基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安工程大学 作者:陈永当

  本研究旨在探讨有限元分析方法以及基于SolidWorks Simulation 的有限元分析方法在产品设计过程中的实际应用。首先详细分析了基于SolidWorks Simulation 的有限元分析方法的具体过程,然后通过实例详细探讨了SolidWorks Simulation的基本功能及其使用方法,包括SimulationXPress 应力分析、Simulation 结构有限元分析以及Simulation 优化分析的应用方法。实例证明,基于SolidWorks Simulation 的有限元分析方法应用于实践中有助于提高产品设计的质量与效率。

  有限元法( Finite Element Method,FEM) 是将连续体离散化,通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元,每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数,这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权参量方程可建立有限个待定参量的代数方程组,求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题,并建立了各种有限元模型,如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛,已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。结合计算机辅助设计技术,有限元法也被用于计算机辅助制造中。

  Simulation 是SolidWorks 公司开发的一种功能强大的有限元分析工具软件。它作为嵌入式分析软件与SolidWorks 无缝集成,成为了顶级的销量产品。运用SolidWorks Simulation,一般的工程技术人员就可以进行产品分析,并快速得到相应的计算、分析结果,从而极大地缩短了新产品的设计周期,降低了试验成本,提高了产品质量,并最终获得更大的利润。Solid-Works Simulation 能够提供丰富的计算与分析工具来对较复杂零件及装配体进行运算、测试和分析,其主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等。

  1、SolidWorks Simulation 有限元分析过程

  有限元法的基本思路即,先把一个原来是连续的物体剖分成有限个单元,且它们相互连接在有限个节点上,承受等效的节点载荷,并根据平衡条件来进行分析,然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来,成为一个组合体,再综合求解。无论什么类型的有限元分析,其基本的求解步骤是相同的,不同的只是推导公式或运算过程的差别。

  1. 1、有限元分析方法的基本过程

  ①数学模型的建立。进行零件分析,首先会利用SolidWorks 进行零件实体建模,即构建零件的几何模型。然后,SolidWorks Simulation 需要对几何模型进行网格划分,即将该几何模型划分为适度小的有限单元。为此,通常情况下,该几何模型都需要被修改,以达到上述有限元网格划分的需要。

  ②有限元计算模型建立。有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求,建立合适的、能模拟实际结构的有限元模型。数学模型建立后,将使用连续体离散化方法,将模型进行网格划分。这时,零件实体几何模

  型就被图形处理为网格模型。此外,模型网格化处理时,其上施加的载荷也相应的被离散化处理,然后施加到有限元网格节点上。

  ③有限元计算模型的求解。有限元计算模型建立后,使用SolidWorks Simulation 求解器得到作序数据。

  ④结果分析。结果分析非常重要,也很困难。

  SolidWorks Simulation 分析工具提供了非常详实的数据,这些数据可以表示为各种格式。因此,必须熟悉并理解各种假设、约定以及前三步中产生的误差,才能正确解释结果。

  1. 2、SolidWorks Simulation 的使用过程

  上文阐述了SolidWorks Simulation 的基本过程,在SolidWorks Simulation 的实际应用中,一般会遵循如下过程: 算例创建→材料使用→约束添加→载荷施加→网格划分→运算分析→结果分析。

  结束语

  SolidWorks Simulation 为了体现设计仿真一体化的解决方案,在无缝集成界面做了创造性的改变,将仿真界面、仿真流程无缝融入到SolidWorks 的设计过程中。文中通过几个简单实例研究、分析了SolidWorksSimulation 的一些基本功能及其使用方法。SolidWorksSimulation 的功能非常强大,工程应用中,用户可以使用SolidWorks Simulation 软件对SolidWorks 构建的零件和装配体进行高性能的应力分析和优化分析。

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