第5-7章　SOLIDWORKS Motion運動仿真、SOLIDWORKS Simulation數(shù)字化仿真分析、SOLIDWORKS MBD數(shù)字化應用

SOLIDWORKSMotion運動仿真伍5.1運動仿真的基本概念SOLIDWORKS中的運動仿真由插件SOLIDWORKSMotion實現(xiàn)，可以提供機構的運動學性能（包括位置、速度、加速度等）和動力學性能（包括反作用力、慣性力、功率等）的完整量化信息。5.2運動仿真與設計的關聯(lián)運動仿真可以覆蓋從概念設計到最終驗證的全流程，其使用CAD裝配體模型中已有的數(shù)據(jù)，幾乎可以即時地模擬該機構的運動，并得到需要的各項數(shù)據(jù)結果。在完成運動仿真研究后，如果想對任一機構零部件執(zhí)行變形或應力分析，則可以很輕松的將所選零部件提供給FEA來進行結構分析。SOLIDWORKS通過集成的SOLIDWORKSMotion和SOLIDWORKSSimulation對新產(chǎn)品進行更全面的模擬，以提高設計研發(fā)效率、提升設計質(zhì)量并幫助減少所需的物理原型的數(shù)量。5.3SOLIDWORKSMotion基本功能啟用SOLIDWORKSMotion5.3SOLIDWORKSMotion基本功能計算當添加了條件或更改參數(shù)后，該功能變得可用，單擊后將以新的參數(shù)重新運算。

保存動畫將模擬動畫以視頻格式保存。馬達輸入運動參數(shù)以驅(qū)動主動件。輸入彈簧參數(shù)以模擬彈簧在機構中的作用。彈簧阻尼輸入阻尼參數(shù)以模擬阻礙構件運動的阻尼力。力輸入力參數(shù)用于驅(qū)動或阻礙構件運動。5.3SOLIDWORKSMotion基本功能接觸為兩個構件間添加接觸約束關系以防止運動過程中彼此穿透。引力對整個裝配體添加引力參數(shù)。結果和圖解生成當前運動算例的計算結果圖解。運動算例屬性設定算例的仿真屬性參數(shù)。模擬設置增加FEA模擬分析5.4.1布局草圖中的應用5.4布局中的應用布局模型5.4.1布局草圖中的應用5.4布局中的應用添加馬達速度圖解位移圖解5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用完成初步設計的模型5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用更改氣門位置添加馬達5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用添加接觸計算5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用不合理的力矩圖解添加引力5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用力矩圖解更新誤差較大的氣門位移圖解5.4.2對初步建模分析5.4布局中的應用選項更改重新計算的氣門位移圖解5.5產(chǎn)品中的應用杠桿舉升器5.5產(chǎn)品中的應用添加摩擦添加力5.5產(chǎn)品中的應用添加馬達更改仿真時長5.5產(chǎn)品中的應用計算馬達力矩圖解5.6檢查干涉中的應用萬向示教儀5.6檢查干涉中的應用添加馬達檢查干涉5.6檢查干涉中的應用查找干涉垂柳闌干盡日風，

雙燕歸來細雨中。設計嚴謹不得松，機構仿真依運動。SOLIDWORKSSimulation數(shù)字化仿真分析陸6.1有限元方法的基本概念SOLIDWORKSSimulation是一款基于有限元技術的數(shù)字化仿真分析軟件。在數(shù)學術語中，F(xiàn)EA（FiniteElementAnalysis）也稱之為有限單元法，是一種求解關于物理場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。將幾何體剖分成相對小且形狀簡單的實體，這些實體稱為有限單元。在外力作用下，一切固體都將發(fā)生變形，也稱之為變形固體，而設計構件一般均由固體材料制成，所以說構件一般都是變形固體，而SOIDWORKSSimulation的“靜應力分析”的研究對象也是針對變形固體。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設對物體材料的假設：1）連續(xù)性假設。認為整個物體在其空間內(nèi)到處無空隙地充滿物質(zhì)，如不考慮鑄件中的因鑄造缺陷引起的孔隙。2）均勻性假設。認為物體內(nèi)的任何部分其力學性能相同。如不考慮因表面熱處理產(chǎn)生的表面特性與內(nèi)部的不同。3）各向同性假設。認為物體內(nèi)在各個不同方向上的力學性能相同，如不考慮鍛造件不同方向的不同力學性能。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設對求解條件的假設：1）材料線性假設。物體對應用載荷的響應是成固定比例的，如果載荷加大一倍，那么變形也加大一倍，如果去掉載荷，那么模型沒有變形，零件將會恢復最初形狀（沒有永久變形）。2）載荷靜態(tài)假設。載荷是緩慢地逐漸地施加的，因為沖擊載荷會導致額外的位移、應力和應變，在SOIDWORKSSimulation的“靜應力分析”中不考慮該因素。6.1有限元方法的基本概念6.1.1基本假設從基本假設來看，系統(tǒng)對分析對象進行了理想化處理，這必然帶來分析結果的誤差，這稱之為理想化誤差，這無法避免，所以分析結果作為設計參考，而不是等同于實測結果，要學會從分析結果獲取有效信息，而不是全盤依賴分析數(shù)據(jù)。6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理論

6.1有限元方法的基本概念6.1.2基本理論在實際使用時只需注意，塑性材料使用第三強度理論時可進行偏保守（安全）的設計；而第四強度理論可用于更精確設計，要求對材料強度指標、載荷計算較有把握。脆性材料使用第一強度理論，用于拉伸型和拉應力占優(yōu)的混合型應力狀態(tài)；而第二強度理論僅用于石料、混凝土等少數(shù)材料。6.1有限元方法的基本概念6.1.3材料6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束約束代表所給的模型是如何附著于外部世界的，如物體固定到一個表面、允許滑動等，約束是基本應力分析中的必要基本條件，合理的約束通?？蓽p少零部件算例的大小。6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束6.1有限元方法的基本概念6.1.4約束實際工程分析中，約束要依據(jù)具體工況正確的添加，約束的過度與缺失均會影響分析結果的準確性。6.1有限元方法的基本概念6.1.5載荷按外力的作用方式分為表面力和體積力。1）表面力。作用于物體表面的力，又可分為分布力和集中力，分布力是連續(xù)作用于物體表面一定區(qū)域內(nèi)的力，如船體上的水壓力，集中力是作用于一點的力，如火車輪對鋼軌的壓力等。SOIDWORKSSimulation提供了力、扭矩、壓力、軸承載荷等載荷形式。2）體積力。截荷作用于整個模型，SOIDWORKSSimulation提供了引力、離心力、溫度等載荷形式。6.1有限元方法的基本概念6.1.5載荷載荷按外力的性質(zhì)分為靜載荷和動載荷。1）靜載荷。載荷緩慢地由零增加到某一定值后，不再隨時間變化，保持不變或變動很不顯著。2）動載荷。載荷隨時間而變化，動載荷可分為構件具有較大加速度、受交變載荷、沖擊載荷三種情況，交變載荷是隨時間作周期性變化的載荷，沖擊載荷是在瞬時內(nèi)發(fā)生急劇變化的載荷，本教材不涉及到動載荷問題。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格SOIDWORKSSimulation中提供了三種基本的單元類型，實體單元、殼單元及梁（桿）單元。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（1）實體單元

將模型分解成為很小的四面體塊并應用相似的變形到每個小塊。草稿品質(zhì)網(wǎng)格高品質(zhì)網(wǎng)格6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格草稿品質(zhì)網(wǎng)格高品質(zhì)網(wǎng)格（2）殼單元對于鈑金和薄零件的通常使用殼單元進行劃分。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（3）梁（桿）單元

梁單元是由兩個端點和一個橫斷面定義的直線單元。梁單元又分為橫梁單元和桁架單元，橫梁單元能夠承載軸載荷、折彎載荷、抗剪載荷和扭轉載荷。桁架只能承載軸載荷，桁架通常用在諸如橋梁、屋頂、電塔和其它建筑和結構應用場合。無論橫梁和桁架構件的實際橫斷面形狀如何，都會顯示在實際橫梁幾何體中或顯示為空心圓柱體。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格（4）混合網(wǎng)格模型中存在不同幾何體，對不同的幾何體需要使用不同的網(wǎng)格類型時，程序自動使用混合網(wǎng)格。6.1有限元方法的基本概念6.1.6網(wǎng)格不同密度的網(wǎng)格6.1有限元方法的基本概念6.1.7結果圖解應力圖解位移圖解應變圖解安全系數(shù)圖解6.1有限元方法的基本概念6.1.8誤差數(shù)字化仿真結果并非實驗數(shù)據(jù)，其中存在著一些固有的誤差。1．求解誤差。求解誤差是在計算過程中積累的，難以控制，但幸運的是，他們通常都很小，對結果影響有限。2．離散誤差。通過離散化過程，將數(shù)學模型劃分成有限單元，這一過程稱為網(wǎng)格劃分。載荷和支撐在網(wǎng)格完成后也需要離散化，離散化的載荷和支撐將施加到有限單元網(wǎng)格的節(jié)點上。而這個過程中會產(chǎn)生不可避免的誤差，離散化誤差是FEA特有的，也只有這個誤差能夠在使用FEA方法時被控制。3．建模誤差。影響數(shù)學模型的建模誤差，是在FEA之前引入的，只能通過正確的建模技術來控制，也稱為理想化誤差。如實際加工產(chǎn)生的誤差、建模時未考慮的鑄造缺陷等，對模型進行簡化，去除對結果影響較小的、可以忽略不計的特征等。6.1有限元方法的基本概念6.1.8誤差誤差不可避免，分析時不能想著要得到一個完全正確、符合實際的結果，而是要判斷結果誤差是否在一個可以接受的范圍內(nèi)。6.2SOLIDWORKSSimulation的基本操作流程建立數(shù)學模型建立有限元模型求解有限元模型分析結果6.3.1基本零件6.3零件中的應用基本零件示例6.3.1基本零件6.3零件中的應用新建算例添加材料添加夾具第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應用添加載荷生成網(wǎng)格運行求解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應用默認圖解定義安全系數(shù)圖解第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應用安全系數(shù)圖解變更安全系數(shù)圖解參數(shù)第一步6.3.1基本零件6.3零件中的應用復制算例添加基準面第二步添加虛擬壁6.3.1基本零件6.3零件中的應用新位移圖解新應力圖解第二步6.3.1基本零件6.3零件中的應用細化網(wǎng)格第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應用三種網(wǎng)格應力圖解對比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應用三種網(wǎng)格位移圖解對比第三步6.3.1基本零件6.3零件中的應用受力體由于幾何關系，在求解應力函數(shù)的時候出現(xiàn)的應力無窮大。而根據(jù)彈性理論，在尖角處的應力是無窮大的，由于仿真分析軟件的離散化誤差，有限元模型并不會產(chǎn)生無窮大的應力結果，而會隨著網(wǎng)格的細化，得出的應力值大幅度增加的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^探測遠離奇異點的位置的應力值得到可靠的數(shù)據(jù)，在遠離應力奇異位置的應力、安全系數(shù)值受網(wǎng)格大小影響非常小，在可接受范圍內(nèi)。6.3.2復雜零件6.3零件中的應用實際零件結構往往比較復雜，而復雜的零件在網(wǎng)格劃分、仿真計算等方面都有著較高的挑戰(zhàn)，為了提高網(wǎng)格劃分效率、降低計算時間，通常會對模型進行簡化，去除一些對結果影響較小的特征，如外圓角、標志、螺紋、小孔等。6.3.2復雜零件6.3零件中的應用Defeature6.3.2復雜零件6.3零件中的應用為網(wǎng)格簡化模型6.3.2復雜零件6.3零件中的應用復雜零件示例6.3.2復雜零件6.3零件中的應用簡化模型切除模型分割面6.3.2復雜零件6.3零件中的應用新建基準面添加虛擬壁添加固定6.3.2復雜零件6.3零件中的應用添加對稱添加力添加引力6.3.2復雜零件6.3零件中的應用添加對稱添加力添加引力6.3.2復雜零件6.3零件中的應用當零件達到一定的復雜程度時，其分析時間將大大延長，甚至時長會以天為單位，所以對于模型的簡化就顯得尤為重要了，實際工作中切不可拿到模型就開始分析，一定要先審慎的評估模型該如何分析，有需要時會采用草稿品質(zhì)網(wǎng)格快速的做一次評估，以確定相關條件是否添加合理。6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用現(xiàn)實中梁結構通常都屬于大型構件，如果用實體單元進行仿真計算，其計算效率將很難被接受，SOLIDWORKSSimulation通過梁單元對此類零件進行仿真，在計算效率與結果準確性中有著很好的平衡。6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用梁類零件6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用兩種固定條件下的結果對比6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用桿梁零件示例6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用新建算例添加夾具添加載荷6.3.3桿梁類零件6.3零件中的應用生成網(wǎng)格應力圖解安全系數(shù)圖解6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用殼單元具有方向性對于厚度尺寸遠小于長寬的零件而言，在劃分網(wǎng)格時很容易導致在厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)較少，甚至只有一層網(wǎng)格，如果這類網(wǎng)格在整個零件中占比較高時，零件的整體結構剛度會出現(xiàn)較大誤差，SOLIDWORKSSimulation通過殼單元對該類零件進行網(wǎng)格劃分，典型的零件如鈑金件、曲面實體。6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用殼類零件示例6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用水平分割面豎直分割面添加坐標系6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用定義殼屬性添加鏈接添加夾具6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用定義殼屬性添加鏈接添加夾具6.3.4薄板類零件6.3零件中的應用應力圖解6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用在設計過程中如何在一定條件下使得尺寸最優(yōu)，是廣大設計人員所面臨的一大難題，如果每個尺寸均代入進行仿真分析，再對比各結果確定最優(yōu)尺寸，顯然時間成本是巨大的，甚至說現(xiàn)實中根本不允許這樣操作。此時可以輸入確定的條件，由軟件進行迭代計算，給定最優(yōu)解。6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用尺寸優(yōu)化示例6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用新建坐標系添加夾具添加載荷6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用添加軸承載荷生成網(wǎng)格位移圖解6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用生成設計算例添加變量6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用設定變量參數(shù)添加傳感器6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用輸入約束參數(shù)輸入目標參數(shù)6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用分析情形分析結果6.3.5尺寸優(yōu)化分析6.3零件中的應用模型優(yōu)化結果6.4裝配體中的應用當分析一個裝配體時，使用者必須理解零部件間是如何接觸的，只有合理的接觸條件，才能保證分析結果能獲取到正確的接觸應力、位移等數(shù)據(jù)。6.4.1零部件接觸6.4裝配體中的應用接合模擬粘合兩實體。接觸可以防止兩實體由于變形成產(chǎn)生交叉干涉?？臻e允許零件因變形侵入另一零件中。6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用基本裝配體示例6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用排除零件設定剛性零件添加連結6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用添加夾具添加載荷6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用劃分網(wǎng)格簡化裝配配置6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用簡化算例簡化后網(wǎng)格6.4.2基本裝配體6.4裝配體中的應用應力圖解選擇性顯示零件6.4.3帶連接裝配體6.4裝配體中的應用裝配體除了基本零件外還包含大量的標準件，這些標準件如果按實體劃分網(wǎng)格會大大增加計算量，且由于緊固件的預緊力問題，結果并不可靠，為了解決這些問題，SOLIDWORKSSimulation通過接頭模擬這些標準件進行仿真計算。6.4.3帶連接裝配體6.4裝配體中的應用帶連接裝配體示例6.4.3帶連接裝配體6.4裝配體中的應用簡化裝配體添加本地交互添加銷釘連結6.4.3帶連接裝配體6.4裝配體中的應用添加地腳螺栓連結添加虛擬壁添加固定夾具6.4.3帶連接裝配體6.4裝配體中的應用添加載荷生成網(wǎng)格結果圖解6.5與Motion運動聯(lián)合仿真聯(lián)合仿真示例6.5與Motion運動聯(lián)合仿真添加馬達添加力添加引力6.5與Motion運動聯(lián)合仿真馬達力矩圖解找出最大值所處的時間6.5與Motion運動聯(lián)合仿真模擬設置分析結果前江后嶺通云氣，萬壑千林送雨聲。設計需求何滿足？分析仿真來求證。模型特性細細分，條件添加須認真。復雜網(wǎng)格需簡化，分析運動諸事成。SOLIDWORKSMBD數(shù)字化應用柒7.1.1MBD的基本概念7.1SOLIDWORKSMBD介紹基于模型的定義(ModelBasedDefinition，MBD)是一種產(chǎn)品數(shù)字化定義技術，用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息，包括產(chǎn)品定義、公差的標注、工藝信息等，涵蓋了產(chǎn)品和制造信息(PMI)的全部內(nèi)容，其目的是為了將三維實體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)。7.1.1MBD的基本概念7.1SOLIDWORKSMBD介紹MBD信息主要包括三類：1）幾何信息：坐標系統(tǒng)、產(chǎn)品形狀、尺寸信息等。2）屬性信息：材料、重量、測試需求、工程說明、注釋等輔助信息。3）標注信息：標注公差、制造工藝、精度要求、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、結合方式、間隙的設置、連接范圍、潤滑方式、涂刷范圍、顏色、要求符合的規(guī)格與標準等。7.1.1MBD的基本概念7.1SOLIDWORKSMBD介紹隨著MBD的發(fā)展，業(yè)界又提出基于模型的企業(yè)（Model-BasedEnterprise，MBE）的概念，MBE是一種制造實體，其采用建模與仿真技術對其設計、制造、產(chǎn)品支持的全部技術的和業(yè)務的流程進行徹底的改進、無縫的集成以及戰(zhàn)略的管理。術語“基于模型的企業(yè)”已成為先進制造方法的具體體現(xiàn)，MBE的發(fā)展在一定程度上也代表了數(shù)字化制造的未來。7.1.2SOLIDWORKSMBD功能概述7.1SOLIDWORKSMBD介紹SOLIDWORKSMBD是在SOLIDWORKS基礎上完全集成的三維模型定義產(chǎn)品，是無紙化制造解決方案中重要的一環(huán)，可以幫助制造企業(yè)定義和組織三維標注、訂制個性化三維PDF模板、發(fā)布三維模型和標注。7.1.2SOLIDWORKSMBD功能