olidworksSimulation理论基础.ppt

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1、Solidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003长沙凯士达信息技术有限公司长沙凯士达信息技术有限公司CAE工程师工程师 谢莉谢莉1Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003概要Simulation产品线及公司介绍什麽是FEA?历史背景FEA在设计中的作用有限元理论定义一般过程强度理论2Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWork

2、sTraining,January 2003Simulation 产品线-面向所有用户的协同仿真Simulation机械设计验证Flow Simulation计算流体动力学Motion运动仿真3Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003SolidWorksSolidWorks Simulation Premium Simulation PremiumSolidWorksSolidWorks Simulation Professional Simulation Prof

3、essionalSolidWorks 设计仿真产品线静态分析静态分析模态模态/屈曲屈曲稳态稳态/瞬态瞬态热分析热分析跌落测试跌落测试疲劳疲劳机构机构运动学运动学/动力学动力学优化优化非线性非线性时间时间-历程历程瞬态响应瞬态响应SolidWorksSolidWorks Flow Flow SimulationSimulation随机振动随机振动压力容器压力容器载荷工况合成载荷工况合成谐波响应谐波响应复合材料复合材料4Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003COSMO

4、S更名SolidWorks Simulation 产品线的新名称老名字老名字新名字新名字COSMOSWorks Designer/MotionSolidWorks Simulation COSMOSWorks ProfessionalSolidWorks Simulation ProfessionalCOSMOSWorks Adv.ProSolidWorks Simulation PremiumCOSMOSXpressSolidWorks SimulationXpressFlowXpressSolidWorks FlowXpressCOSMOSFloWorksSolidWorks Flow S

5、imulationCOSMOSMotionSolidWorks Motion5Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003Simulation 发展历程 1982 1985 1995 1997 SRAC 创立 COSMOS/M 第一款用于 PC 的 FEA 软件 第一个 SolidWorks 合作伙伴 第一个 SolidWorks 黄金合作伙伴 发布 Simulation 2005 被 Dassault Systemes 收购 发布COSMOS2007 2002 200

6、4 2001 发布SW&Premium发布发布SimulationSimulation 2006200620052006COSMOSMotion加入SW&Premium2007发布COSMOS2008 2008更名为Simulation6Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003许多人并不需要 FEA当时间，费用，重量无需考虑时7Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraini

7、ng,January 2003什么是 FEA?解析方法虽然简单但很难满足许多工程设计的需要FEA 将复杂的几何模型离散分解成许多 简单的小块FEA:Finite Element AnalysisFEM:Finite Element MethodFEA/FEM 称为有限单元分析/方法8Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003历史背景基于计算机的结构分析 在在 1943,Richard Courant 建议将连续介质的物体划分为三角形的小块建议将连续介质的物体划分为三角

8、形的小块 1953年年,绗架结构分析在数字计算机上首次完成绗架结构分析在数字计算机上首次完成.1960年年,“有限单元法有限单元法”的名字由的名字由Ray Clough首次提出首次提出 在70年代末80年代初，分析评估在微机和工作站上实现分析评估在微机和工作站上实现 花费少花费少 容易组织容易组织 但过程麻烦但过程麻烦:-设计人员产生模型并把他们交给分析人员.-分析人员导入分析模型,进行分析,并给出分析结果-根据分析结果更改设计等9Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2

9、003历史背景基于计算机的结构分析 80年代中期进入年代中期进入PC时代时代:分析的采用在一定程度上提高了效率 90年代中期进入年代中期进入Windows时代时代 花费低 设计人员已把分析作为设计中不可分割的一部分 更复杂和更大的装配体模型也可进行分析 CAD 和 FEA集成的改善 自动优化处理 更快的速度和精度 分析的未来分析的未来:更高效的工程部门 更安全的产品 更短的产品投放市场时间10Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003FEA 在工业中 CAD 和 FE

10、A 的结合使得在实际工作中使用FEA方便简单 在设计中使用FEA可以大大减少(但不是替代)物理样机和试验 通过使用 FEA,设计可以更优,减少重量体积并且提高可靠性11Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003FEA 在工业中FEA 并不只强调自己 FEA 要在设计中发挥作用离不开物理样机的实验12Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003当

11、有零部件破坏时物理实验金相检查各种仪器(昂贵)检测重新设计重新试验FEA了解到各种工况数据 看到失效形式找到危险和没危险的零部件我们试了又试但仍不知道它为什麽会坏13Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003把事情做好传统的方式按比例试验样机重新设计重新试验FEA了解各种参数影响没有材料消耗测试各种极端情况下和无法作试验的结果鉴别各种可能的趋势优化处理14Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSM

12、OSWorksTraining,January 2003有限元术语15Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限元网格一个离散化的模型 代表实际三维物体有限元模型由单元和节点构成对单元位移有一个简化的假设形式位移的连续性在节点处被保证16Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003单元/节点定义应力应变在每个单元中被计算力和位移在每个节点被

13、计算单元通过节点相互作用单元可分为两大类连续介质(实体)结构(梁、壳)17Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限单元COMOSWorks用四面体实体单元划分实体几何体，用三角形壳单元划分几何面。实体四面体单元一阶一阶二阶二阶18Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 200319Chapter 1 Background and Theory

14、Solidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限单元壳单元一阶一阶二阶二阶20Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 200321Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限单元横梁单元22Chapter 1 Background and TheorySolidworks Corpo

15、rationCOSMOSWorksTraining,January 2003在FEA中使用直接位移法求解位移被假设是未知的每个节点有六个可能的位移自由度(DOF),即：ux,uy,uz,qx,qy,qz根据单元类型不同，每个节点的自由度情况也不同在2D中的连续单元仅有 ux 和 uy在2D中的结构单元仅有 ux,uy,和qz在3D中的连续单元仅有 ux,uy和 uz在3D中的结构单元有 所有六个自由度所有存在的自由度都对应有相应的力和矩23Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,Janua

16、ry 2003实体单元各节点：3个自由度壳单元各节点：6个自由度梁单元各节点：6个自由度24Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003结构分析基础平衡方程变形协调方程应力应变关系（虎克定律）25Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003平衡方程施加在一个单元上的外力之和为零26Chapter 1 Background and TheorySo

17、lidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003变形协调方程单元节点位移和单元应变的关系节点力和单元应力亦如此ei=B u27Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003应力应变关系又称为物理方程定义应力(s)和应变(e)关系在该关系方程中 C 是一个 6 X 6 的矩阵s=Ces s(ksi)e e(%)s=E e eValid over theelastic range28Chapter 1 Backgroun

18、d and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件在有限元分析中的边界条件代表 实际物理模型和它周边物体之间的相互作用关系分析整个系统在很多时候既不实际也没必要通过使用边界条件一个系统级的分析,可以简化成对一个零部件级的分析29Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件自由物体有六个自由度（RIGID BODY MODES）一个(RBM)是一个可能的运动，存在有可能的运动

19、 的方向不能有变形自由物体有三个移动自由度和三个转动自由度30Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件约束应按以下原则施加:约束条件忠实地反映实际工况刚体六个运动自由度必须被约束掉31Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003各种约束条件的实例FEA 等效约束种类如下所述悬臂梁约束（固定）导槽约束 轮廓约束 铰链约束球铰约束 32C

20、hapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件所有的移动和转动都被约束悬臂梁约束（固定约束）仅有一个移动自由度导槽约束33Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件所有的转动被约束仅允许一个移动自由度轮廓约束所有的移动被约束仅允许一个转动自由度铰链约束34Chapter 1 Background and TheorySolidwor

21、ks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003边界条件所有移动被消除,所有转动被允许球铰约束35Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003载荷施加在物体外表面的力 称为外力如集中力和压力施加在物体内部的力 称为体力如重力，离心力，温度应力36Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限元分析概述

22、有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。FEA分析的基本步骤：预处理：定义分析类型、添加材料属性、施加载荷和约 束、网格划求解：计算结果后处理：分析结果37Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限元分析过程产生几何模型 划分单元确定分析类型添加材质属性加约束加载荷解线性方程组 u建立系统线性方程组生成系统刚度矩阵【K】计算产生单元刚度矩阵uf38Ch

23、apter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限元分析过程获得每个单元的单元应变计算单元应力显示结果获取每个节点位移39Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003建立数学模型对CAD几何模型进行修改以满足网格划分的要求（正确的、适度少的有限单元）方法特征消隐理想化清除确定分析类型、材料属性、载荷、支撑和约束。40Chapter 1 Backgrou

24、nd and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003建立有限元模型网格划分：通过离散化过程，将数学模型分成有限单元。求解有限元模型结果分析41Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003有限元分析过程42Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003强度理论第一强度理

25、论（最大法向应力理论）P1：第一主应力主应力：切应力为零的平面上的正应力。一般适用于脆性材料，如铸铁、陶瓷、工具钢等第二强度理论（最大伸长线应变理论）P1-u(P2+P3)合金铸铁、低温回火的高强度钢和石料等第三强度理论（最大切应力理论）最大抗剪应力max=(P1-P3)/243Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003强度理论第四强度理论形状改变比能理论Von Mises应力44Chapter 1 Background and TheorySolidworks Co

26、rporationCOSMOSWorksTraining,January 2003主应力主应力1、2、3（剪应力为零）设计检查图解安全系数=不同材料不同情况下公式中的极限应力都不同，根据需要来选择45Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 200346Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003单位制国际单位制国际单位制（SI）米制（米制（MKS）英

27、制英制（IPS）质量Kgkglb长度mcmin时间sss力Nkgflb质量密度Kg/m3Kg/cm3lb/in3应力Pa(N/m2)Kg/cm2psi(lb/in2)温度KCF47Chapter 1 Background and TheorySolidworks CorporationCOSMOSWorksTraining,January 2003Simulation基本包的使用限制（假设）材料是线性的应力与应变成正比小变形变形相对结构的整体尺寸来说很小变形不会改变结构的刚度静态载荷所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种假设允许忽略惯性和阻尼力。48Chapter 1 Background and Theory