SolidWorksSimulation邊界條件設定方法

2013-08-11 by:機械設計培訓組來源:有限元分析培訓中心

1 引言

有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬,分析結果誤差的主要來源如圖1所示,其中影響分析結果最大因素的是約束和載荷,即邊界條件。不恰當的邊界條件會使分析模型的結果嚴重偏離實際結果。本文重點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,被關注對象的分析結果就越接近真實情況。但是,這也造成分析模型中包含的零部件數量過多,計算困難、成本過高、消耗的時間也越多;分析模型的邊界定義得越小,邊界條件的定義就越困難,與實際產品的偏差就越大,分析產生誤差的概率越大。

2 包裹法

包裹法,首先,單獨取出被關注的零部件,確定其最合理的邊界條件,進行分析計算;然后擴大零部件的范圍,即增加一層零部件,添加合理的邊界條件后再次分析計算;對比兩次計算的結果,如果結果偏差很大,說明第一次分析定義的邊界太小,需要再次擴大邊界重新計算,和第二次的結果對比。循環進行,直至兩次分析的結果基本不再發生變化,就找到了最合適的邊界。該方法適用于所有分析類型。

例如,我們關注某軌道車底板一個零件“C型槽”的力學性能,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。對綠色面采用固定約束。

(3)添加其他相關參數,分析計算,固定約束的區域沒有任何變形。

(4)擴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)再次分析計算,C型槽零件與槽鋼接觸部位有較大的變形。

(7)對比兩次分析的結果,C型槽的變形和應力分布差別非常大,所以第一次定義的邊界不正確,需要繼續擴大邊界,直至得到滿意的結果。

包裹法確定邊界的方法很簡單,但是也笨拙,經常會導致重復計算和參與分析的零部件數量過多、計算量過大的情況。例如,對于C型槽,當繼續擴大邊界條件時,我們是否需要將整個軌道車都添加進來盡量進行分析。這樣做的時間和計算代價會太大,往往難以接受。實際應用過程中,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,然后再決定是否向被分析模型中添加與之接觸的零部件。判斷的標準如下。

    (1)如果被關注零部件比與它相互作用的零部件的剛度大一個數量級,使用載荷代替零部件間的相互作用。
    (2)如果被關注零部件比與它相互作用的零部件的剛度小一個數量級,使用約束代替零部件間的相互作用。
    (3)如果被關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,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驗,豐富的經驗直接影響分析的結果是否正確。

在對板凳進行受力分析時,確定邊界是否要把人體的模型添加進來。很顯然,板凳的剛度遠遠大于人體的剛度,所以根據工程分析法,人體模型對板凳的相互作用,使用載荷進行替代,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:尼龍的剛度遠遠低于鋼板的剛度,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果,鋼板底面為固定約束。圖11是塑料件單獨分析的結果,接觸面為固定約束。兩次分析的結果基本相同,說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,分析的結果如下。

采用工程分析法進行分析,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單地使用約束或載荷進行替代,需要采用包裹法進行分析。顯然柱窩、頂梁整體分析的結果是正確的。
4 圣維南原理法

根據圣維南原理,當作為邊界的零部件距離被分析零部件的關注點或危險點足夠遠時,邊界可以縮小或者用等效的方式加載,如果分析零件的關注點或危險點靠近邊界,那么邊界必須擴大。該方法是包裹法和工程法的補充,用于判斷是否需要擴大或縮小邊界。

例如健身器輪組受力分析,人蹬車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,進行有限元分析,應力最大點離腳踏板零部件足夠遠,所以根據圣維南原理,腳踏板可以不作為分析模型的邊界。

假設如果應力的最大點在靠近腳踏板的紫色軸上一點,若關注這一點應力的話,邊界必須擴大,需要將腳踏板模型添加到分析模型中。

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