solidworks进行有限元分析的一般步骤说课材料

s o l i d w o r k s进行有限元分析的一般步骤

1.软件形式：

㈠. SolidWorks的内置形式：

◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。

㈡. SolidWorks的插件形式：

◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。

◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。

◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。

㈢. 单独发行形式：

◆ COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。

2.使用FEA的一般步骤：

FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法…

①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，

（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法：

▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。

▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks 会自动地创建曲面几何体）。

▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools →Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。

②建立有限元模型——即FEA的预处理部分，包括五个步骤：

▲选择网格种类及定义分析类型（共有静态、热传导、频率…等八种类别）——这时将产生一个FEA算例，左侧浏览器中之算例名称之后的括号里是配置名称；

▲添加材料属性: 材料属性通常从材料库中选择，它不并考虑缺陷和表面条件等因素，与几何模型相比，它有更多的不确定性。

◇右键单击“实体文件夹”并选择“应用材料到所有”——所有零部件将被赋予相同的材料属性。

◇右键单击“实体文件夹”下的某个具体零件文件夹并选择“应用材料到所有实体”——某个零件的所有实体(多实体)将被赋予指定的材料属性。

◇右键单击“实体文件夹”下具体零件的某个“Body”并选择“应用材料到实体”——只有该“Body”被赋予指定的材料属性。

▲施加约束：定义约束是最容易产生误差的地方。通常的误差来自于过约束模型，其后果是：结构过于刚硬并低估了实际变形量和应力值。对装配体而言，还要定义“接触/间隙”这种特殊的“约束”。约束的目的是禁止模型的刚体位移。

在COSMOSWorks中共有十种约束（不包括“接触/间隙”）。它也意味着处于指定的“点、线、面”上的全部这些节点所受到的约束。

约束符号中的箭头表示“平移”约束，而圆盘则表示“回转”约束（实体单元的每个节点仅有3个移动自由度，而壳单元有6个自由度）。

对“Solid mesh”而言，因为节点无转动自由度，所以选择“固定”和“不可移动”的效果是完全一样的。定义完约束之后，模型的空间位置就被固定下来了。此时，模型不可能再发生除弹形变形之外的位移（在FEA的静态分析中，可能存在的也只能是弹形位移），称之为“模型没有刚体位移”。

▲定义载荷：在现实中，只能大概地知道载荷的大小、分布、时间依赖关系。所以，必须在FEA分析中通过简化的假设做出近似的估计。因此，定义载荷会产生较大的建模误差（理想化误差）。

注：前面的四项统称为FEA分析的“预处理”，它们的不确定性程度从高到低依次为：约束、载荷、材料、几何模型。

▲网格划分：

a). COSMOSWorks中只有两类单元：一阶单元（草稿品质单元）和二阶单元（高品质单元）。或：实体四面体单元和三角形壳单元。这样，

COSMOSWorks共有四种单元类型：一阶实体四面体单元（只有4个角节点，1个高斯点）、二阶实体四面体单元（有4个角节点和6个中间节点，共计10个节点，4个高斯点）、一阶三角形壳单元（只有3个角节点，1个高斯点）、二阶三角形壳单元（有3个角节点和3个中间节点，共计6个节点，3个高斯点）——这里的四面体不一定是正四面体，而三角形也不一定是正三角形。此外，二阶单元的边和面都可以是曲线形状，以模拟单元因加载而变形的实际情形。

b).单元的品质可通过SW菜单: COSMOSWorks→Options…→选Mesh标签…

c).一般FEA中拥有最少节点的单元是横梁单元，它只有2个节点（即梁的两个端点），但每个节点处均有6个自由度（即三个平移分量加三个转动位移分量）。

d). 二阶实体四面体单元和二阶三角形壳单元适用于曲线形的几何体。

e).某些类型的形状既可以使用实体单元也可以使用壳单元，具体选用什么类型的单元取决于分析的目的。然而，通常情况下，几何体的天然形状决定了所使用的单元类型，比如，一些铸件只能用实体网格划分，而一张金属板材最好使用壳单元。

f).有限单元网格中的自由度是指单元节点的自由度。实体单元的每个节点有三个自由度（三个平移分量），壳单元的每个节点有六个自由度（三个平移分量加三个转动位移分量）。节点的位移即为这些分量的几何合成矢量。

g).在进行网格划分时，单元在匹配几何体的过程中会经历变形扭曲，但过度的扭曲会导致单元的恶化，从而导致计算量徒增和计算精度大大地降低，甚至会无法计算。为此，需要通过控制默认单元的大小（即SW菜单: COSMOSWorks→Mesh→Create…，其中：Coarse对应大，Fine对应小）或应用