solidworks有限元分析教程

有限元分析是solidworks软件中非常强大的功能。想要很好的使用这个功能，必须结合自己的很多知识才能很好的使用。有限元分析不同于绘图，需要材料力学、理论力学和高等数学的基础。这里简单介绍一下有限元分析的方法和步骤。

Solidworks有限元分析应用于机械、汽车、家电、电子产品、家具、建筑、医疗骨科等产品的设计和研发。其作用是保证产品设计的安全性和合理性，同时找出产品设计的最佳方案，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前，提前发现潜在问题；模拟各种测试方案，减少测试时间和费用；它是产品设计和开发的核心技术。看板提醒朋友，有限元分析不同于基于十几年项目经验和培训经验的绘图。以下是看板总结的solidworks有限元分析的使用方法。希望对大家有用。

一、软件形式：

solidworks的内置形式：

SimulationXpress——只对一些负载和支撑类型简单的零件进行静态分析。

(二)SolidWorks插件形式：

通过仿真对零件或组件进行静态分析。

模拟工作专业——测试、优化和分析零件或组件的静态、热传导、变形、频率和跌落。

模拟工作高级专业版——将非线性和高级动态分析添加到模拟工作专业版的所有功能中。

(3)单独发行形式：

仿真设计之星——的功能与仿真作品高级专业相同。

二、使用有限元分析的一般步骤：

FEA=有限元分析——是工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其他数值分析工具包括：有限差分法、边界元法、有限体积法等。

方法和步骤

(一)数学模型的建立

有时需要修改CAD几何模型以满足网格生成的需要(即从CAD几何到FEA几何)。有以下三种方法：

1.特征消隐：指合并和消除分析中认为不重要的几何特征，如圆角、圆边、标记等。

2.理想化：理想化是一个更积极的工作，例如，薄壁模型由平面表示(注意：如果“使用中间曲面的壳网格”被选择为“网格类型”，则SimulationWorks将自动创建曲面几何)。

3.清楚：因为用于网格划分的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。例如，模型中的细长面、多个实体、运动实体等质量问题会使网格划分变得困难甚至不可能。这时候我们可以用CAD质检工具(即SW菜单：工具检查…)来检查问题，另外还有很短的边或面，小特征必须去掉(小特征是指它们的特征尺寸相对于整个模型尺寸很小！然而，如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么应该保留非常小的内部圆角。

(2)建立有限元模型，即有限元分析的预处理部分，包括五个步骤：

1.选择网格类型并定义分析类型(有八类，如静态、热传导、频率等。) ——.此时会生成一个FEA实例，配置名称在左侧浏览器中的实例名称后面的括号中；

2.添加材料属性：材料属性通常从材料库中选择，不考虑缺陷和表面条件。与几何模型相比，它具有更多的不确定性。

(1)右键单击“实体文件夹”并选择“将材料应用于所有”——所有组件将被赋予相同的材料属性。

(2)右键单击“实体文件夹”下的特定零件文件夹，并选择“将材料应用于所有实体”——零件的所有实体(多实体)都将被赋予指定的材料属性。

(3)右键单击“实体文件夹”下特定零件的“主体”，并选择“将材料应用于实体”——。只有“主体”被赋予指定的材料属性。

3.强加约束：定义约束是最有可能发生错误的地方。通常的误差来自于过约束模型，这导致结构过于刚性，低估了实际的变形和应力。对于组件，还应定义“接触/间隙”的特殊“约束”。约束的目的是禁止模型的刚体位移。

仿真工作中有十种约束(不包括“接触/间隙”)。它还意味着所有这些节点在指定的“点、线和面”上的约束。

约束符号中的箭头表示“平移”约束，而圆盘表示“旋转”约束(实体元素的每个节点只有3个运动自由度，而壳元素有6个自由度)。

对于“实体网格”，由于节点没有旋转自由度，所以选择“固定”和“不可移动”的效果完全相同。定义约束后，模型的空间位置是固定的。此时模型不可能有除弹性变形以外的任何位移(在FEA的静态分析中，只有弹性位移是可能的)，称为“模型没有刚体位移”。

4.定义负载：在现实中，我们只能大致知道负载的大小、分布和时间依赖性。因此，在有限元分析中，必须通过简化假设进行近似估算。因此，定义负载会产生很大的建模误差(理想化误差)。

注：前四项统称为FEA分析的“预处理”，其不确定度由高到低依次为：约束、载荷、材料、几何模型。

5.网格划分：

(1)模拟作品中只有两种单位：一阶单位(草稿质量单位)和二阶单位(高质量单位)。或者：实心四面体单元和三角形壳单元。这样，SimulationWorks有四种类型的单元：一阶实体四面体单元(只有四个角节点和一个高斯点)、二阶实体四面体单元(有四个角节点和六个中间节点，共10个节点和四个高斯点)、一阶三角壳单元(只有三个角节点和一个高斯点)、二阶三角壳单元(有三个角节点和三个中间节点，共10个)另外，二阶单元的边和面可以弯曲，以模拟单元因加载而产生的实际变形。

(2)单元的质量可以通过软件菜单确定：模拟工作选项…选择网格选项卡…

(3)通常FEA中节点数最少的单元是梁单元，只有两个节点(即梁的两个端点)，但每个节点有六个自由度(即三个平移分量加三个旋转位移分量)。

(4)二阶立体四面体单元和二阶三角壳单元适用于曲面几何。

(5)某些类型的形状可以使用实体元素或壳元素，元素的具体类型取决于分析的目的。然而，一般来说，几何图形的自然形状决定了所用元素的类型。例如，有些铸件只能用实体网格划分，而钣金最好使用壳单元。

(6)有限元网格中的自由度是指单元节点的自由度。实体单元的每个节点有三个自由度(三个平移分量)，壳单元的每个节点有六个自由度(三个平移分量加三个旋转位移分量)。节点的位移是这些分量的几何合成矢量。

(7)网格划分时，单元在几何匹配的过程中会发生变形和扭曲，但过度扭曲会导致单元的劣化，从而导致计算量增加，计算精度大大降低，甚至无法计算。因此，需要控制默认像元大小(即SW菜单：模拟作品网格创建…，其中粗对应大，细对应小)或应用局部网格控制(即SW菜单：模拟作品网格应用控制…)以避免像元过度失真。

(8)网格质量保证：包括长宽比检查和雅可比检查，由程序自动执行。

长宽比检查：正四面体的长宽比通常用来计算其他元素的长宽比。单位的长宽比定义为四面体最长边的长度值/四面体顶点与其相对面之间法向距离的最小长度值。这里顶点的相对面需要用正四面体正则化，假设四面体的四个角用直线连接。非常小的规则四面体单元的长宽比可以近似认为是1.0。作为纵横比检查的一部分，SimulationWorks还会自动执行边长检查、内切圆检查和外接圆检查以及正常长度检查。

雅可比检查：检查雅可比行列式的值，用于判断单元的弯曲程度。极度扭曲单元的雅可比是负的，负的雅可比会导致FEA程序的终止。雅可比检验基于位于每个单元中的一系列点(高斯点或节点)。一般情况下，雅可比小于等于40是可以接受的。SimulationWorks将自动调整扭曲单元的中间节点位置，以确保所有单元都能通过雅可比检查。在次单元中，单元边界上的中间节点被放置在真实几何图形上；但是，在楔形和弯曲边界中，将中间节点放置在真实几何图形上将导致扭曲的单元在边缘下重叠。就正四面体而言，所有中间节点都精确地位于直边的中点，其雅可比比为1.0。随着边缘曲率的增加，其雅可比比值也随之增加。雅可比检查设置可以通过仿真工作选项…网格选项卡来实现。

(9)局部网格控制：三个参数控制所选实体的单元大小、层与层之间的单元大小比以及受局部优化影响的单元层数。它们的默认值分别是2.2、1.5和3。网格控制可用于点(顶点)、线(边界)、面(曲面)和组件元件。三个控制参数可以通过命令实现：仿真工作网格应用控制。为了找出仍在工作的最大单元格，您可以在模拟工作选项…网格选项卡中选中自动循环选项。“实体自动循环”功能要求网格化程序用更小的全局单元尺寸网格对模型进行细分，用户可以控制循环实验的最大次数、全局单元尺寸每次缩小的幅度和公差。

应用于组件的网格控制由“组件重要性”定义。对于不同的幻灯片位置，网格划分程序被指示为每个选定组件的网格划分选择不同的单元格大小。但是，如果选中“使用相同的元素大小”，所有组件将根据“网格控制”窗口中指定的相同单元大小进行划分。

(10)实际的网格划分过程分为三个步骤：

第一步是评估几何模型——，检查CAD几何是否有缺陷；

第二步，处理边界——，即先将节点放在边界上，称为曲面分割；

第三步是创建网格——，用四面体元素填充实体体积。

(11)如果第一步失败，几何模型最有可能是错误的。为了验证几何模型是否错误，输出带有IGES的模型，并观察是否出现错误消息“未能处理修剪的曲面实体”。

(12)如果第二步失败，有两种情况：一是进度指示条到达最右端前有错误，说明至少有一个面划分有错误。这时，右击网格，选择“故障诊断”，找出有问题的曲面，然后有分割线或网格控件帮助分割曲面；Ii .进度指示器条到达最右端后，第三步开始前，出现错误。此时，需要将单位大小从5%(默认)增加到10%，然后细分网格。但是，如果公差为10%，仍然失败，可以继续增加公差，但最大公差不应超过25%。设置命令为：模拟工作网格创建………

(13)如果第三步失败，则表明错误发生在体积填充阶段。此时，单位尺寸公差可以从5%减少到1%。如果仍然失败，单位尺寸可以减少25%，公差设置为1%。

(14)“故障诊断”工具仅适用于实体单元，不适用于外壳单元。

(15)从2008版开始，SimulationWorks实现了自动“局部网格控制”，因此“网格划分”完全不需要人工干预。

(3)求解有限元模型

在结构分析中，FEA首先计算网格中每个节点的位移(矢量)，然后在此基础上计算应变、应力等其他物理量；在热分析中，有限元分析首先计算网格中每个节点的温度(标量)，然后计算其他物理量，如温度梯度和热流。

一般来说，如果模型可以网格化，就可以求解，但如果没有定义材料或载荷，求解就会终止。求解器还可以检查约束不足导致的刚体运动。但是，可以使用解算器选项来处理刚体运动，例如使用软弹簧来稳定模型，或者使用面内动作和惯性卸载。影响选择合适解决方案的五个因素：

1.问题的规模是——。通常，当DOF超过10万时，FFEPlus的速度会更快。随着问题的变化，FFEPlus将变得更加高效。

2.计算机资源——当计算机的可用内存足够时，direct稀疏解算器的速度相对较快。

3.分析选项；

4.单位类型；

5.材料属性——当模型中使用的材料(如钢和尼龙)的弹性模量差异较大时，FFEPlus(迭代法)的精度低于DirectSparse(直接法)。

如果不确定哪种解算器是分析的最佳选择，可以将解算器类型设置为“自动”。

选择求解器的命令是：模拟工作选项…选择结果选项卡。

(4)结果分析

对结果的正确解读需要我们熟悉和理解：I)。各种假设，如静态分析中的假设

材料线性假设、小变形假设和静载荷假设；.简化合同；.前三步产生的误差，如建模误差(也称为理想化误差)、离散误差(网格划分过程中产生的误差)和数值误差(求解过程中产生的误差)。在这三个误差中，只有离散化误差是有限元分析独有的，因此在使用有限元分析时只能控制这个误差。网格单元越小，离散化误差越小。影响数学几何模型的建模误差是在有限元分析之前引入的，因此只能通过正确的建模技术来控制。数值误差(解误差)是在计算过程中产生的，很难控制，但通常很小。

执行“模拟工作选项… 结果选项卡自动结果绘图按钮”以确定要在程序界面中显示的计算项目的结果。

结果，节点值指的是元素节点上的应力，而元素值指的是元素高斯点上的应力。

单元应力和节点应力一般是不同的，但如果两者相差太大，网格划分就不够精细。

解析解(数学公式得到的解)只有在平面应力假设下板厚很薄时才有效，因为它没有考虑应力沿板厚方向的分布(梯度分布：中间最大，两边最小)，认为板厚方向截面上的应力处处相等。因此，有限元分析解能够真实反映实际受力情况。

以上是有限元分析的方法和步骤。如果你不是理科生，没有接触过这个功能，你会很难理解甚至理解上面的方法和步骤。所以要想实现有限元分析，最好有一定的基础。