基于solidworks simulation模块的有限元基础培训课件
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程2
分析并评价有限元网格的质量
使用远程载荷特征以简化分析 使用和定义设计检查图解
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项目描述
/SOLIDWORKS © Dassault Systè mes | 机密信息 | 7/9/2015 | 参考： 3DS_Document_2012
图示万向节是用来传递扭矩的，从竖直方向传递到倾斜方向。该 装配体由背面的四个沉头螺栓连接到底座上，底座由2个M8的沉头 螺栓连接到另一个结构件中。通过对手柄施加2.5N的水平力来产生 扭矩。（从俯视图看，力的方向垂直于手柄臂） 分析的目标是获取装配体零部件上的应力和应变的分布。 而不关系轴、支架和曲柄上的变形和应力。
Surface based contact. Results at the contact interface are uniform but solution time is longer.
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Incompatible solid mesh: Simplified Bonding
/SOLIDWORKS © Dassault Systè mes | 机密信息 | 7/9/2015 | 参考： 3DS_Document_2012
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项目分析： 由于对base部件的变形和应力不感兴趣， 所以可以压缩这个部件以简化网格。其对应的 接触条件和摩擦力可以用【虚拟壁】来实现。 虚拟壁的轴向刚度为1.6537E+13（N/m）/m^2 虚拟壁的正切刚度为6.2216E+12（N/m）/m^2
Node based contact. Results at the contact interface may be patchy but solution time is lower.
SolidWorks有限元及模拟仿真仿真分析 PPT
13.1 SimulationXpress
使用SimulationXpress完成静力学分析需要以下5个 步骤：
（1）应用约束。 （2）应用载荷。 （3）定义材质。 （4）分析模型。 （5）查看结果。
13.1.1 夹具
13.1.2 载荷
13.1.3 材质
13.1.4 分析
13.1.5 结果
13.2 ress 是一个流体力学应用程序， 可计算流体是如何穿过零件或装配体模型的。根据算 出的速度场，可以找到设计中有问题的区域，以及在 制造任何零件之前对零件进行改进。
使用FloXpress完成分析需要以下5个步骤： （1）检查几何体。 （2）选择流体。 （3）设定边界条件。 （4）求解模型。 （5）查看结果。
13.2.1 检查几何体
13.2.2 选择流体
13.2.3 设定边界条件
13.2.4 求解模型
13.2.5 查看结果
13.3 TolAnalyst
TolAnalyst是一种公差分析工具，用于研究公差和装 配体方法对一个装配体的两个特征间的尺寸所产生的 影响。每次研究的结果为一个最小与最大公差、一个 最小与最大和方根（RSS）公差、以及基值特征和公 差的列表。
规则说明。 配置规则。 核准零件。
13.4.1 规则说明
数控加工模块包括的加工规则有钻孔规则、碾磨规则、 车削规则、钣金规则和标准孔大小，分别介绍如下：
（1）钻孔规则： （2）碾磨规则： （3）车削规则： （4）钣金规则： （5）标准孔大小：
13.4.2 配置规则
感谢您的聆听！
使用TolAnalyst完成分析需要以下4个步骤： （1）测量。 （2）装配体顺序。 （3）装配体约束。 （4）分析结果。
SOliDWORKS有限元分析专题培训课件
二、生成网格和求解
1、选择运行菜单下生成网格命令，定义网格密度，自动对零件拆分，网格越 小，计算精度越高
2、运行算例，左击运行命令 后，系统自动求解，并输出应 力、位移和应变图解
三、结果分析和输出 应力图 位移图
应变图
右击结果应力，选中编辑定义，在变 型形状区域可以调整变形放大比例
放大24倍
真实
右击应力， 选择图标选 项命令，如 图，选中最 大、小注解， 应力图就会 显示最大和 最小应力的 大小和发生 位置
对应力图解进行ISO 裁剪，能找出零件应 力值等于某个值的所 有区域
右击相应图解，在 设定里选中将模型 叠加于变形形状上 可将模型显示
生成分析报告，选择报表， 选择输出包括部分和报表 途径，定 分析步骤
一、受力模型建立
二、网格设定和求解
三、结果分析，输出报告
1、设计零件
一、受力模型建立
2、打开solidworks仿真插件simiulation
3、静态分 析，依次 新算例， 静态命令
6、定义 外加载 荷
4、定义零件的材 料
5、添加夹具，模型必须有合 理的约束，使之无法移动
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程SolidWorks Simulation是一种用于进行有限元分析的软件工具，它可以帮助工程师们在设计阶段，预测和模拟产品性能。
这样可以帮助他们提前发现和解决可能存在的问题，更加准确地评估产品的稳定性和可靠性。
在进行SolidWorks Simulation有限元分析之前，首先需要创建CAD模型。
然后，可以使用SolidWorks Simulation中的各种分析工具来模拟和测试产品的行为。
有限元分析是一种通过将复杂的结构分解成许多小的有限元来近似解决方程的方法。
这些有限元是通过将结构分割成离散的区域来建立的，每个区域都可以用简单的数学模型来表示。
然后，通过求解这些模型，可以预测产品在不同载荷下的响应和变形。
在进行分析之前，首先需要定义边界条件和载荷。
边界条件包括固定支撑点、连接约束等；载荷包括力、压力、温度等。
这些条件和载荷的定义将直接影响分析结果。
完成边界条件和载荷的定义后，可以对模型进行网格划分。
网格划分的目的是将有限元分析中所需的离散节点与连续物体的实际形状和尺寸相匹配。
划分网格后，可以通过求解有限元方程组来得到产品在给定条件下的响应和变形。
除了分析结果之外，SolidWorks Simulation还可以提供其他有用的信息，如应力分布、位移图、动画等。
这些信息可以帮助工程师们更好地理解产品的行为，并做出正确的决策。
1. SolidWorks Simulation的基本概念和界面介绍。
包括如何打开SolidWorks Simulation，如何导入CAD模型，如何创建分析模型等。
2.分析前的准备工作。
包括如何定义边界条件和载荷，如何选择适当的分析类型，如何进行网格划分等。
3.分析过程的设置和求解。
包括如何设置参数，如何进行求解，如何查看分析结果等。
4.分析结果的解读和分析。
包括如何分析应力分布、位移图、动画等结果，如何识别问题和改进设计。
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1SolidWorks Simulation 是一种基于有限元分析的工程仿真软件，可用于对各种结构和组件进行强度、刚度、振动、热分析等。
为了正确使用和掌握SolidWorks Simulation，许多工程师和设计师都需要接受相应的培训教程。
本文将详细介绍SolidWorks Simulation的培训教程1 SolidWorks Simulation培训教程1主要介绍了软件的基本概念和应用技巧。
首先，教程会帮助学员了解有限元分析的基本原理和步骤。
有限元分析是一种工程计算方法，通过将结构或组件分成有限数量的小元素，并对每个元素进行力学、热学等计算，从而得到整体结构的行为特性。
了解有限元分析的原理和步骤对于正确使用SolidWorks Simulation非常重要。
接下来，教程将介绍SolidWorks Simulation软件的界面和功能。
学员将学习如何打开SolidWorks Simulation，并了解软件的各个工具和选项。
教程还将演示如何创建分析模型、定义材料属性和加载条件等。
同时，教程还会介绍SolidWorks Simulation中的求解器和结果显示工具，以及如何对结果进行解释和分析。
在教程的后半部分，学员将通过一系列示例来学习SolidWorks Simulation的具体应用技巧。
教程将涵盖不同类型的分析，如静力学分析、模态分析和热传导分析等。
每个示例都会详细演示如何设置分析条件、运行分析和解释结果。
除了基本的应用技巧，教程还将介绍一些进阶的功能和应用。
例如，学员将学习如何进行优化设计，以实现最佳的结构性能。
此外，教程还将介绍如何使用SolidWorks Simulation进行疲劳分析和动力学分析等更高级的技术。
总结起来，SolidWorks Simulation培训教程1 是学习SolidWorks Simulation的入门教程，它将帮助学员了解有限元分析的基本原理和步骤，并掌握SolidWorks Simulation的基本功能和应用技巧。
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1SolidWorksSimulation有限元分析培训教程1SolidWorks Simulation是一种基于有限元分析（FEA）的软件工具，它能够帮助工程师们更好地理解和预测产品在不同工况下的性能。
本文将介绍SolidWorks Simulation有限元分析培训教程的第一部分内容。
SolidWorks Simulation有限元分析培训教程的第一部分主要涵盖了以下几个方面的内容：介绍有限元分析的基本原理和应用、软件界面的介绍和操作、建立有限元模型、设置边界条件、进行求解和结果分析。
首先，教程会介绍有限元分析的基本原理和应用。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将实际结构或系统分割成有限数量的小元素，再通过求解这些小元素之间的相互作用，从而得到整个结构或系统的行为和性能。
有限元分析广泛应用于产品设计和工程分析领域，能够帮助工程师们更好地优化产品设计，提高产品的性能和可靠性。
同时，教程还会介绍如何设置边界条件。
边界条件是有限元分析中非常重要的一部分，它决定了结构或系统在分析过程中的约束和加载情况。
教程将会介绍如何设置约束条件和加载条件，如固定支撑、力加载、压力加载等。
最后，教程会介绍如何进行求解和结果分析。
求解是有限元分析的核心过程，它通过数值方法求解有限元模型的方程组，得到结构或系统的响应结果。
教程将会介绍如何进行求解，以及如何对求解结果进行后处理和分析，如应力分析、位移分析、变形分析等。
综上所述，SolidWorks Simulation有限元分析培训教程的第一部分内容涵盖了有限元分析的基本原理和应用、软件界面的介绍和操作、建立有限元模型、设置边界条件、进行求解和结果分析等方面的内容。
通过学习这些内容，工程师们能够更好地掌握SolidWorks Simulation有限元分析的基本技能，从而能够更好地应用于产品设计和工程分析中。
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程SolidWorks Simulation是一款强大的有限元分析软件，广泛应用于工程设计和分析领域。
本文将为您介绍SolidWorks Simulation有限元分析培训教程，帮助您更好地了解和掌握该软件。
首先，我们将介绍SolidWorks Simulation的基本概念和工作流程。
SolidWorks Simulation是一种基于有限元分析原理的虚拟仿真软件，可以帮助工程师预测产品在不同工况下的性能和行为。
它可以模拟各种物理现象，如结构应力、热传导、振动等，并提供详细的分析结果和可视化展示。
在使用SolidWorks Simulation进行有限元分析之前，我们需要进行准备工作。
首先，我们需要创建几何模型，可以使用SolidWorks软件进行建模。
然后，我们需要定义材料属性，包括材料的弹性模量、泊松比等参数。
接下来，我们需要设置边界条件和加载条件，以模拟实际工况。
在进行有限元分析之前，我们需要进行网格划分。
网格划分是将几何模型划分为小网格单元，用于数值计算。
SolidWorks Simulation提供了自动网格划分工具，可以根据用户定义的精度要求进行自动划分。
划分好网格后，我们可以进行材料和加载条件的分配。
完成准备工作后，我们可以进行有限元分析。
首先，我们可以进行静力分析，计算结构在静力工况下的应力和变形。
SolidWorks Simulation 提供了多种求解器，可以根据不同需求选择合适的求解器。
静力分析结果可以帮助我们评估结构的强度和刚度。
除了静力分析，SolidWorks Simulation还支持其他类型的分析。
例如，动力分析可以模拟结构在振动工况下的响应；热分析可以模拟结构在热传导工况下的温度分布。
这些分析可以帮助我们更全面地了解结构的行为和性能。
完成有限元分析后，我们可以查看分析结果并进行后处理。
SolidWorks Simulation提供了丰富的后处理工具，可以直观地展示分析结果。
SOLIDWORKSSimulation功能中有限元分析的介绍与学习
SOLIDWORKS Simulation功能中有限元分析的介绍与学习SOLIDWORKS Simulation 功能在设计时快速轻松地使用高级仿真技术来优化性能南京东岱软件有限公司的产品中具有易于使用的 CAD 嵌入式分析功能的 SOLIDWORKS Simulation 软件工具和解决方案，使所有设计师和工程师能够模拟和分析设计性能。
在设计时，可以快速轻松地利用高级仿真技术来优化性能，以减少对成本高昂的样机的需求、消除返工和延迟，以及节省时间和开发成本。
下面就以有限元分析这一功能为例来介绍其强大的功能及易于操作的优点。
有限元分析 (FEA) 概述SOLIDWORKS Simulation 使用有限元方法的位移公式在内部和外部载荷下计算零部件的位移、应变和应力。
通过使用四面体单元 (3D)、三角形单元 (2D) 和横梁单元来离散被分析的几何体，并通过直接稀疏求解器或迭代求解器对其进行解算。
SOLIDWORKS Simulation 还提供了针对平面应力、平面应变、拉伸和轴对称选项的 2D 简化假设。
有限元的分析功能的优点及功能使用快速求解、与 CAD 集成的 SOLIDWORKS Simulation 可助您有效优化和验证每个设计步骤，从而确保较高的质量、性能和安全性。
南京东岱软件SOLIDWORKS Simulation 解决方案和功能与 SOLIDWORKS CAD 紧密集成，可供您在设计过程中方便使用——这将减少对成本高昂的样机的需求，消除返工和延迟，同时节省时间和开发成本。
对于壳体网格划分，SOLIDWORKS Simulation 提供了一个称作Shell Manager 的效率工具来管理零件或装配体文档的多壳体定义。
它将工作流程改进为根据类型、厚度或材料来组织壳体，并允许更好地可视化和验证壳体属性。
通过与 SOLIDWORKS 3D CAD 集成，使用 SOLIDWORKS Simulation 的有限元分析可在网格划分过程中获知准确的几何体。
SolidWorks_Simulation有限元分析培训教程
/SOLIDWORKS © Dassault Systè mes | 机密信息 | 3/3/2020 | 参考： 3DS_Document_2012
绪论 有限元简介
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▪ 应力分量 ▪ 以一个受压条为例。P 点的应力状态可根据任意基准面
来描述。虽然合成应力总是相同，但应力分量的数值取 决于所选基准面。
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主要内容
SolidWorks Simulation概述 有限元分析概述 SolidWorks Simulation的使用限制
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Simulation 发展历程——辉煌的历史
SRAC 创立
COSMOS/M – 第一款用于 PC 的 FEA 软件
发布 COSMOS 2008
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两节点梁单元的形状在初始时为平 直的，但可以假定形状在变形发生 后为三次方的一个函数。 梁单元在每个端点处都有六个自由 度。
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草稿品质（一阶）及高品质单元（二阶）
Simulation中的单元类型
一阶（草稿质量）三角形壳单元 有三个节点（分布在角上），并且 每个节点有六个自由度，意味着它 的位移可完全由三个平移分量和三 个转动分量描述。
基于solidworks simulation模块的有限元基础培训课件
机身板壳结构模型（铆接、点焊、粘连结构）
连接结构细节处理
不同载荷下的屈曲失效形态
分析结果（右）与实验测试（左）的对比
热分析
进度安排
1. 有限元方法概述 2.solidworks中有限元分析基本流程 3. 前处理概述及相关技巧 4. 以虚功原理和变分原理为基础的计算方法 5. 热力计算简介 6. 振动计算简介 7. 后处理概述及相关技巧 *练习、实现应用数理方法解释操作步骤
主要参考书籍
1. 王勖成,邵敏编著. 有限单元法基本原理和数值方 法 . 北京 : 清华大学出版社, 1997 2. 朱伯芳著. 有限单元法原理与应用（第2版）. 北京: 中国水利水电出版社, 1998 3. 曾攀. 有限元分析及应用. 北京：清华大学出版社, 2004 4. Ted Belytschko著, 庄茁（译）. 连续体和结构的非 线性有限元. 北京 : 清华大学出版社, 2002 5. 王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上 的实践，西安：西北工业大学出版社，1999
飞机液压泵振动强度数值模拟
• 项目简述
某型歼击机液压泵传动轴频繁发生 断裂事故，严重影响飞行安全。而 该液压泵及传动轴的静强度和地面 试车测试均没有任何问题，由于条 件限制无法在飞机上进行动态测试。 因此希望通过仿真计算解决问题
整体几何模型
液压泵几何模型和有限元网格模型
内部转动部分几何模型
整体网格模型
• 瞬考 虑与静力分析相同的结构非线性行为.
• 显式动力分析-计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 – 用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线 性行为. – 显式求解冲击、碰撞、复杂金属成形等问题，是目前求解这类问 题最有效的方法.
SolidWorksSimulation有限元分析培训教程PPT教案
划分网格—基于曲率的网格
Simulation2009新功能，可以合理分配网格资源
在高曲率区域中生成更多网格，在低曲率区 域中生成较少网格。
第1章 分析流程
第1章 学习目标
全面了解 Simulation界面 用实体网格运行一个线性静态分析-静态
• 几何外形 • 材料属性 • 载荷 • 约束 了解网格密度对位移和应力结果的影响 采用不同方法显示有限元计算结果 管理结果文件 获取有用的帮助
SolidWorks Simulation界面
一般来讲，FEA软件通常有以下三个步 骤:
预处理 分析的类型（例如，静态，热，频率），材料的性能， 载荷和约束被定义（建立数学模型），并且模型被分为有限的 单元（建立有限元模型）。
求解 用来计算所需的结果（求解有限元模型）。 后处理 用来对结果进行分析（分析结果）。
SolidWorks Simulation 步骤
单元– 网格中所存在的三角 形(四面体)或四边形(六面体) 等
结点- 不同单元所联接在一起 的点，结点是求解未知量(通 常是位移)所需的点
Simulation中的单元类型
Simulation中 三维单元有：一阶实体四面体单元和二阶实体四面体单元； 二维单元有：一阶三角形壳单元和二阶三角形壳单元； 一维单元有：梁单元
Simulation中的单元类型
实体单元示例
将零件划分成小的四面体单元，并计算每一 个单元上的变形，从而解出整个零件的变形 。
Simulation中的单元类型
SolidWorks Simulation有限元分析
一.Solidworks Simulation中有四种单元类型：一阶实体四面体单元，二阶实体四面体单元，一阶三角形壳单元，一阶三角形壳单元，二.模型分析的关键步骤：1.创建算例：对模型的每次分析都是一个算例。
一个模型可包含多个算例。
2.应用材料：向模型添加包含物理信息（如屈服强度）的材料。
3.添加约束：模拟真实的模型装夹方式，对模型添加夹具（约束）。
4.施加载荷：载荷反映了作用在模型上的力。
5.划分网格：模型被细分为有限个单元。
6.运行分析：求解计算模型中的位移，应变和应力。
7.分析结果：解释分析的结果。
三.夹具类型及属性：标准夹具：1.固定几何体2.滚柱/滑杆3.固定铰链高级外部力：1.对称2.圆围对称3.使用参考几何体4.在平面上5.在圆柱子面上6.在球面上四.怎样装入Simulation：选择工具---插件命令，在弹出的插件对话框中的SolidworksPremium Add-ins插件栏中勾选Solidworks Simulation，并单击确定。
则会在命令管理器中显示Simulation管理器。
在插件对话框中还有Solidworks插件和其它插件两栏的命令可供选择。
五. Simulation（有限元分析）的操作步骤：打开一模型，单击Simulatio标签栏，1.单击新算例，在算例对话框中输入算例的名称（如深梁），并在类型中选择一种，点击确定；2.然后在模型树中选择名称（如深梁），单击应用材料命令，在弹出的材料对话框中选择一种材料，单击确定，对模型赋予材料；3.单击夹具顾问命令，在弹出的Simulation顾问对话框中单击添加夹具命令，在弹出的夹具对话框中的类型栏中的标准栏中单击固定几何体按钮，在符号设定下的符号大小中输入300，再选择一个面，也可以在高级栏中选择相应的命令，单击确定；4.再单击外部载荷顾问下拉列表中的压力命令，在弹出的压力对话框中类型栏中的类型中选择一个面，一般选择垂直于所选面选项，在压强值栏中选择压强的单位和压强值的大小，完成后单击确定；5.再单击运行下拉列表下的生成网格命令，在弹出的网格对话框中设置好后，单击确定；再单击运行按钮，系统自动运算完成，可以查看生成的几个结果。
simulation基础培训
关键步骤： （1）创建梁单元 （2）计算结点 （3）合并太靠近的结点 （4）指定结点类型 （5）加载夹具及载荷 （6）划分模型网格 （7）运行分析 （8）图解显示并分析结果
实例
颗粒分离器
3.一阶三角形壳单元
4.二阶三角形壳单元
5.横梁单元：
自由度
实体单元的节点有3个自由度；壳单元的节点有6个自由度
FEA计算
先求解每个节点3/6个位移分量
FEA结果解释
如何通过或否决一项设计？ 评价标准：可接受的最大变形、最大应力或最低自然频率 应力：1）Von Mises应力 2）主应力P1,P2,P3
实例分析：
第4章 对称和自平衡装配体
冷缩配合 对称 软弹簧
第5章 带接头的装配体分析
接头：刚性，螺栓，弹簧，连接，销钉，电焊，弹性支撑，轴承 实例：
第6章 兼容/不兼容网格
节到节 节到曲面 全局：兼容/不兼容
第7章 薄件分析
创建中面壳单元网格 从所选曲面创建壳网格 执行结构分析并使用壳单元分析结果 评价网格对应力集中的适应性
CAD几何体
简化几何体
数学模型（分析类型，材料属性，约束，载荷）
建立有限元模型 求解有限元模型
数学模型
FEA模型
FEA结果
结果分析 FEA中的误差 有限单元 SolidWorks Simulation中的单元类型 如何选择单元（实体？壳单元？草稿品质？高品质？）
1.一阶实体四面体单元
2.二阶实体四面体单元
Simulation基础
易山海
成都恒睿信息技术有限公司 2011.04
SW 仿真分析ppt课件
精选课件pLeabharlann t813.1 有限元分析(Simulation)
2．施加压力 对实体施加压力可以应用多个压力到单个或者多个面，Simulation所应 用的压力载荷垂直于每个面。具体操作方法如下。 01在“Simulation”属性管理器中，单击“添加压力”按钮。 02在图形区域中单击需要应用载荷的面，选择压力的单位，输入压力的 数值，如果需要，选择“反向”选项以反转力的方向，如图13-7所示。
精选课件ppt
6
13.1 有限元分析(Simulation)
13.1.2 添加夹具 在“夹具”选项卡中定义约束。每个约束可以包含多个面，受约束的面 在所有方向上都受到约束，必须至少约束模型的1个面，以防止由于刚性实 体运动而导致分析失败。在“Simulation”属性管理器中，单机“添加夹具 ”按钮 ，在图形区域中单击希望约束的面，如图13-4所示。
勾选“SolidWorks Simulation”复选框后，弹出“Simulation”面板，如图132所示。
“Simulation”面板参数详解：
“夹具”选项卡：应用约束到模型的面。
“载荷”选项卡：应用力和压力到模型的面。
“材料”选项卡：指定材质到模型。
“运行”选项卡;可以选择使用默认设置经行分析或者更改设置。
精选课件ppt
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13.2 流体分析(FloXpress)
13.2.5 求解模型 运行分析以计算流体参数，单击“” ，其属性管理器如图13-24所示。
精选课件ppt
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13.2 流体分析(FloXpress)
划分网格 设定边界条件
精选课件ppt
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13.1 有限元分析(Simulation)
Simulation根据有限元法，使用线性静态分析从而计算应力。 “Simulation”属性管理器向导可定义材质、约束、载荷、分析模型以及查 看结果。每完成一个步骤，Simulation自动实时保存。如果关闭并重新启动 Simulation，但不关闭该模型文件，仍可以获取该信息，必须保持模型文件 才能保持分析数据。
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工程师的角度
• 思路来源于固体力学结构分析矩阵位移法的发展 和工程师对结构相似性的直觉判断。对于不同结 构的杆系、不同的载荷，求解时都能得到统一的 矩阵公式。从固体力学的角度看，桁架结构等标 准离散系统与人为地分割成有限个分区的连续系 统在结构上存在相似性，可以把结构分析的矩阵 法推广到非杆系结构的求解。
屈曲分析 -用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。包括线性 （特征值）和非线性屈曲分析。
静力分析
(a) 铲运机举升工况测试
(b) 铲运机工作装置插入工况有限元分析
(c) KOMATSU液压挖掘机
(d) 某液压挖掘机动臂限元分析
电子助力转向系统传感器优化设计
• 项目描述
– VDO电子助力转向系统 – 需要提高力矩传感器的灵敏度， 以便更精确地执行驾驶员的转 向要求
有限元方法
Finite Element Method
课程目标
1. 了解什么是有限单元法、有限单元法的基本思想。 了解有限元软件的基本结构和有限元法当前的进 展情况。 2. 学习有限单元法的原理，主要结合弹性力学问题 来介绍有限单元法的基本方法，包括单元分析、 整体分析、载荷与约束处理等概念。 3. 能 从 理 解 有 限 元 的 基 本 流 程 及 实 质 ， 掌 握 Solidworks 有限元Simulation 模块的应用，并具备 初步处理工程问题的能力。 4. 能够对有限元分析结果的有效性和准确性进行评 估，同时要认识到有限元方法的局限性（仅仅是 一种分析工具)。
真实系统
有限元模型
真实系统
有限元模型
齿轮有限元模型
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接 ，并承受一定载荷。 节点具有一定的自由度。
• 1956年，波音公司的Turner, Clough, Martin, Topp 在纽约举行的航空学会年会上介绍了将矩阵位移 法推广到求解平面应力问题的方法，即把结构划 分成一个个三角形和矩形“单元”，在单元内采 用近似位移插值函数，建立了单元节点力和节点 位移关系的单元刚度矩阵，并得到了正确的解答。 • 1960年，Clough在他的名为“The finite element in plane stress analysis”的论文中首次提出了有限元 （Finite Element）这一术语。
飞机液压泵振动强度数值模拟
• 项目简述
某型歼击机液压泵传动轴频繁发生 断裂事故，严重影响飞行安全。而 该液压泵及传动轴的静强度和地面 试车测试均没有任何问题，由于条 件限制无法在飞机上进行动态测试。 因此希望通过仿真计算解决问题
整体几何模型
液压泵几何模型和有限元网格模型
内部转动部分几何模型
整体网格模型
实体模型
FEA 模型
各力学学科的分支的关系（对象、变量、方程、求解途径）
非变形体（刚体）
变形体
变形体
科学研究的目的：定量获取所研究对象的所有信息
确定对象 定义参量或变量 获得定量关系 推广到该类问题的任意情形
1.有限元方法概述
• 有限元法形成的背景
– 工程师的角度 – 数学家的角度
• 我国力学工作者的贡献 • 典型的工程问题
多 段事件 齿轮验算
模具成型
模块化弹射座椅系统级设计和分析
• 项目描述
– 用于F-15飞机的弹射座椅改进设计 – 需要计算在弹射和前向碰撞两种最 大载荷状态下的座椅可靠性
F-15弹射座椅
• 项目挑战
– 100多个零部件，模型极其复杂 – 载荷施加非常困难
• 解决方案
我国力学工作者的贡献
• 陈伯屏（结构矩阵方法） • 钱伟长、胡海昌（广义变分原理） • 冯康（有限单元法理论）
20世纪60年代初期，冯康等人在大型水坝 应力计算的基础上，独立于西方创造了有 限元方法并最早奠定其理论基础。--《数 学辞海》第四卷
有限元分析典型的工程问题
• • • • • 结构分析 热分析 电磁分析 流体分析 耦合场分析 - 多物理场
内部转动部分网格模型
• 项目挑战
–由37个零部件构成的装配体，模型 复杂 –系统刚度受转动和装配等因素的影 响大 –载荷谱非常复杂，计算点多，计算 量大
液压泵第4、5、11阶模态 采 用 子 模 型 技 术 提 高 分 析 精 度 改 进 前 后 的 疲 劳 寿 命 分 布
• 解决方案
–合理简化模型(如用只承压杆代替轴 承) –通过改变接触刚度模拟装配刚度变 化 –传动轴疲劳寿命计算
机身板壳结构模型（铆接、点焊、粘连结构）
连接结构细节处理
不同载荷下的屈曲失效形态
分析结果（右）与实验测试（左）的对比
热分析
有限元法形成的背景
有限单元法的形成可以回顾到二十世纪50年代， 它的形成直接得益于飞机结构分析中的矩阵位移 法。 注： 20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞 机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度 高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算， 在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵分析法。
– 在Workbench环境下使用 Mechanical软件，利用其双向参数 链接功能输入CAD模型，并自动创 建零部件的装配接触 – 利用Workbench高级网格处理能力 – 利用Workbench先进的加载功能 （如空间质量点、远程等效力等） – 与CAD协同进行结构改进和优化设 计
座椅载荷示意图
• 瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应. 可以考 虑与静力分析相同的结构非线性行为.
• 显式动力分析-计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 – 用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线 性行为. – 显式求解冲击、碰撞、复杂金属成形等问题，是目前求解这类问 题最有效的方法.
力矩传感器 电 子 电 机 此处固定一个陶瓷厚膜电阻来 “测量” 扭转引起的应变，电 阻值的变化就反映了扭矩的变 化
原始扭转变形 钢片设计
原始设计的缺陷是： 在电阻贴片处的两个 主应变大小几乎一样 但方向相反，导致电 阻的变化相互抵消， 因此几乎没有信号输 出！
• 项目挑战
– 初始设计的扭转变形钢片几乎 没有信号输出，无法实现扭矩
专利产品
动力分析（五种类型）
• 模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.
模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术： – 自然频率 – 振型 – 振型参与系数 （即在特定方向上某个振型在多 大程度上参与了振动）
模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。
模态分析的作用： 使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）； 汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动机的固有频率相同时，就可能会被震 散。
商用飞机上的板壳结构及其剪切/挤压屈曲失效实验 变厚度板壳及其中心偏移
• 项目挑战
– 结构复杂，板壳连接形式多种多 样 – 板壳厚度变化和中心偏移处理困 难 – 材料类型多（金属板、多层板、 纤维增强金属复合板等）
• 解决方案
– 应用APDL进行快速参数化建模 – ANSYS先进板壳单元及其建模 技术 – 利用接触功能模拟各种连接形式 – 采用复合材料、Hill各向异性材 料等
数学家方面
• 数学家们则发展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法，变分原 理和加权余量法。 • 1954-1955年，德国斯图加特大学的Argyris 在航空工程杂志上发表了 一组能量原理和结构分析论文，为有限元研究奠定了重要的基础。 • 1963年前后，经过J. F. Besseling, R.J. Melosh, R.E. Jones, R.H. Gallaher, T.H.H. Pian（卞学磺）等许多人的工作，认识到有限元法就是变分原 理中Ritz近似法的一种变形，发展了用各种不同变分原理导出的有限 元计算公式。 • 1965年O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung（张佑启）发现只要能写成变分 形式的所有场问题，都可以用与固体力学有限元法的相同步骤求解。 • 1967年，Zienkiewicz和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著。 • 1969年B.A. Szabo和G.C. Lee指出可以用加权余量法特别是Galerkin法， 导出标准的有限元过程来求解非结构问题。 • 1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden 于1972年出版了第一本关于处理非线性连续体的专著。 这一时期的理论研究是比较超前的。
结构分析-分类
静力分析 -用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非线 性行为，例如: 大变形、大应变、应力刚化、接触、塑 性、超弹及蠕变等. 动力分析 -动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻 尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。“动力 学特性” 可能指的是下面的一种或几种类型:
– 振动特性 - （结构振动方式和振动频率） – 周期（振动）载荷的效应 – 随时间变化载荷的效应
有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。
• 谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应 力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
• 谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应. – 旋转设备（如压缩机、发动机、泵、涡轮机械等）的支座、固定 装置和部件； – 受涡流（流体的漩涡运动）影响的结构，例如涡轮叶片、飞机机 翼、桥和塔等。
预备知识
• • • • • 线性代数 数值分析 材料力学 弹性力学 弹塑性力学
有限元方法
• 有限元方法(FEM)的基础是变分原理或加权余量 法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互 不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的 节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变 量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的 插值函数组成的线性表达式 ，借助于变分原理或 加权余量法，将微分方程离散求解。有限元方法 最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢 慢用于流体力学的数值模拟