Simulation基础教程01-有限元+静力学示例 - 共享.pptx

#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,SW-Simulation,基础教程,内 容 提 要,2,有限元分析概述,3,有限元的相关知识,4,有限元分析的步骤,5,材料力学相关知识,SW-Simulation,简介,1,SW-Simulation,简介,Simulation,机械设计验证,Flow Simulation,计算流体动力学,Motion,运动仿真,面向所有用户的协同仿真,SW-Simulation,简介,SolidWorks Simulation Premium,SolidWorks Simulation Professional,SolidWorks,设计仿真产品线,静态分析,模态,/,屈曲,热分析,跌落测试,疲劳,运动学,/,动力学,优化,非线性,时间,-,历程,瞬态响应,SolidWorks Flow Simulation,随机振动,压力容器,载荷工况合成,谐波响应,复合材料,SW-Simulation,简介,Simulation,是一个基于有限元分析技术（,FEA,）的设计分析软件。主要由以下软件包,:,Simulation Xpress:,为,SolidWorks,内置部分，对一些具有简单载荷和支撑类型的,零件,的,静态,分析。,Simulation:,对,零件和装配体,的静态分析,Simulation Professional:,对零件和装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化及疲劳分析、压力容器。,Simulation Premium:,非线性、随机振动、复合材料等。,COSMOS,产品,线已全线,更名为,SW-Simulation,SW-Simulation,简介,SW-Simulation,发展历程,发布,COSMOS2007,1982,SRAC,创立,1985,COSMOS/M,第一款用于,PC,的,FEA,软件,1995,第一个,SolidWorks,合作伙伴,1997,第一个,SolidWorks,黄金合作,伙伴,Sw,被达索收购,2002,发布,Simulation 2005,2004,被,Dassault Systemes,收购,2001,发布,SW&Premium,发布,Simulation 2006,2005,2006,COSMOSMotion,加入,SW&Premium,2007,发布,COSMOS2008,更名为,Simulation,2008,SW-Simulation,简介,内 容 提 要,2,有限元分析概述,3,有限元的相关知识,4,有限元分析的步骤,5,材料力学相关知识,SW-Simulation,简介,1,什么是,FEA?,FEA:,Finite Element Analysis,FEM:,Finite Element Method,FEA/FEM,称为有限单元分析/方法,FEA,将复杂的几何模型离散分解成许多简单的小块,有限元分析概述,例子,:,一条从家到邮局的路,每隔一个距离选取一个单元,曲线近似于由多个直线段组成,Measure using a yard stick,有限元分析概述,有限元分析概述,CAD Model,应力,结果,目前在工程技术发展领域内常用的数值模拟方法有：,有限单元法,边界法,离散单元法,有限差分法,有限元法,(FEA),是其中应用最广泛的一种数值模拟方法。其基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的,(,较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件,(,如结构的平衡条件），从而得到问题的解。,有限元法，是把实际形状的模型用有限个有限单元的集合体来建立模型,连续体,离散体,有限元分析概述,有限元法的发展史,有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长；圆周率的 求法等。,有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。,1941,年，雷尼克夫（,Hrenikoff,）首次提出用框架方法求解力学问题，但这种方法仅限于用杆系结构来构造离散模型。,1943,年，纽约大学教授,Richard Courant,第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解扭转问题。,50,年代，美国波音公司首次采用三结点三角形单元，将矩阵位移法应用到平面问题上。,有限元分析概述,有限元法的发展史,20,世纪,60,年代初，克拉夫（,Clough,）教授首次提出结构力学计算有限元概念。,我国著名力学家，教育家徐芝纶院士将有限元法引入我国。他于,1974,年编著出版了我国第一部关于有限元法的专著,弹性力学问题的有限单元法,有限元发展至今，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象已从分析和校核发展到优化设计并和,CAD,技术相结合。,有限元分析概述,FEA,在设计中的作用,CAD,和,FEA,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,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,有限元分析概述,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,当有零部件破坏时,有限元分析概述,传统设计方式,按比例试验,样机,重新设计重新试验,FEA,了解各种参数影响,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,没有材料消耗,有限元分析概述,内 容 提 要,2,有限元分析概述,3,有限元的相关知识,4,有限元分析的步骤,5,材料力学相关知识,SW-Simulation,简介,1,一个离散化的模型 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,有限元的相关知识,有限元网格,我们把模型割成一块一块称为元素,(ELEMENTS),的小几何体。对于每一个元素产生的方程式，都会被合并到整个实体的方程式系统中，接着使用矩阵代数学来解决这种方程式系统。,网格,每一个单元都是一个简单的实体,单元连接在一起的地方称为节点,网格,决定一个物体的位置所需独立坐标的数目，叫做这个物体的,自由度,。,实体单元节点：,3,个平移自由度,壳单元节点：,6,个自由度,梁单元节点：,6,个自由度,自由度,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),有限元的相关知识,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,二阶,有限元的相关知识,有限单元,有限元的相关知识,壳单元,一阶,二阶,有限单元,有限元的相关知识,有限单元,有限元的相关知识,横梁单元,有限单元,有限元的相关知识,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：,u,x,u,y,u,z,q,x,q,y,q,z,根据单元类型不同，每个节点的自由度情况也不同,在2,D,中的连续单元仅有,u,x,和,u,y,在2,D,中的结构单元仅有,u,x,u,y,和,q,z,在3,D,中的连续单元仅有,u,x,u,y,和,u,z,在3,D,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,有限元的相关知识,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）,有限元的相关知识,平衡方程,施加在一个单元上的外力之和为零,有限元的相关知识,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,e,i,=B u,有限元的相关知识,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,=C,e,s,(ksi),e,(%),=,E,e,Valid over the,elastic range,有限元的相关知识,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,有限元的相关知识,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,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,边界条件,有限元的相关知识,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,边界条件,有限元的相关知识,Chapter 1,Background and Theory,39,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,边界条件,有限元的相关知识,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,边界条件,有限元的相关知识,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,边界条件,有限元的相关知识,所有移动被消除,所有转动被允许,球铰约束,边界条件,有限元的相关知识,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,边界条件：载荷,有限元的相关知识,变形体：物体内任意两点之间可发生相对移动,基本变量,FEA,在结构分析中提供了应力、应变和位移的解，在热分析中提供温度、温度梯度和热流的解。,物体变形后的形状,应 变,应 力,位 移,物体受力状况,物体变形程度,分析结果,有限元的相关知识,应力图解,位移图解,应变图解,安全系数,计算公式,=,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,分析结果,有限元的相关知识,第一强度理论（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)/2,强度理论,第四强度理论,形状改变比能理论,Von Mises,应力,强度理论,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,强度理论,强度理论,国际单位制（,SI,）,米制（,MKS,）,英制,（,IPS,）,质量,Kg,kg,lb,长度,m,cm,in,时间,s,s,s,力,N,kgf,lb,质量密度,Kg/m,3,Kg/cm,3,lb/in,3,应力,Pa(N/m,2,),Kg/cm,2,psi(lb/in,2,),温度,K,C,F,单位制,Simulation,静态分析的使用假设,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。,内 容 提 要,2,有限元分析概述,3,有限元的相关知识,4,有限元分析的步骤,5,材料力学相关知识,SW-Simulation,简介,1,有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。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。,有限元分析的步骤,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,Pre-,Analysis,生成系统刚度矩阵,【K】,计算,产生单元刚度矩阵,u,f,有限元分析的步骤,获得每个单元的单元应变,计算单元应力,显示结果,Post-,获取每个节点位移,有限元分析的步骤,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。,有限元分析的步骤,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,有限元分析的步骤,有限元分析的步骤,材料,?,Steel 1040,工作环境,Pressure,or force,Bolted,or Welded,建立分析模型,TRAINING,检验分析结果,Factor of Safety,Stress,有限元分析的步骤,内 容 提 要,2,有限元分析概述,3,有限元的相关知识,4,有限元分析的步骤,5,材料力学相关知识,SW-Simulation,简介,1,变形固体及其基本假设,在外力作用下，一切固体都将发生变形，故称为变形固体，而构件一般均由固体材料制成，所以构件一般都是变形固体。由于变形固体种类繁多，工程材料中有金属与合金，工业陶瓷，聚合物等，性质是多方面的，而且很复杂，因此在材料力学中通常省略一些次要因素，对其作下列假设：,连续性假设：认为整个物体所占空间内到处无空隙地充满物质。,均匀性假设：认为物体内的任何部分，其力学性能相同。,各向同性假设,:,认为物体内在各个不同方向上的力学性能相同。,材料力学相关知识,强度、刚度、稳定性,强度,金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，主要有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，工程常用的是,屈服强度和抗拉强度,。,刚度,受外力作用的材料、构件或结构抵抗变形的能力。材料的刚度由使其产生单位变形所需的外力值来量度。各向同性材料的刚度取决于它的弹性模量,E,和剪切模量,G,。,稳定性,构件在压力外载作用下，保持其原有平衡状态的能力。,外力及其分类,外力及其分类,按外力的作用方式分为：体积力和,表面力,体积力：连续分布于物体内部各点上的力，如物体的自重和惯性力,。,表面力：作用于物体表面上的力，又可分为分布力和集中力。,分布力是连续作用于物体表面一定区域内的力，如作用于船体上的水压力等。,集中力是作用于一点的力，如火车轮对钢轨的,压力,外力及其分类,按外力的性质分为：静载荷和动载荷,静载荷,：载荷缓慢地由零增加到某一定值后，不再随时间变化，保持不变或变动很不显著，称为静载荷,动载荷,：载荷大小随时间变化而变化。动载荷可分为构件具有较大加速度、受交变载荷和冲击载荷三种情况。交变载荷是随时间作周期性变化的载荷；冲击载荷是物体的运动在瞬时内发生急剧变化所引起的载荷。,内力,由于构件变形，其内部各部分材料之间因相对位置发生改变，从而引起相邻部分材料间因力图恢复原有形状而产生的相互作用力，称为,内力,。,注意：材料力学中的内力，是指外力作用下材料反抗变形而引起的内力的变化量，也就是“附加内力”，随着外力的增加而增大，当到达一定数值时会引起构件破坏的内力。它与构件的强度、刚度密切相关。随着外力的作用而产生，,截面法,为进行强度、刚度计算必须由已知的外力确定未知的内力，而内力为作用力和反作用力，对整体而言不出现，为此必须采用截面法，将内力暴露。,截面法三步骤：,切：欲求某一截面上的内力，即用一,假想平面将物体分为两部分,代：两部分之间的相互作用用力代替,平：建立其中任一部分的平衡条件，,求未知内力,注：内力为连续分布力，用平衡方程，求其分布内力的合力,应力,围绕横截面上,m,点取微小面积,A,，根据均匀连续假设,A,上必存在分布内力，设它的合力为,P,，,P,与,A,的 比值为,p,m,为一矢量，代表在,A,范围内，单位,面积上的内力的平均集度，称为平均应,力，当,A,趋于零时，,p,m,的大小和方向,将趋于一定极限，得到,P,称为,m,点的（全）应力。通常把应力,p,分解为垂直于截面的分量,（正应力）和切于截面的分量,（剪应力）,应力,应力即单位面积上的内力,，表示某微截面积,A,趋于零时，,m,点内力的密集程度。,应力的国际单位为,N/M2,，,1 N/M2=1Pa,（帕斯卡）,应力,一点的应力状态：,研究表明，构件内不同位置的点，一般情况下具有不同的应力，所以点的应力是该点坐标的函数。然而就一点来论，不同方位截面上的应力也不同，截面上的应力又随截面方位的不同而变化，是截面方位角,x,的函数。因此，所谓“一点的应力状态”就是指过一点各个方位截面上的“应力情况”。,单元体,为了表示一点应力状态,一般是围绕该点取出一个三个方向尺寸均为无穷小的正六面体，简称为单元体。由于单元体是无限小的，因此可以认为,:,单元体各面上应力是均匀的,单元体相互平行的截面上应力相同，且同等于该点的平行面上的应力。,主应力、主平面、主单元体,在物件内任一点总可以取出一个特殊的单元体，其,3,个相互垂直的面上都无切应力，这种,切应力为零,的截面称为,主平面,。,主平面上的正应力称为主应力,。这样特殊的单元体称为主单元体，主单元体上,3,个主应力按代数值大小排列为,最大剪应力,应变,变形,物体受力后形状和尺寸的改变,物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。即应变是由载荷、温度、湿度等因素引起的物体局部的相对变形。主要有线应变和剪应变两类。,线应变,:,即单位长度上的变形量,在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用,表示。一点在,x,、,y,、,z,方向的线应变分别为,x,、,x,、,y,、,z,。线应变以伸长为正，缩短为负。,剪应变,：即微单元体两棱边夹角直角的改变量。,杆件变形的基本形式,杆件变形的基本形式,剪切,相距很近的两个平行平面内，分别作用着大小相等、方向相对（相反）的两个力，当这两个力相互平行错动并保持间距不变地作用在构件上时，构件中在这两个平行面间的任一（平行）横截面将只有剪力作用，并产生剪切变形。,杆件变形的基本形式,扭转,杆件变形的基本形式,组合变形,当杆件同时发生两种或两种以上基本变形时称为组合变形。,广义胡克定律,广义胡克定律,广义胡克定律,弹性常数,E,、,G,、,间的关系。,其中,E,为弹性模量，,G,剪切模量，,为泊松比,强度理论,不同材料在同一环境及加载条件下对“破坏”（或称为失效）具有不同的抵抗能力（抗力）。,强度理论,同一材料在不同环境及加载条件下也表现出对失效的不同抗力。,关于引起材料破坏的因素，存在有不同的假说。这些假说以及由此而建立的强度准则，通常称为强度理论。,第一强度理论（最大法向应力理论）,P1,：第一主应力,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,强度理论,第三强度理论（最大切应力理论）,最大抗剪应力,max,=(P1-P3)/2,第四强度理论,形状改变比能理论,Von Mises,应力,强度理论,两个误区：,问题简单,Simulation,非常简单的解决所有问题,过于技术的要求,一定要精确,识别无效的分析结果,验证分析的结果，在任何有限元分析中无疑是最为重要的步骤,在开始任何分析以前，应该至少对分析的结果有粗略的估计（来自经验、试验、标准考题等）,如果结果与预期的不一样，应该研究差别的原因,学习方法,帮助,指导教程,学习方法,优秀网站推荐,SolidWorks,官方网站：,中国制造业信息化门户,:,www.e-,三维网：,