SOLIDWORKS有限元分析技术在施工机械装备设计中的应用

苏维鼎

（大连九洲建设集团有限公司，辽宁 大连 116001）

SOLIDWORKS是一款基于参数化实体特征的CAD系统，是在其中嵌入SOLIDWORKS Simulation有限元分析插件，使得SOLIDWORKS同时具备产品三维设计、工程分析功能，工程有限元分析（FEA）技术是将分析的几何模型离散化，用有限单元求解方法对各种力学、物理场的进行模拟分析。FEA作为工程领域数据分析方法之一，具有多功能性和高数值性，采取多种方法简化几何模型，可分析出各种复杂的几何模型，并能达到预期的分析精度。Simulation根据对不同用户的需要，SOLIDWORKS Simulation为线性和非线性静态、频率、扭曲、热力、疲劳、压力容器、跌落测试、线性和非线性动态和优化分析提供了模拟解决方案。能够有效地提高设计和制造产品的生产效率，降低产品制造成本，同时能够更快地交付创新产品。以下就结合SOLIDWORKS Simulation强大的模块功能，进一步了解FEA（有限元分析）的方法和工作原理，对SOLIDWORKS软件在建筑施工全钢爬架体系设计中的具体应用进行比较深入的探讨和研究。

1 有限元分析技术在SOLIDWORKS中的应用及发展

SOLIDWORKS Simulation由著名的FEA（Finite Element Analysis）软件COSMOSWorks改名而来，在SOLIDWORKS Simulation软件中，有限元分析（FEA）理论、数值求解方法对用户都是互相通用的。针对复杂的模型和广泛的工程应用领域，所有的有限元分析（FEA）第一工作程序都是一样的，首先第一步工作都是从建立理想化几何模型开始。然后分别几何模型赋予材料属性参数，定义所分析模型的载荷和约束类型，最后使用数值求解的方法，将几何模型进行离散化处理进行有限元分析；因此，应用有限元分析（FEA）软件进行分析几何模型受力及物理场时，通常按照以下工作步骤进行：

（1）模型事前处理。通过需要分析的模型（静态、频率、热传导等）实际状态来定义分析的类型，模型材料的属性参数，通过建立有效数学模型定义载荷和约束类型，基于几何模型特征进行合理精度网格划分使模型被分为有限的单元-即有限元单元模型。

（2）有限元运行分析。运用有限元分析求解器来计算所需的结果。

（3）分析结果后处理。根据分析的需求来对结果进行分析处理。

SOLIDWORKS Simulation对几何模型分析是按照以下假设条件进行处理的：

线性材料假设：利用Simulation有限元分析的材料，应力与应应成线性比例关系；在实际应用中，最大应力值被限制的，而在使用线性材料模型时，最大应力并不限于屈服应力或者是最终破坏的应力，对使用用户来说，线性材料很少对分析产生限制。变形小假设：所有结构在载荷作用下都会发生变形。变形小指发生的变形量相对于结构的整体尺寸来说微乎其微。因而，变形对结构的刚度的影响是变形大小真正的决定因素。静态载荷假设：假设所有的载荷和约束是随时间变化而不发生改变。这种假设条件要求加载过程非常缓慢而不会产生惯性动量效应。几何模型的动力学分析条件是载荷不断快速的发生变化，掉落测试或振动分析必须要建立动态载荷模型。

2 Simulation有限元分析步骤

建立三维模型——对模型的简化（如去倒斜角）——创建数学算例——确定材料属性——添加约束方式——增加载荷类型——划分网格精度——运行计算分析和结果分析处理。

（1）建立数学模型。SOLIDWORKS Simulation是通过对由SOLIDWORKS建立的零件及装配体的几何模型进行有限元分析。几何模型将基于不同方法的划分合理的、适度精度的有限单元，确保控制网格的质量和大小。通常情况下，采取特征清除（如外圆角、圆边、标志等）、理想化或几何清理（划分网格的几何模型必须满足比实体建模更高要求）等方法以满足网格划分的要求。

（2）建立有限元模型（网格划分）。通过数学模型离散化过程，将模型剖分成有限单元，这一过程成为网格划分，网格的划分的合理与否直接影响分析结果的对错，整个有限元的分析是基于对数学模型的离散化的一个过程，网格划分就是用合理的方法对模型（包括对载荷和支撑进行离散化）进行离散化处理，使离散化的载荷和支撑施加到有限元网格的节点上。

（3）解析有限元模型。按照合适方法创建理想的有限元模型后，运用Simulation的有限元分析求解器对其进行求解分析。

（4）结果分析处理。对结果分析是一项非常复杂的重要工作内容。有限元分析提供了应力、位移、应变、安全系数、疲劳检查等多种数据，正确地掌握和处理在各种假设、简化处理以及在数学模型、有限元模型的建立、有限元模型求解过程中产生的误差对结果分析的影响；其中，离散误差通过正确使用FEA方法时来进行有效控制。

（5）有限单元。离散化过程中（网格划分）是将连续的模型剖分成有限单元，有限单元类型的创建过程中受几何模型的类型和设定的分析类型以及用户自身因素所决定的；SOLIDWORKS Simulation有限元分析是通过采用四面体划分实体几何体，用三角形壳单元来划分几何面，因为这些形状对任何几何体或面进行可靠的网格划分是非常有效的。

SOLIDWORKS Simulation五种单元类型（如图1），一阶（草稿品质单元）包括一阶实体四面体单元和一阶三角形壳单元；二阶（高品质单元）包括二阶实体四面体单元和二阶三角形壳单元；横梁单元。

图1 五种单元类型

有限元分析（FEA）结果解析：在SOLIDWORKS Simulation中von Mises应力称为Huber应力，用来表示集中了三维应力状态的6个应力分量的应力量值（如图2）。

图2

3 Simulation结构有限元分析实例

本文以爬架“连接方钢管80×40×3-500”为例通过建立算例，添加约束，利用网格划分质量和大小不同来说明使用Simulation有限元分析（FEA）进行零件静态分析的影响程度大小（如图3～6）。

图4 网格图

图5 von Mises应力图

图6 位移图

主应力包括：F1、F2和F3，应力状态可通过三个主应力分量描述，即σ1、σ2、σ3，它们的方向垂直于立方体单元表面；在SOLIDWORKS Simulation中，主应力通常被记为F1、F2、F3。

F1应力是拉应力，用来评估脆性材料零件的应力结果。

F3应力是用来评估压应力或接触应力。

材料屈服安全系数或最终破坏安全系数是可以通过Von Mises应力与材料屈服应力（屈服强度）或最终破坏应力（最终破坏强度）二者之间比值得到的。

4 网格密度对位移和应力结果的影响

三种网格划分算例运算对比分析（如表1）。

最大位移值随着网格的精细度提高而增加。网格越精细化单元定义造成的人为影响就越来越小，随着网格的精细度不断提高，最终位移和应力都将趋向一个有限数值——数学模型的解。有限元的解和数学模型的解的差异来自于离散化误差，离散化误差随着网格精细程度提高而减少。

表1 3个算例结果总结

5 结语

SOLIDWORKS Simulation是在SOLIDWORKS软件中嵌入有限元分析（FEA）软件，使得SOLIDWORKS同时具备产品三维设计、工程分析功能，在工程机械设计领域获得越来越多的应用。通过对SOLIDWORKS Simulation应用过程中，使用者应掌握有限元理论和单元力学模型，避免选择不合适的单元模型和网格离散不合理造成不正确的仿真分析结果；本文通过具体的实例应用，根据对不同用户的需求，SOLIDWORKS Simulation为线性和非线性静态、频率、屈曲、热传导、疲劳、压力容器、跌落测试、线性和非线性动态和优化分析提供了模拟解决方案。FEA（有限元分析）技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，这对于提高机械设计者的工作效率、机械设计水平以及促使SOLIDWORKS软件成为今后重要的机械设计软件都具有重要的意义。