SolidWorks Simulation 分析技巧与诀窍——模型简化

SolidWorks Simulation 分析技巧与诀窍——模型简化

2013-04-11 15:57:26 作者：实威国际 来源：智造网—助力中国制造业创新—

• 　　工程师在做结构分析时总是会有一个想法，运用整个组件的模型来分析结构的强度。一个机器的组件常常是几百个零件组装而成。若要将整个组件产生网格运算，常常会遇到网格失败无法产生，或者是已产生的网格在计 ...

　　工程师在做结构分析时总是会有一个想法，运用整个组件的模型来分析结构的强度。一个机器的组件常常是几百个零件组装而成。若要将整个组件产生网格运算，常常会遇到网格失败无法产生，或者是已产生的网格在计算机运算时间会拖的很长。这一类问题是很多工程师常遇到的，在处理过程中不断的失败常让工程师产生挫折感不知该如何处理。一般在做分析测试时，有经验的工程师皆会简化模型本身，将问题单纯化来做。至于在SolidWorks Simulation在分析设定时可以运用那些简化技巧，本章节将会介绍几项好用的工具进行简化。

　　■ 组态管理运用：

　　分析时最常遇到的一个问题，模型会有细碎面的产生;一般在处理这些细碎面时会运用到抑制特征、删除面、重新铺面、分割线…方式来处理。然而这些图文件也许工程图已产生，当您后续为了要分析而再次编修模型时，工程图内所对应到的特征及边线会改变，整张图纸也许要再重新定义，浪费人员在处理这些边线的问题。也许您会回答我们在做分析时，常常是再次复制一份数据来做，这样子对应到的工程图就不会有特征及边线修改的问题。但如此处理能确保数据的单一性吗?这个数据是正确的吗?面对这些问题，建议可以利用“模型组态”的方式就可以解决。

　　利用组态管理最主要的好处在于可以确保档案资料单一性，如图1所示用预设(Default)的组态可以去产生所对应的工程图或产生加工，然而想做分析时可以切换到modify by CAE的组态来做，这样子在产生工程图时就不会有线段及特征会有冲突的问题。

图1 模型组态

　　■ 对称性的限制条件：

　　设计时很多造型都是利用规律方式排列产生，长料->除料->数组等等方式来设计图形。仔细观察这些零组件，有些是采1/2对称、1/4对称或者是循环对称的方式来做，面对这一类的有规律的造型我们不需要整个模型都产生网格分析，可以寻找到模型的规律性，利用拘束条件内的对称来设定即可。

　　何谓对称拘束条件?实体网格的每个节点(Node)有三个位移方向的自由度，将在此截面的正向(normal)自由度固定，其他两个位移自由度尚保持存在(图2)。薄壳网格每个节点有三个位移及三个旋转的自由度，将一个位移自由度及两个旋转自由度固定。

图2

图3

　　墨水夹装置分析为例，面对一个大型的组合件想要设定对称型的条件时，无须对每个零件做切割的动作，最有效率的设定方式在组件下选定平面进行切除动作即可。当然，为了确保档案单一性，在做平面切割前亦可上文所述加入模型组态来做(图4)。

图4

　　何谓循环拘束条件?模型类似涡轮、风扇、飞轮及马达转子这一类具有轴心的对象，能建立代表性的模型片段，而片段可以是零件或组合件的方式。其几何、拘束及负载条件必须与构成模型的其他所有片段相类似。在对侧剖面上具有等同相对位置的节点会相应移动。例如，在图5中具有相同色点的位置会同样随之变形。

图5

　　综合以上的叙述，在设定对称或循环的拘束条件如表1所示:　　

拘束类型	限制的像素	参考几何类型	值
对称	实体的面	－	单向平移
	薄壳边线	-	单向平移及 2 向旋转
循环对称	平坦面或 非平坦面	轴	程序会在两个剖面上具有等同相对位置的节点上执行同等平移

　　■ 如何简化不必要的零件-连接器

　　组装的过程中常常会加入许多的次购品，如螺栓、弹簧、销等这一类的物品，假设此类物品附近应力分布状况不是重点时，我们可以利用SolidWorks Simulation设定中的连接器来代表设定之。利用连接器模拟最大的好处在于次购品应用的数目非常多，且在求解时速度快运用较少的资源。且在计算出来后可以迅速去判断该螺栓或销是否堪用，结果是否符合设计等多项信息。

　　● 螺栓连接器

　　机台在组装时会运用到很多螺栓的结合，而在计算的过程螺栓的受力并非我们所着重的重点，此时运用螺栓连接器便最为恰当。SolidWorks Simulation内所提供的螺栓类型一共有五种型式，包含了标准或有螺帽的柱孔、有螺帽的锥孔、标准或柱孔螺钉、锥孔螺钉、基础螺栓。上述前四项需要在组合件模式进行设定，唯独基础螺栓可以运用在零件分析再配合虚拟平面设定。

图6

　　设定螺栓连接器时，有几项条件是使用者必须要先悉知：

　　1. 在设定螺栓链接器时不能考虑到因剪力而造成的滑动情形。

　　2. 设为紧靠密合的圆柱面被视为刚性，且与为刚性体与栓身一起变形。

　　3. 两接触面须设定无贯穿接触条件。

　　4. 螺栓连接器加入至连续钻孔的一个孔中时，软件可让螺栓衍生传递至连续钻孔中的其他孔。

　　5. 无须建构螺纹外型，刚性传递力量。

　　6. 输入正确的螺栓大小及材质参数，会影响到求解后的结果值;若要考虑到螺栓本身质量亦能设定。

预载力的设定：

　　预载力来自于锁紧螺栓所需要的力量大小，一般可分为轴向预载力及扭矩预载力，其之间对应的方程式如下;

　　如果具有螺帽的螺栓，扭矩施力在螺帽上：

　　 (1)

　　如果没有螺帽的螺栓，扭矩施力在螺栓头上：

　　(2)

　　其中;F=螺栓的轴向预载力，T=施加的扭矩，K=摩擦系数，D=栓身直径

　　* 扭矩系数：计算包含了螺纹直径、螺纹线角度、摩擦系数、螺纹角之间的关系。扭矩系数一般不容易求得，在软件默认值摩擦系数(K)是以0.2的参数代表。

结果判断：

　　运用螺栓连接器计算时，我们所最在乎的结果大多为螺栓受力时的剪力值、轴向力、弯曲力矩值为何。在判断此组螺栓是否堪用判断式如下;

　　(3)

　　其中：

　　SF=自行设定的安全系数

Ra=轴向负载率

　　(4)

　　F=软件计算出来的轴力

　　S=螺栓强度

　　At=有效断面积

　　而有效断面积(At)计算方式如下;

　　SI： (5)

　　IPS： (6)

　　D=螺栓直径;n=节距

Rb=弯曲负载率

　　(7)

　　M=软件计算出来的弯矩

　　I=惯性矩

Rs=剪力负载率

　　 (8)

　　V=软件计算出来的剪力

图7 软件计算出来各组螺栓的数据

　　检查绘图(注1)：

　　现行版本可以利用检查绘图方式呈现螺栓受力情形，如图8所示可显示出那几组螺栓并非通过设定值，会以红色标记呈现。

图8

　　注1：SolidWorks Simulation 2009之后版本

　　● 销连接器

　　销连接器的运用与螺栓方式类似，取代整组件内的实体销;但有几项重点处是设计者必须先行悉知：

　　1. 如果销的应力分布不是重点时，可使用销连接器。

　　2. 在销连接器所定义的表面是刚性的，所以在靠近销表面的地方会有高应力，若你不重视靠近销表面的应力时可以使用销连接器。

　　3. 销连接器的所有的面均为同轴心。

　　4. 两接触面须设定无贯穿接触条件。

　　5. 可考虑到销本身质量

图9

　　仿真真实的插销几何的弹性劲度：

　　销链接器设定上亦可指定轴向及旋转的劲度值为何，设计者需先悉知若设定上有勾选”无平移”则无法设定轴向劲度;若设定上有勾选”无旋转”则无法设定旋转劲度。

图10

　　结果判断：

　　计算方式如同螺栓连接器所述，可利用判断式(3)计算求得。现行版本可以利用检查绘图(注1)方式呈现销受力情形。

　　● 弹性

　　模拟弹簧之类的问题若不在意弹簧受力状况，仅在乎弹簧付予在结构上的弹力时，可运用弹性连接器来仿真。类型选择上可选择压缩与伸展同时、仅压缩、仅伸展三种类型;像素选择上可设定两个平行的平面、两个同轴心的圆柱面、两个端点的方式。并设定正向(径向)劲度或切线(剪向)劲度，在设定时要先确认输入的数据为总计值或者分散值。

　　当检视结果时，以 1.0 的缩放系数来绘制变形的形状以确保零组件之间没有干涉。如果发生干涉，则结果无效。在重新执行研究之前，定义干涉面之间的接触条件。

　　一般在设定平行面时，一个本体面会自动投影至另一个本体面的共同区域(图11);如果没有共同区域，软件无法产生弹簧。共同区域的两平行面投射面积若相等，会得到较精确的结果;为了确保两平行面投影面积相同，使用者在设定上可利用分割线的方式设定。

图11

　　在两圆柱面设定弹力时，无法直接设定总计值的弹簧劲度，此时我们必须要利用分散(Distributed)的弹簧劲度来设定。在软件上所对应径向的面积大小，其理论计算方式如下：

　　 (9)

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