SolidWorks Simulation邊界條件設(shè)定方法

1、SolidWorks Simulation邊界條件設(shè)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(xué)院 劉軍一、引言有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析結(jié)果誤差的主要來(lái)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(dāng)?shù)倪吔鐥l件會(huì)使分析模型的結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際結(jié)果。本文重點(diǎn)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(duì)象的分析結(jié)果就越接近真實(shí)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(jì)算困難、成本過高、消耗的時(shí)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(shí)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(dú)取出被關(guān)注的零部件，確定其最合理的邊界條件，進(jìn)行分析計(jì)算;然后擴(kuò)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(jì)算;對(duì)比兩次計(jì)算的結(jié)果，如果結(jié)果偏差很大，說(shuō)明第一次分析定義的邊界太小，需要再次擴(kuò)大邊界重新計(jì)算，和第二次的結(jié)果對(duì)比。循環(huán)進(jìn)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(gè)零件“C型槽”的力

3、學(xué)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(lái)，如圖3所示的綠色面。對(duì)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(jì)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(kuò)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(jì)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(duì)比兩次分析的結(jié)果，C型槽的變形和應(yīng)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(kuò)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(jiǎn)單，但是也笨拙，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致重復(fù)計(jì)算和參與分析的零部件數(shù)量過多、計(jì)算量過大的情況。例如，對(duì)于C型槽，當(dāng)繼續(xù)擴(kuò)大邊界條件時(shí)，我們是否需要將整個(gè)軌道車都添加進(jìn)來(lái)盡量進(jìn)行分析。這樣做的時(shí)間和計(jì)算代價(jià)會(huì)太大，往往難以接受。實(shí)際應(yīng)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?zèng)Q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(biāo)準(zhǔn)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dāng)，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(yàn)，豐富的經(jīng)驗(yàn)直接影響分析的結(jié)果是否正確。圖8工程法流程在對(duì)板凳進(jìn)行受力分析時(shí)，確定邊界是否要把人體的模型添加進(jìn)來(lái)。很顯然，板凳的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體的剛度，所以根據(jù)工程分析法，人體模型對(duì)板凳的相互作用，使用載荷進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dú)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(shuō)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(xué)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(jìn)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(jiǎn)單地使用約束或載荷進(jìn)行替代，需要采用包裹法進(jìn)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(dāng)作為邊界的零部件距離被分析零部件的關(guān)注點(diǎn)或危險(xiǎn)點(diǎn)足夠遠(yuǎn)時(shí)，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(diǎn)或危險(xiǎn)點(diǎn)靠近邊界，那么邊界必須擴(kuò)大。該方法是包裹法和工程法的補(bǔ)充，用于判斷是否需要擴(kuò)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(shí)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(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖17所示，應(yīng)力最大點(diǎn)離腳踏板零部件足夠遠(yuǎn)，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(shè)如果應(yīng)力的最大點(diǎn)在靠近腳踏板的紫色軸上一點(diǎn)，若關(guān)注這一點(diǎn)應(yīng)力的話，邊界必須擴(kuò)大，需要將腳踏板模型添加到分析模型中。五、結(jié)語(yǔ)實(shí)際