年, “有限單元法” 的名字由Ray Clough首次提出 在70年代末80年代初，分析評(píng)估在微機(jī)和工作站上實(shí)現(xiàn) 花費(fèi)少 容易組織 但過(guò)程麻煩: 設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生模型并把他們交給分析人員. 分析人員導(dǎo)入分析模型,進(jìn)行分析,并給出分析結(jié)果 根據(jù)分析結(jié)果更改設(shè)計(jì)等,a Background and Theory,10,歷史背景基于計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)分析,80年代中期進(jìn)入P

5、C時(shí)代: 分析的采用在一定程度上提高了效率 90年代中期進(jìn)入Windows時(shí)代 花費(fèi)低 設(shè)計(jì)人員已把分析作為設(shè)計(jì)中不可分割的一部分 更復(fù)雜和更大的裝配體模型也可進(jìn)行分析 CAD 和 FEA集成的改善 自動(dòng)優(yōu)化處理 更快的速度和精度 分析的未來(lái): 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(chǎng)時(shí)間,a Background and Theory,11,FEA 在工業(yè)中,CAD 和 FEA 的結(jié)合使得在實(shí)際工作中使用FEA方便簡(jiǎn)單 在設(shè)計(jì)中使用FEA可以大大減少 (但不是替代) 物理樣機(jī)和試驗(yàn) 通過(guò)使用 FEA, 設(shè)計(jì)可以更優(yōu),減少重量體積并且提高可靠性,a Background and Th

6、eory,12,FEA 在工業(yè)中,FEA 并不只強(qiáng)調(diào)自己 FEA 要在設(shè)計(jì)中發(fā)揮作用離不開(kāi) 物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn),a Background and Theory,13,當(dāng)有零部件破壞時(shí),物理實(shí)驗(yàn) 金相檢查 各種儀器 (昂貴) 檢測(cè) 重新設(shè)計(jì)重新試驗(yàn),FEA 了解到各種工況數(shù)據(jù) 看到失效形式 找到危險(xiǎn)和沒(méi)危險(xiǎn)的零部件,我們?cè)嚵擞衷嚨圆恢浪鼮槭颤N會(huì)壞,a Background and Theory,14,把事情做好,傳統(tǒng)的方式 按比例試驗(yàn) 樣機(jī) 重新設(shè)計(jì)重新試驗(yàn),FEA 了解各種參數(shù)影響 沒(méi)有材料消耗 測(cè)試各種極端情況下和無(wú)法作試驗(yàn)的結(jié)果 鑒別各種可能的趨勢(shì) 優(yōu)化處理,a Background an

7、d Theory,15,有限元術(shù)語(yǔ),a Background and Theory,16,有限元網(wǎng)格,一個(gè)離散化的模型 代表實(shí)際三維物體 有限元模型由單元和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,對(duì)單元位移有一個(gè)簡(jiǎn)化的假設(shè)形式 位移的連續(xù)性在節(jié)點(diǎn)處被保證,a Background and Theory,17,單元/節(jié)點(diǎn)定義,應(yīng)力應(yīng)變?cè)诿總€(gè)單元中被計(jì)算 力和位移在每個(gè)節(jié)點(diǎn)被計(jì)算 單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互作用 單元可分為兩大類 連續(xù)介質(zhì)(實(shí)體) 結(jié)構(gòu) (梁、殼),a Background and Theory,18,有限單元,COMOSWorks用四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐謱?shí)體幾何體，用三角形殼單元?jiǎng)澐謳缀蚊妗?實(shí)體四面體單元,二階,a Ba

8、ckground and Theory,19,a Background and Theory,20,有限單元,殼單元,一階,二階,a Background and Theory,21,a Background and Theory,22,有限單元,橫梁?jiǎn)卧?a Background and Theory,23,在FEA中使用直接位移法求解,位移被假設(shè)是未知的 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)單元僅有 ux, uy,和qz 在3D中的

9、連續(xù)單元僅有 ux, uy和 uz 在3D中的結(jié)構(gòu)單元有 所有六個(gè)自由度 所有存在的自由度都對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的力和矩,a Background and Theory,24,實(shí)體單元各節(jié)點(diǎn)：3個(gè)自由度 殼單元各節(jié)點(diǎn)：6個(gè)自由度 梁?jiǎn)卧鞴?jié)點(diǎn)：6個(gè)自由度,a Background and Theory,25,結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ),平衡方程,變形協(xié)調(diào)方程,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（虎克定律）,a Background and Theory,26,平衡方程,施加在一個(gè)單元上的外力之和為零,a Background and Theory,27,變形協(xié)調(diào)方程,單元節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)變的關(guān)系 節(jié)點(diǎn)力和單元應(yīng)力亦如此,ei = B u,

10、a Background and Theory,28,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,又稱為物理方程 定義應(yīng)力 (s) 和應(yīng)變 (e)關(guān)系,在該關(guān)系方程中 C 是一個(gè) 6 X 6 的矩陣 s = Ce,a Background and Theory,29,邊界條件,在有限元分析中的邊界條件代表 實(shí)際物理模型和它周邊物體之間的相互作用關(guān)系,分析整個(gè)系統(tǒng)在很多時(shí)候既不實(shí)際也沒(méi)必要,通過(guò)使用邊界條件一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的分析, 可以簡(jiǎn)化成對(duì)一個(gè)零部件級(jí)的分析,a Background and Theory,30,邊界條件,自由物體有六個(gè)自由度（ RIGID BODY MODES） 一個(gè) (RBM) 是一個(gè)可能的運(yùn)動(dòng) ，存在有可

11、能的運(yùn)動(dòng) 的方向不能有變形,自由物體有三個(gè)移動(dòng)自由度 和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,a Background and Theory,31,邊界條件,約束應(yīng)按以下原則施加: 約束條件忠實(shí)地反映實(shí)際工況 剛體六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度必須被約束掉,a Background and Theory,32,各種約束條件的實(shí)例,FEA 等效約束種類如下所述,懸臂梁約束（固定） 導(dǎo)槽約束 輪廓約束 鉸鏈約束 球鉸約束,a Background and Theory,33,邊界條件,所有的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都被約束,懸臂梁約束（固定約束）,僅有一個(gè)移動(dòng)自由度,導(dǎo)槽約束,a Background and Theory,34,邊界條件,所有的轉(zhuǎn)

12、動(dòng)被約束僅允許一個(gè) 移動(dòng)自由度,輪廓約束,所有的移動(dòng)被約束僅允許一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,鉸鏈約束,a Background and Theory,35,邊界條件,所有移動(dòng)被消除, 所有轉(zhuǎn)動(dòng)被允許,球鉸約束,a Background and Theory,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(nèi)部的力 稱為體力 如重力，離心力，溫度應(yīng)力,a Background and Theory,37,有限元分析概述,有限元分析可分成三個(gè)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(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。 FEA分析的

13、基本步驟： 預(yù)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(jì)算結(jié)果 后處理：分析結(jié)果,a Background and Theory,38,有限元分析過(guò)程,產(chǎn)生幾何模型,劃分單元,確定分析類型,添加材質(zhì)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(jì)算,產(chǎn)生單元?jiǎng)偠染仃?u,f,a Background and Theory,39,有限元分析過(guò)程,獲得每個(gè)單元的單元應(yīng)變,計(jì)算單元應(yīng)力,顯示結(jié)果,Post-,獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)位移,a Background and Theory,40,建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)CAD幾何模型

14、進(jìn)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。,a Background and Theory,41,建立有限元模型 網(wǎng)格劃分：通過(guò)離散化過(guò)程，將數(shù)學(xué)模型分成有限單元。 求解有限元模型 結(jié)果分析,a Background and Theory,42,有限元分析過(guò)程,a Background and Theory,43,強(qiáng)度理論,第一強(qiáng)度理論（最大法向應(yīng)力理論） P1：第一主應(yīng)力 主應(yīng)力：切應(yīng)力為零的平面上的正應(yīng)力。 一般適用于脆性材料，如鑄鐵、陶瓷、工具鋼等 第二強(qiáng)度理論（最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論） P1-u(P2+P3) 合金鑄鐵、低溫回火的高強(qiáng)度鋼和石料等 第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論） 最大抗剪應(yīng)力max=(P1-P3)/2,a Background and Theory,44,強(qiáng)度理論,第四強(qiáng)度理論形狀改變比能理論 Von Mises應(yīng)力,a Background and Theory,45,主應(yīng)力1 、2、 3（剪應(yīng)力為零） 設(shè)計(jì)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(yīng)力都不同，根據(jù)需要來(lái)選擇,a Background