基础教程：支架操作步骤详解

在第一个练习中，分析一个简单的零件，该零件加载了一个约束和一个外部作用力。

本练习将应用以下技术：

● 夹具。

● 外部载荷。

● 网格划分。

● 多个算例。

（1）问题描述 分析装配体中一铝质零件的最大应力和位移。该零件通过两个螺栓孔固定在装配体上，如图1-73所示。零件还承受了500N的法向力，作用在沉头孔的表面。

图1-73 支架模型

操作步骤

步骤1 打开零件

打开文件夹“SolidWorks Simulation\Lesson01\Exercises\Bracket”中名为“part”的零件。

步骤2 指定SolidWorks Simulation选项

在Simulation菜单中选择【选项】。选择【默认选项】选项卡，指定【公制（I）（MKS）】为分析的默认【单位系统】。在【单位】域中，选择【长度/位移】单位为【毫米】，【压力/应力】单位为【N/mm²（MPa）】，如图1-74所示。

图1-74 指定默认选项

默认的结果图解会在每个静态算例完成后自动生成，包括节点von Mises应力和合位移，如图1-75所示。

图1-75 指定图解选项

右键单击静态算例【结果】文件夹并选择【添加新图解】。指定节应力的【P1：第一主要应力】为默认结果图解的补充。指定文件夹“results”为SolidWorks文档文件夹下保存结果的位置，如图1-76所示。

图1-76 指定保存结果的位置

步骤3 数字格式

选择【颜色图表】。选择【科学】计数以及【2】位小数位数，如图1-77所示。

步骤4 创建应力分析算例

创建一名为“static analysis”的算例。

步骤5 应用材料属性

在SolidWorks Simulation Feature Manager中右键单击【实体】文件夹并选择【应用/编辑材料】，如图1-78所示。

图1-77 指定数字格式

图1-78 应用材料属性

从SolidWorks materials库中指定材料铝合金【1060合金】，如图1-79所示。

图1-79 指定材料

步骤6 添加夹具

如图1-80所示，对两个螺栓孔添加【固定几何体】的约束。

图1-80 添加固定约束

该约束用来模拟零件与装配体其他部件之间的连接状态。

在本练习中使用固定几何体的夹具来模拟该零件通过螺栓联接到装配体的其他部分。同时，在本练习中并不出现与支架相连的其他零部件。

在本课程的后面部分，将学到更加精确简捷的方法和特征来模拟这些条件，例如螺栓联接、虚拟壁。

步骤7 添加外部载荷

如图1-81所示，在所选表面指定【法向】的力，指定力的大小为500N。

步骤8 划分网格

图1-81 添加外部载荷

在【网格参数】下选择【基于曲率的网格】，使用【高】品质单元划分网格。使用默认的单元，如图1-82所示。

(www.xing528.com)

图1-82 网格划分结果

步骤9 运行算例

步骤10 图解显示应力结果

可以观察到模型的最大von Mises应力值为35.1MPa，明显超出了材料1060合金的屈服强度（27.5MPa），如图1-83所示。

图1-83 von Mises应力分布

【P1：第一主要应力】的分布说明其最大值为32.6MPa。该数值对应于零件的最大拉应力（值为负数的为最大压应力），如图1-84所示。

图1-84 P1主应力分布

步骤11 探测圆角处的应力

在本课程的后面部分，将看到加载的夹具可能会产生并不真实的应力。因为这个原因，将重点关注水平和竖直两个凸块之间的圆角部分，如图1-85所示。

右键单击文件夹“应力1”并选择【探测】。选择【在所选实体上】选项，然后点选两个凸台之间圆角的7个面，再单击【更新】，如图1-86所示。

分析所选面的探测结果，可以看到应力集中区域的最大应力为31MPa（4496psi），这稍高于屈服强度27.5MPa（3989psi）。

步骤12 图解显示位移结果

可以看到最大结果位移为0.0678mm（0.0027in），如图1-87所示。

图1-85 探测圆角处的应力

图1-86 探测结果

图1-87 位移分布

图1-88 von Mises应力分布

目前得到的结果精度够了吗？有限元网格看上去非常粗糙，特别是在有圆角的地方。而且，通过观察von Mises应力的分布得知，在高应力集中的地区，单元之间的应力跳跃十分明显，如图1-88

步骤13 创建新的静态算例

复制算例“Static analysis”得到一新的算例，命名为“Static analysis-refined”。算例中包含的文件夹也一并复制到新算例中，包括夹具、外部载荷、实体、网格和结果。

步骤14 生成精细网格

创建【高】品质的网格，拖动网格因子滑动条到最右边，【最大单元大小】设为2.198mm，【最小单元大小】设为0.733mm。

最终生成的网格如图1-89所示。可以发现网格对模型几何体的匹配有显著的提升。

图1-89 细化后的网格结果

步骤15 运行算例

步骤16 图解显示应力结果

现在发现最大von Mises应力值从35.1MPa提高到39.1MPa，这些都高于材料的屈服强度27.5MPa，改变量大约为11%，如图1-90所示。然而，当仔细观察图解结果时，发现最大应力出现在螺栓孔的边缘处。将在下一章中讨论这个问题。

图1-90 von Mises应力分布

步骤17 探测圆角处的应力

使用和步骤11相同的操作，探测模型圆角区域的应力结果。

可以观察到这些部位的最大von Mises应力值从31MPa降到30.8MPa，这稍高于屈服强度，但和之前的算例比较而言，这点差别可以忽略不计。因此可以断定，网格细化确定了这次仿真的有效性，而且证实了结果是收敛的。在其他情况下，应力结果的改变量可能是非常大的。一般而言，要想得到好的应力结果，有必要创建更加细密的网格。对于这个实例而言，进一步地细化网格并不会改进应力结果，由此可以判断结果是收敛的。

步骤18 图解显示位移结果

最大结果位移大致由0.0678mm升到0.0683mm，改变量小于1%，如图1-91所示。

图1-91 图解显示位移结果

步骤19 保存并关闭该文件

（2）结论 本练习介绍了线性静态算例的基本构成，同时了解了SolidWorks Simulation的后处理特征。网格品质对结果有一定的影响，特别是对应力结果。观察到的结果位移的改变量只有1%，而von Mises应力的改变量将近11%（通常应力改变量更大一些）。应力的改变量较大有以下两方面的原因：

● 位移是有限元分析中的主要未知量，同时总是比应变和应力更加准确。相对粗的网格也可以得到满意的位移结果，然而要得到满意的应力结果，就需要更加精细的网格。

● 应力的极值出现在夹具的附近，其值通常高得离谱，这将是下一章所要讲到的。通过两个算例的计算对比，可以看出圆角区域的应力差别很小并可以忽略。要获得满意的结果，圆角区域的网格需要细化。