SimulationDesigner培訓(xùn)

1、Simulation 有限元分析培訓(xùn)劉軍劉軍2022年年2月月2日日2l第一章 分析入門l第二章 帶孔板分析l第三章 L形板分析l第四章 健身器輪組分析l第五章 軸孔接觸分析l第六章 手鉗應(yīng)力分析l第七章 火車輪過(guò)盈配合分析l第八章 滑輪殼分析l第九章 結(jié)構(gòu)件分析l第十章 音叉頻率分析l第十一章 吹風(fēng)機(jī)的頻率分析l第十三章 裝配體的頻率分析l第十四章 屈曲分析3產(chǎn)品正常使用的三個(gè)力學(xué)要求：產(chǎn)品正常使用的三個(gè)力學(xué)要求： 強(qiáng)度強(qiáng)度：物體抵抗破壞的能力 剛度剛度：物體抵抗變形的能力 穩(wěn)定性穩(wěn)定性：物體受到載荷時(shí)在原有形狀下保持平衡產(chǎn)品常見(jiàn)的破壞形式：產(chǎn)品常見(jiàn)的破壞形式： 斷裂：實(shí)際最大應(yīng)力許用應(yīng)力

2、最大位移許用位移 失穩(wěn)傳統(tǒng)的驗(yàn)證手段：材料力學(xué)材料力學(xué)和彈性力學(xué)彈性力學(xué)4FEA: Finite Element Analysis近似的結(jié)果，趨勢(shì)的研究5分析類型分析類型載荷：80kgf6靜態(tài)分析的三個(gè)假設(shè)條件：1. 載荷緩慢加載2. 材料線性并在線性范圍內(nèi)3. 小變形7部分基本概念： 其中為應(yīng)力，為縱向線應(yīng)變，為橫向線應(yīng)變，為泊松比，E為彈性模量8賦予材料：賦予材料： 主要指標(biāo)有：E彈性模量，泊松比，密度，屈服應(yīng)力，極限應(yīng)力，求解時(shí)需要E、，如果載荷有重力、加速度、離心力時(shí)需要；結(jié)果分析時(shí)需要。9約束模型：約束模型： 消除物體的剛體運(yùn)動(dòng)，如果物體沒(méi)有約束，就不會(huì)產(chǎn)生變形。約束的準(zhǔn)則約束的準(zhǔn)則

3、：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 約束最常見(jiàn)的錯(cuò)誤是：過(guò)約束導(dǎo)致物體的剛度過(guò)大，或欠約束導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)算。10添加載荷： 載荷是緩慢加載的，載荷三要素：大小、方向、作用點(diǎn)。載荷也要盡量符合實(shí)際載荷情況。載荷：80kgf11離散化： 將連續(xù)實(shí)體離散成有限個(gè)基本單元。12運(yùn)算看結(jié)果：13 典型有限元分析流程：CAD 模型模型 應(yīng)力應(yīng)力結(jié)果結(jié)果數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型有限元模型有限元模型14第二章第二章 帶孔矩形板分析帶孔矩形板分析材料：鋼AISI304約束：一端固定載荷：25000ib網(wǎng)格：1.默認(rèn) 2.縮小一半問(wèn)題：1.波節(jié)應(yīng)力與單元應(yīng)力的區(qū)別2.查看應(yīng)力圖解3.應(yīng)力探測(cè)4.網(wǎng)格大

4、小對(duì)分析的影響單元大小的定義15結(jié)果是否可靠？結(jié)果是否可靠？ 1.網(wǎng)格細(xì)化，看每次分析結(jié)果是否收斂；2.波節(jié)應(yīng)力與單元應(yīng)力誤差5%以內(nèi)；3.和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比；4.和理論解析解進(jìn)行對(duì)比；5.和成熟產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比；6.和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。16有限元誤差的因素有限元誤差的因素l模型的偏差模型的偏差：CAD模型和實(shí)際產(chǎn)品的偏差（制造、裝配、造型的偏差）；l材料的偏差材料的偏差：材料理論數(shù)據(jù)和實(shí)際材料的偏差、不同批次材料的偏差、材料的缺陷、熱處理的不同；l約束約束/載荷的偏差載荷的偏差：實(shí)際產(chǎn)品的約束/載荷情況和模型中的約束/載荷情況的偏差，很多時(shí)候真實(shí)的約束/載荷很難數(shù)學(xué)描述，這種誤差是分析中最大的誤差所

5、在，也最難控制；l離散化誤差離散化誤差：有限元自帶的，無(wú)法消除，可以通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格來(lái)減少l計(jì)算誤差計(jì)算誤差：有限元自帶的，無(wú)法消除和減少17第三章第三章 L形支架的靜態(tài)分析形支架的靜態(tài)分析 材料：鋼AISI304約束：一端固定載荷：200ib向下網(wǎng)格：1.默認(rèn)問(wèn)題：1.網(wǎng)格控制2.應(yīng)力奇異性3.網(wǎng)格自動(dòng)過(guò)度4.列舉反作用力18第一強(qiáng)度理論第一強(qiáng)度理論：最大正應(yīng)力準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)力）鑄鐵、石料（脆性材料拉伸破壞）第二強(qiáng)度理論第二強(qiáng)度理論：莫爾-庫(kù)倫（Mohr-Doulomb）準(zhǔn)則（最大拉應(yīng)變理論）適用于：石料、混凝土軸向受壓第三強(qiáng)度理論第三強(qiáng)度理論：崔西卡（Tresca）準(zhǔn)則（最大剪切理論）鋼材等（

6、彈性材料塑性屈曲）結(jié)果偏安全第四強(qiáng)度理論第四強(qiáng)度理論：馮-米塞斯（von-Mises）準(zhǔn)則（最大形狀比能理論）鋼材等（彈性材料塑性屈曲）11r)(3212vr313r2132322214 )()()( 21r產(chǎn)品安全與否的評(píng)判依據(jù)？產(chǎn)品安全與否的評(píng)判依據(jù)？19第四章第四章 健身器輪組分析健身器輪組分析材料：灰鑄鐵、合金鋼約束：載荷：200ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問(wèn)題：1.應(yīng)用靜力分析合適嗎？2.約束如何添加？3.載荷如何添加？4.圣維南原理5.裝配體與零件的不同之處？20第五章第五章 軸孔接觸分析軸孔接觸分析材料：合金鋼約束：如圖載荷： 300 psi 網(wǎng)格：1.默認(rèn)問(wèn)題：1.真實(shí)接觸的定義2.對(duì)稱

7、約束結(jié)合結(jié)合自由自由無(wú)穿透無(wú)穿透局部局部零部件零部件全局全局高優(yōu)先級(jí)高優(yōu)先級(jí)低優(yōu)先級(jí)低優(yōu)先級(jí)21局部接觸類型局部接觸類型無(wú)穿透可以分離，但不可以相互穿透接合粘合在一起，不可分離允許貫通自由移動(dòng)，可相互穿透冷縮配合用來(lái)分析過(guò)盈配合虛擬壁提供在類似平面上的支撐約束，比如土壤支撐等。選項(xiàng)：1.節(jié)到節(jié)節(jié)到節(jié)：源與目標(biāo)一開始就接觸在一起，并沒(méi)有顯著滑移，大位移分析不可用；2.節(jié)到曲面節(jié)到曲面：節(jié)點(diǎn)和曲面允許滑移和不接觸，大位移分析有效，計(jì)算更加消耗資源；3.曲面到曲面曲面到曲面：允許滑移和不接觸，無(wú)穿透常用，大位移分析有效。22第六章第六章 手手用虎鉗的接觸分析用虎鉗的接觸分析材料：Alloy stee

8、l約束：夾緊鋼板？載荷：50ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問(wèn)題：1.簡(jiǎn)化（鋼板、銷釘）2.多大的力使尾部接觸？3.此時(shí)應(yīng)力多大？真實(shí)嗎？23第七章第七章 火車輪過(guò)盈配合火車輪過(guò)盈配合 分析冷縮配合裝配體 使用對(duì)稱載荷 局部坐標(biāo)系中的應(yīng)力解 解算器選項(xiàng)消除剛體模式24第七章第七章 火車輪過(guò)盈配合火車輪過(guò)盈配合周向應(yīng)力圖（使用局部圓柱坐標(biāo)系）周向應(yīng)力圖（使用局部圓柱坐標(biāo)系）為什么在接觸界面周向應(yīng)力值會(huì)有一個(gè)突變？裝配體在徑向的應(yīng)力會(huì)經(jīng)歷一個(gè)同樣的突變嗎？沿軸向的應(yīng)力分量沿軸向的應(yīng)力分量沿徑向的應(yīng)力分量沿徑向的應(yīng)力分量沿周向的應(yīng)力分量沿周向的應(yīng)力分量25第八章第八章 滑輪滑輪的殼體分析的殼體分析材料：Alloy

9、 steel約束：夾緊鋼板？載荷：50ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)問(wèn)題：1.實(shí)體或殼2.殼的指定3.殼的方向26網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型一個(gè)裝置的例子一階實(shí)體四面體單元（四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)三個(gè)自由度）二階實(shí)體四面體單元（十個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)三個(gè)自由度）27網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型墻上托架的鈑金模型一階三角形殼單元（三個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度）二階三角形殼單元（六個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度）28網(wǎng)格的類型網(wǎng)格的類型一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的例子把框架分解成很小的直桿并應(yīng)用相似的變形到每個(gè)直桿（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度）29第九章第九章 結(jié)構(gòu)件分析結(jié)構(gòu)件分析材料：普通碳鋼約束：底端固定載荷：1000ib網(wǎng)格：1.默認(rèn)30第

10、十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析 每個(gè)結(jié)構(gòu)都有以特定頻率震動(dòng)的趨勢(shì)，這一頻率也稱作自然頻率自然頻率或共振頻率共振頻率。 每個(gè)自然頻率都與模型以該頻率振動(dòng)時(shí)趨向于呈現(xiàn)的特定形狀相關(guān)，稱為模式形狀。 當(dāng)結(jié)構(gòu)被頻率與其自然頻率一致的動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)時(shí)，會(huì)承受較大的位移和應(yīng)力。這種現(xiàn)象就稱為共振共振。對(duì)于無(wú)阻尼的系統(tǒng)，共振在理論上會(huì)導(dǎo)致無(wú)窮的運(yùn)動(dòng)。但阻尼會(huì)限制結(jié)構(gòu)因共振載荷而產(chǎn)生的反應(yīng)。 單自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)頻率31第十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析 如圖所示的音叉，被設(shè)計(jì)在440Hz的頻率下能夠釋放出一個(gè)較低的A音。 該音叉的設(shè)計(jì)可以通過(guò)頻率分析來(lái)驗(yàn)證，是否是440Hz？ 基本頻率基本頻率：基本頻

11、率即最低的共振頻率。自然頻率的值與結(jié)構(gòu)在特定模態(tài)下所需要的能量級(jí)別成比例。因此，基本頻率下結(jié)構(gòu)體振動(dòng)所需要的能量與其他所有的自然頻率相比是最小的。32第十章第十章音叉頻率分析音叉頻率分析最初的6個(gè)振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)著剛體模態(tài)。因?yàn)橐舨鏇](méi)有受到支撐，作為剛體它擁有6個(gè)自由度：3個(gè)平移自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。Simulation檢測(cè)到的模態(tài)并賦予他們頻率的值為0Hz。注意：對(duì)于剛體模態(tài)的頻率分析，必須使用注意：對(duì)于剛體模態(tài)的頻率分析，必須使用FFEPlusFFEPlus解算器。解算器。Direct SparseDirect Sparse求解器不適用于剛體模態(tài)的頻率分析。求解器不適用于剛體模態(tài)的頻率分析。

12、自由無(wú)約束固定下部球面33第十一章第十一章 吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析 吹風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇由于離心力的作用而使葉片受到拉伸應(yīng)力，這些應(yīng)力增加了葉片的剛度。增加的剛度稱為應(yīng)力剛度，將它添加到彈性剛度里面，也稱為葉片的形狀剛度。 實(shí)際上，旋轉(zhuǎn)的葉片比靜止的葉片更加堅(jiān)硬，而且增加的剛性會(huì)影響到葉片的共振頻率。 針對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片的基本頻率，研究由于離心力的作用而增加的剛性的影響效果。 1、不考慮剛度的增加 2、考慮剛度的增加34第十一章第十一章 吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析 壓力或拉力載荷會(huì)改變結(jié)構(gòu)體抗彎的能力。壓力會(huì)降低抗彎能力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力軟化。拉力能夠增加彎曲剛度，這種現(xiàn)象稱

13、為應(yīng)力硬化。 應(yīng)力軟化或硬化在靜態(tài)分析中都很重要，因?yàn)樗麄儠?huì)影響結(jié)構(gòu)體的最終剛度，進(jìn)而改變對(duì)載荷的影響及振動(dòng)屬性。 在靜態(tài)分析中，考慮載荷對(duì)剛度影響的正確方法是采用非線性分析。 在頻率分析中，應(yīng)力硬化或軟化的直接后果是改變自然頻率。35第十一章第十一章 吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析30003000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分的速度分的速度沒(méi)有旋轉(zhuǎn)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)36第十一章第十一章 吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析吹風(fēng)機(jī)風(fēng)扇的頻率分析頻率結(jié)果圖標(biāo)注：基本頻率的大小隨著網(wǎng)格的細(xì)化而降低，因?yàn)樵谑褂酶?xì)的網(wǎng)格時(shí)，模型變得更加軟。因此基本頻率會(huì)根據(jù)以上因素達(dá)到收斂。雖然這些影響都非常小，或者說(shuō)基本上沒(méi)有實(shí)用性。37第十二章

14、第十二章 裝配體的裝配體的頻率分析頻率分析 將零部件視為遠(yuǎn)程載荷 裝配體的頻率與零部件的質(zhì)量分布有關(guān) SW模型中，部分零部件可以不用真實(shí)建模 發(fā)動(dòng)機(jī)部件視為具有對(duì)應(yīng)質(zhì)量和慣性的質(zhì)點(diǎn) 頻率分析中的接觸設(shè)置 結(jié)合或自由38第十二章第十二章 裝配體的裝配體的頻率分析頻率分析 頻率分析中不能指定無(wú)穿透接觸 頻率分析取決于模型的剛度系數(shù)和質(zhì)量矩陣 對(duì)于無(wú)穿透接觸，剛度矩陣取決于變形（不是常量） 如下圖所示的兩段梁梁:獨(dú)立的梁和相互接觸的梁振動(dòng)特性完全不同39第十三章第十三章 屈曲分析屈曲分析 扭曲指在壓力作用下的突然大變形。細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的物體在受到軸向載荷時(shí)，很容易因?yàn)榕で鴵p壞，而且扭曲時(shí)所受到的載荷低于

15、導(dǎo)致材料失效的載荷。 在不同載荷的作用下，扭曲會(huì)產(chǎn)生不同的模態(tài)。大多數(shù)情況下，只有最低的扭曲載荷才是有意義的。 很多的結(jié)構(gòu)載荷都會(huì)影響到結(jié)構(gòu)剛度。拉應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力剛度，會(huì)增加彈性剛度；壓力產(chǎn)生負(fù)的應(yīng)力剛度，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的彈性剛度。 由于壓力作用而使彈性剛度降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度降低到0的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生扭曲。 此方程描述了剛度抵消的結(jié)果： 彈性剛度矩陣 應(yīng)力剛度矩陣 特征值，乘以加載的載荷可以得到臨界載荷； 特征矢量，對(duì)應(yīng)扭曲的模態(tài)0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK0iSiEKK40第十三章第十三章 屈曲分析屈曲分析扭曲可以視為這樣一種情況，就是載荷有一個(gè)微小的增加也會(huì)引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或坍塌在給定載荷和約束的情況下，線性扭曲分析可以確定特征值的大小注意：線性屈曲不考慮真實(shí)結(jié)構(gòu)中存在的缺陷或者非線性，因此，對(duì)線性扭曲分析的結(jié)果必須給與警示性說(shuō)明。41第十三章第十三章