SolidWorksSimulation邊界條件設(shè)定方法

2013-08-11 by:機(jī)械設(shè)計(jì)培訓(xùn)組來(lái)源:有限元分析培訓(xùn)中心

1 引言

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬,分析結(jié)果誤差的主要來(lái)源如圖1所示,其中影響分析結(jié)果最大因素的是約束和載荷,即邊界條件。不恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件會(huì)使分析模型的結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際結(jié)果。本文重點(diǎn)講解邊界條件中分析模型邊界的確定方法。

分析模型邊界定義得越大,被關(guān)注對(duì)象的分析結(jié)果就越接近真實(shí)情況。但是,這也造成分析模型中包含的零部件數(shù)量過(guò)多,計(jì)算困難、成本過(guò)高、消耗的時(shí)間也越多;分析模型的邊界定義得越小,邊界條件的定義就越困難,與實(shí)際產(chǎn)品的偏差就越大,分析產(chǎn)生誤差的概率越大。

2 包裹法

包裹法,首先,單獨(dú)取出被關(guān)注的零部件,確定其最合理的邊界條件,進(jìn)行分析計(jì)算;然后擴(kuò)大零部件的范圍,即增加一層零部件,添加合理的邊界條件后再次分析計(jì)算;對(duì)比兩次計(jì)算的結(jié)果,如果結(jié)果偏差很大,說(shuō)明第一次分析定義的邊界太小,需要再次擴(kuò)大邊界重新計(jì)算,和第二次的結(jié)果對(duì)比。循環(huán)進(jìn)行,直至兩次分析的結(jié)果基本不再發(fā)生變化,就找到了最合適的邊界。該方法適用于所有分析類型。

例如,我們關(guān)注某軌道車(chē)底板一個(gè)零件“C型槽”的力學(xué)性能,如圖3所示的黃色零件。綠色部位是和其余零部件的接觸面。利用包裹法確定其分析邊界的步驟如下。

(1)孤立關(guān)注的零部件:分析模型僅選取C型槽零件自身。
(2)添加邊界:將C型槽與其他零件的接觸面分割出來(lái)。對(duì)綠色面采用固定約束。

(3)添加其他相關(guān)參數(shù),分析計(jì)算,固定約束的區(qū)域沒(méi)有任何變形。

(4)擴(kuò)大分析模型的邊界至連接C型槽的槽鋼。

(5)添加邊界,固定槽鋼的端面。
(6)再次分析計(jì)算,C型槽零件與槽鋼接觸部位有較大的變形。

(7)對(duì)比兩次分析的結(jié)果,C型槽的變形和應(yīng)力分布差別非常大,所以第一次定義的邊界不正確,需要繼續(xù)擴(kuò)大邊界,直至得到滿意的結(jié)果。

包裹法確定邊界的方法很簡(jiǎn)單,但是也笨拙,經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致重復(fù)計(jì)算和參與分析的零部件數(shù)量過(guò)多、計(jì)算量過(guò)大的情況。例如,對(duì)于C型槽,當(dāng)繼續(xù)擴(kuò)大邊界條件時(shí),我們是否需要將整個(gè)軌道車(chē)都添加進(jìn)來(lái)盡量進(jìn)行分析。這樣做的時(shí)間和計(jì)算代價(jià)會(huì)太大,往往難以接受。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,通常我們采用第二種方法,工程分析法。

3 工程分析法

工程分析法,首先判斷零部件之間的相互作用,然后再?zèng)Q定是否向被分析模型中添加與之接觸的零部件。判斷的標(biāo)準(zhǔn)如下。

    (1)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度大一個(gè)數(shù)量級(jí),使用載荷代替零部件間的相互作用。
    (2)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度小一個(gè)數(shù)量級(jí),使用約束代替零部件間的相互作用。
    (3)如果被關(guān)注零部件比與它相互作用的零部件的剛度差別不大或相當(dāng),使用包裹法判斷邊界。

工程分析法確定邊界比較依賴于分析者的經(jīng)驗(yàn),豐富的經(jīng)驗(yàn)直接影響分析的結(jié)果是否正確。

在對(duì)板凳進(jìn)行受力分析時(shí),確定邊界是否要把人體的模型添加進(jìn)來(lái)。很顯然,板凳的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體的剛度,所以根據(jù)工程分析法,人體模型對(duì)板凳的相互作用,使用載荷進(jìn)行替代,等效載荷施加在人與板凳的接觸面上。

如圖9所示,粘接在鋼板上的塑料件,鋼板材料為普通碳鋼,塑料件的材料為尼龍。采用工程分析法是:尼龍的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼板的剛度,所以,鋼板與塑料件的相互作用就可以用固定約束代替,固定約束定義在塑料件與水泥板的相互接觸面處。圖10為鋼板與塑料件一起分析的結(jié)果,鋼板底面為固定約束。圖11是塑料件單獨(dú)分析的結(jié)果,接觸面為固定約束。兩次分析的結(jié)果基本相同,說(shuō)明鋼板與塑料件的相互作用完全可以用固定約束等效替代。

液壓支架頂梁柱窩的力學(xué)性能分析。該柱窩焊接在頂梁底板上,將柱窩與頂梁的接觸面定義為邊界,使用固定約束,分析的結(jié)果如下。

采用工程分析法進(jìn)行分析,柱窩的剛度和頂梁的剛度相近,那么柱窩與頂梁的相互作用就不能簡(jiǎn)單地使用約束或載荷進(jìn)行替代,需要采用包裹法進(jìn)行分析。顯然柱窩、頂梁整體分析的結(jié)果是正確的。
4 圣維南原理法

根據(jù)圣維南原理,當(dāng)作為邊界的零部件距離被分析零部件的關(guān)注點(diǎn)或危險(xiǎn)點(diǎn)足夠遠(yuǎn)時(shí),邊界可以縮小或者用等效的方式加載,如果分析零件的關(guān)注點(diǎn)或危險(xiǎn)點(diǎn)靠近邊界,那么邊界必須擴(kuò)大。該方法是包裹法和工程法的補(bǔ)充,用于判斷是否需要擴(kuò)大或縮小邊界。

例如健身器輪組受力分析,人蹬車(chē)的力作用在腳踏板上,由腳踏板傳遞到曲軸上,那么分析的時(shí)候,是否將腳踏板添加到分析模型中呢?

首先,不添加腳踏板,將載荷直接等效作用在曲軸上,進(jìn)行有限元分析,應(yīng)力最大點(diǎn)離腳踏板零部件足夠遠(yuǎn),所以根據(jù)圣維南原理,腳踏板可以不作為分析模型的邊界。

假設(shè)如果應(yīng)力的最大點(diǎn)在靠近腳踏板的紫色軸上一點(diǎn),若關(guān)注這一點(diǎn)應(yīng)力的話,邊界必須擴(kuò)大,需要將腳踏板模型添加到分析模型中。

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