基于SolidWorks设计及有限元分析在机械工程中的应用(二)

zhd17101452 · 发表于 2012-4-15 15:21:28

四、以solidworks为前处理的有限元分析流程　　利用SolidWorks软件设计的零部件在完成建模后，就可以对重要零部件进行有限元仿真分析了。在总体上所有的有限元分析都可以分为前处理、主分析计算、后处理三大部分。在SolidWorks中就可以方便快捷地完成其中的各大部分，即先建立三维模型、实现添加多种类型的载荷、定义材料、定义多种边界、自动生成网格，并保留关键特征，从而得到理想的仿真分析结果。然后将建好的模型导入到SimulationXpress和SimulationWorks插件中进行主分析计算和后处理，生成应力图、位移图、应变图等，再根据应力、位移、应变图对模型的参数进行优化修改，直到最后完成既定的设计任务。
　　五、SolidWorks模型的建立
　　1.SolidWorks零件图的建立
　　以泥浆罐上吊装零部件为例，进行建模、分析计算。在设计时，单位制采用mmNS，零件材料采用普通碳钢，其弹性模量为2.1×1011N/m2;泊松比为0.28;抗剪模量为7.9×1010N/m2;密度为7800Kg/m3。
　　上吊装件是泥浆罐设计中必须考虑的关键零件，它在整个设计中起到整套罐是否符合安全系数的作用。本例中上吊装件有四部分钢结构材料组成，其设计过程如下图的设计树可以看出。
　　

　　上吊装件设计过程
　　SolidWorks上吊装零部件图的生成分为以下几步完成：
　　(1)选择基准面;
　　(2)构建几何草图：
　　(3)生成拉伸特征。
　　通过在选好的基准面上调取SolidWorks中Toolbox插件中的标准件如20#工字钢、e117无缝管草图，选择拉伸特征，选择合适的尺寸就形成了上图中的吊装件部件。
　　2.Solidworks装配图的建立
　　在SolidWorks软件的装配图环境下，将上吊装件装配到泥浆罐墙板的设计位置。每个泥浆罐要求四个上吊装件，按照设计的位置完成好上吊装件与泥浆罐墙板的装配，就完成了这一部件的设计与装配。
　　六、建立有限元模型
　　当建立好上吊装的零部件图形后，就可以进行有限元的分析了。在SolidWorks环境下调出上吊装件的图形，先后进行SimulationXpress和SimulationWorks插件下的有限元仿真分析。在SimulationXpress下的分析过程如下：
　　1.分析约束条件。如果插件SimulationWorks已经出现在设计菜单下，就从“工具”“插件”下将SimulationWorks复选框去掉。进入到SimulationXpress分析环境中。在先期的设计过程中先后选定了普通碳钢的材质，所以其相关材料特性已经确定。根据上吊装件在实际应用中的约束情况，给它选取比较实际的仿真约束条件，既哪些面将被约束，哪些面将承受力或力矩。这样选取20#工字钢、钢板外周面为约束面。
　　2.加载载荷。依据实际，在泥浆罐上安装四套上吊装件，而且设计泥浆罐的最大起吊载荷为1.5×105N，那么可以对上吊装加载0.6×105N，并将载荷定义为力，加载在e117无缝管的外侧上。
　　3.建立仿真分析，显示分析结论。通过上吊装件的静态分析，可以得出此吊装件的安全系数为7.56，此安全系数相对较高，一般能满足安全系数大于3的条件，设计比较合理，不需要对其中的参数进行优化设计。
　　按照同样的分析过程，还可以在SimulationWorks环境下进行有限元的仿真分析。和上面屏蔽SimulationWorks插件一样，重新调出SimulationWorks，进行上吊装件在SimulationWorks下的有限元分析过程如下：
　　1.建立仿真分析前的条件。设计算例，确定材质，添加约束面，施加载荷力。首先启动有限元分析算例1，在SolidWorks材质库中确定材料为普通碳钢，普通碳钢的材料特性在相应的列表中可以看到，然后对几个约束面进行约束。在实际应用中可以将钢板面、工字钢焊接点、无缝管焊接处等进行仿真模拟约束，最后对无缝管的受力面加载力0.6×105N。
　　2.设置网格。在设置网格的环节中，因为分析的零部件较小，可以适当的将网格划分得较细一些，将整体网格大小设置为6mm，公差为0.3mm，运行网格生成，网格划分完毕，见下图加载约束面及加载载荷力的设置图形。
　　3.输出有限元分析文件。在经过有限元的分析后通过输出相应的应力图、位移图、应变图、安全系数分析图等可以对上吊装件进行后期处理，并为输出的结果进行后期的优化设计。至此，对上吊装件的有限元分析在SolidWorks中的设计与的处理分析完成。
　　七、SolidWorks有限元分析的后处理
　　针对SolidWorks中SimulationXpress和SimulationWorks插件下的仿真分析的计算结果进行后处理，在分析中得到了最终的应变图分别为应力图、位移图、应变图等。如下图所示：
　　

　　从以上三图可以看出应力最集中的地方和应变最大的地方都在无缝管与钢板焊接的位置，在实际的焊接中一定要求焊接牢固，甚至要求对其部位进行探伤检测，以保证设计成果服务生产，生产验证设计成果。而位移变化最大的位置接近盲堵板处，这就要求无缝管的壁厚指标不能随意更改，相对长度不能太长，以免发生意外。
　　八、结束语
　　本文通过介绍利用SolidWorks软件进行三维产品的参数化设计，使设计师们能够更好的通过SolidWorks的学习，了解并熟练掌握这一软件，从而加速产品的设计生产，减少设计周期与成本。通过介绍重要零部件的有限元仿真计算处理，对上吊装件进行了分析、计算、优化、处理，充分利用了SolidWorks的建模功能，克服了专业有限元分析软件的CAD功能较差的缺点，从而大大的提高了工程设计的效率，这些软件及方法对于大型工程机械、石油机械工业等的设计制造都有一定的现实意义。

20126755 · 发表于 2012-4-15 15:25:59

{:soso_e181:}学无止境

sujunwu · 发表于 2012-4-15 15:29:34

如果有视频就更好了，初学有限元分析，请求帮助！

Diu_Season · 发表于 2012-4-15 15:34:37

学习了

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