基础教程：C形支架分析

在这个练习中，将采用两个不同的配置对一个支架进行分析，以判断内部圆角的影响。

本练习将应用以下技术：

● 网格控制。

● 结果对比。

● 应力奇异性。

● 压缩配置。

1.项目描述 如图2-34所示，安装在天花板上的支架支撑着其底部边缘上的招牌。该招牌是用类似电缆线的平带安装在支架上的。根据招牌和平带的质量，有900N（202lb）的力施加其上。本算例根据这一载荷计算支架的位移和应力。并同时考虑支架模型有无圆角过渡对结果的影响。

2.不带圆角的支架分析

图2-34 C形支架（练习2-1）

操作步骤

步骤1 打开零件

打开文件夹“SolidWorks Simulation\Lesson02\Exercises\C-bracket”中的零件“bracket”。

步骤2 激活指定配置

在SolidWorks ConfigurationManager中激活配置No Fillet，如图2-35所示。用户会发现圆的内边界变成尖锐的凹角。通过激活这一配置，所有的内部圆角将被压缩而不参与分析，如图2-36所示。

图2-35 激活指定配置

图2-36 无圆角配置

步骤3 定义静应力分析算例

创建名为“no fillet1”的【静应力分析】算例。

步骤4 施加材料属性

从SolidWorks material库中选择材料【合金刚（SS）】施加于模型上。

步骤5 添加夹具

施加【固定几何体】的约束到支架外部顶面，如图2-37所示。这里假定螺钉上的压力足够大以保证不会发生滑动或转动。

步骤6 施加载荷

施加900N（202lb）的垂直作用力到面的边缘部分，如图2-38所示。力的大小根据招牌的重量而定。

图2-37 添加夹具

图2-38 施加载荷

步骤7 划分网格

在【网格参数】下选择【基于曲率的网格】。划分模型网格，网格单元大小为默认值。使用【高】品质单元。

步骤8 运行分析

步骤9 图解显示应力结果

支架最大von Mises应力为132MPa（19.2ksi），未处于屈服极限，但是在尖角处具有很高的应力集中，如图2-39所示。

图2-39 应力结果显示

步骤10 图解显示位移结果

最大位移值为1.25mm，如图2-40所示。

步骤11 创建一个新的算例

复制当前算例，并将新算例命名为“no fillet2”。

步骤12 应用网格控制

应用网格控制于支架内部面的三个边界上，使用默认的网格控制尺寸，如图2-41所示。

步骤13 划分网格

用默认的网格单元大小划分网格模型。在支架内部边界处创建精细网格划分，支架的其他位置均为粗网格划分。

图2-40 位移结果显示

图2-41 默认网格控制

步骤14 运行分析

步骤15 图解显示应力结果

现在可发现最大von Mises应力为160MPa（232psi），比前面无网格控制算例得到的von Mises应力值要略微高一些，如图2-42所示。这显示了发散的应力效果，并证实了拐角处的应力的确需要重点关注。进一步细化网格则会延续这一趋势。

步骤16 创建一个新的算例

复制算例no fillet1，新建算例no fil-let3。

步骤17 应用网格控制

对相同的三条边线应用网格控制。将【单元尺寸】改为0.889mm（0.035in）。

图2-42 单元细化后的应力结果显示

步骤18 划分网格

用默认的网格单元大小划分网格模型。在支架内部边界处创建精细网格划分，支架的其他位置均为粗网格划分，如图2-43所示。(www.xing528.com)

步骤19 运行分析

步骤20 图解显示应力结果

可以再一次发现最大von Mises应力值相比前面算例粗网格控制所获得的von Mises应力值明显要高，如图2-44所示。尽管精细划分了网格，但应力结果并不收敛。这是因为尖角的缘故。

图2-43 划分网格

图2-44 应力集中

3.带圆角的支架分析 现在看看带圆角的模型并分析其结果。

操作步骤

步骤1 切换配置

在SolidWorks ConfigurationManager中激活带有圆角的配置Default，如图2-45所示。

步骤2 创建一个新的算例

复制算例no fillet1，新建算例fillet。

步骤3 划分网格

用默认的网格【单元大小】划分网格模型，如图2-46所示。

图2-45 带圆角的配置

图2-46 划分网格

步骤4 运行分析

步骤5 图解显示应力结果

有圆角过渡模型的应力结果显示最大von Mises应力约为127MPa（18.4ksi），如图2-47所示。因为当前模型没有尖角存在，这个值接近于真实应力值。更进一步细化网格将改善应力结果和消除点状应力分布。

图2-47 应力结果显示

4.带圆角和固定孔的支架分析 在最后一个算例中，将更改零件约束的方式，即对孔的圆柱壁面加载固定约束，而不是约束整个模型的顶面。

操作步骤

步骤1 创建一个新算例

复制算例fillet，新建算例fillet fixed hole。

步骤2 对孔施加固定几何体约束

编辑fixture-1并移除对顶面的选取，增添圆孔的内表面，如图2-48所示。

步骤3 对圆孔的内圆柱面应用网格控制

对圆孔的内圆柱面应用网格控制，【单元大小】设定为0.508mm，如图2-49所示。

步骤4 对圆角应用网格控制

对模型中的三个圆角应用网格控制，【单元大小】设定为1.9mm，如图2-50所示。

图2-48 对孔施加约束

图2-49 圆孔网格控制

图2-50 圆角网格控制

步骤5 运行分析

划分网格并求解该算例。

步骤6 图解显示应力结果

对于带圆角和固定孔的模型而言，应力结果表明在孔边界附近存在应力集中。这是由于孔边界的支持被假定为理想刚度，而导致这些区域的应力奇异。这与第2章中L形支架固定边附近的奇异性相似，可以忽略。更改图表的比例以获取更加理想的图解结果。应力结果显示如图2-51所示。

看到圆角面的应力从前面算例中计算得到的127MPa（参考之前的算例）上升到接近145MPa。

图2-51 应力结果显示

步骤7 修改网格控制

对两个网格控制修改其中的单元大小，对孔的网格控制更改为0.1mm，对所有圆角面的网格控制更改为1.1mm，如图2-52所示。

步骤8 运行分析

划分网格并求解该算例。

步骤9 查看应力图解

从图2-53可以看出，支撑附近的应力明显升高，而且是模型中的最大应力。从第2章的课程可知，这个应力并不真实，而且随着减小单元尺寸的大小，应力值还会增加。

图2-52 修改网格控制

图2-53 应力结果显示

查询所选部位的应力，可以看到圆角面上的最高应力为161MPa，稍高于前面算例计算得到的145MPa。这个应力结果比较真实且接近一个有限值（称为收敛）。

步骤10 保存并关闭零件