基于SolidWorks设计及有限元分析在机械工程中的应用

xiaoke · 发表于 2014-7-15 11:52:04

作者：周学斌
一、引言
南阳锐欣石油机械公司的工程技术人员在近几年的设计技术应用中不断将现行的优秀设计软件应用在实际产品的设计中，从以前的手工制图，到现在利用多种设计软件如AutoCAD软件、SolidWorks软件、Pro/E软件等，通过不断将这些软件应用在工作中，大大减少了设计失误，提高了设计效率，降低了设计成本，缩短了设计周期，更好的有益于企业产品质量与效益的提高。
在这些现代机械设计软件中，我们可以更好的利用先进的设计理论与方法极大的提高设计时效。与以往的手工制图相比，现代设计软件完全可以实现设计结论展现设计思想，设计过程体现设计思路。设计分析查找设计失误，设计报告验证设计成果。为了更好的验证设计成果，需要对所设计的产品进行有限元分析。在当前的许多设计软件中有的能够自身进行有限元分析，如SolidWorks软件、Pro/E软件等，还有专门用于有限元分析的软件，如ANSYS、NSTRAN等，但是由于这些专业分析软件的机械CAD功能相对较差，往往难以完成复杂模型的建模与分析，因此大大影响了工作效率。而SolidWorks拥有功能强大的机械CAD模块，且有较好的零件连接性能，还拥有更全面性的工具，可以推动产品的创新，以及通过Intemet与人员和信息实现互通功能，再利用其系统提供的有限元分析模块，就可以方便、快捷的完成有限元分析的前处理工作，然后将建好的有限元模型导入到相应的仿真分析插件中进行分析、计算、再优化、形成结论。还可以验证设计中的错误，检查装配零部件的干涉情况，大大提高个人乃至整个有限元分析工作过程的效率。本文就泥浆罐的参数化设计及个别重要零部件为例，来说明SolidWorks软件设计的方便性与高效性。
二、SolidWorks的设计特点
SolidWorks具有强劲的实体建模能力和易用友好的Windows界面，形成了三维产品的设计标准。机械工程师不论有无CAD使用经验，都能用SolidWorks提高工作效率，使企业以较低的成本、更好的质量更快将产品投放到市场。而且SolidWorks对中文和GB规范具有较好的支持，使国内机械工程师使用起来更为方便。SolidWorks软件具有以下几个特点：
1.设计快。相对于传统的CAD软件，So1idworks直接对三维实体产品进行设计，因此能够直观的查看产品的造型，而不是传统的画三视图，靠大脑重新构造产品的外观、减少了出错的机会，方便设计师集中精力设计模型的空间结构，在确定产品尺寸后再形成工程图。这种设计方法大大的提高了设计速度。
2.参数化。在传统的CAD设计中，设计师必须定义尺寸的大小，确定尺寸的几何关系，再绘制二维图形，而且调整尺寸麻烦，调整图形后需要手工更改标注。而SolidWorks在设计中可以先简单的绘制图形，不需要精确定义尺寸，通过定义标注形成函数关系或智能标注命令，将图形进行确定，如果修改尺寸，图形就作相应的更改，更直观的体现了设计师的设计意图。
3.工程仿真。SolidWorks不仅可以绘画零件模型，而且可以对零件模型进行工程仿真。利用SolidWorks中的SimulationXpress和SimulationWorks插件进行零件的仿真分析。在工程仿真中可以对零件的应力进行分析，检查零件的应力变化、位移变化、应变变化并形成仿真报告，以备设计师们确定最终设计方案。
三、SolidWorks的设计工作流程及参数化建模
利用SolidWorks软件进行产品的三维设计，设计师必须了解该软件的设计工作流程，就是说设计师在设计零部件的过程中要对零部件形成的过程有一个比较流畅的设计思路，明确先大局，后小节；先整体，后细节的产品形成流程。下面就泥浆罐的整体设计流程及建模过程作简单介绍，以便更好了解整个软件的实际应用。
1.泥浆罐的底座部分的设计。因为此部分的零部件都是钢结构件，对底座中的每一个零部件都要求先进行建模，然后再形成装配图，形成后的底座装配图又町以作为整个泥浆罐的一个零部件进行调用。

2.泥浆罐上边框的设计。上边框的设计过程同样要求先对各零部件进行建模，然后再进行上边框的装配，以便为最终泥浆罐的总装打好基础。
3.上吊装件的设计。上吊装件是泥浆罐的重要零部件，因为它在整个产品的实际应用中必须具有可靠的设计依据及安全系数，所以在该零部件的形成过程中要对其进行可靠性设计验证，并对设计进行优化。后面将对上吊装件的设计及分析过程进行全面分析。
4.泥浆罐系统的整体设计。通过完成对泥浆罐各需部件的独立设计后，再形成子级零部件，然后形成整套泥浆罐的组装，不但快速的完成了设计过程，而且形成了可视化的参数设计零件，为整套罐的设计缩短了时间，也为以后同类型的产品建立了设计调用的依据，为个别零部件的优化及改型提供了基础。

通过整套泥浆罐的设计，了解到在用SolidWorks软件进行产品的设计过程中，必须对产品的形成过程要有很好的设计流程观念，使得设计过程流畅，设计思路清晰，设计产品可靠。
相对于以往的二维CAD设计过程，可以发现产品在形成过程中设计的零部件是可视化的，产品一目了然。当然不管用什么软件进行二维或三维产品的设计，在总体上都要求为各零部件进行精确的定义，才能为产品的最终成型创造条件。利用SolidWorks进行三维设计同样要求按照软件设计的产品成型设计流程进行一步一步的建立。在对SolidWorks中的零部件进行的建模中，在总体上可以将其分为以下流程进行建立。

四、以SolidWorks为前处理的有限元分析流程
利用SolidWorks软件设计的零部件在完成建模后，就可以对重要零部件进行有限元仿真分析了。在总体上所有的有限元分析都可以分为前处理、主分析计算、后处理三大部分。在SolidWorks中就可以方便快捷地完成其中的各大部分，即先建立三维模型、实现添加多种类型的载荷、定义材料、定义多种边界、自动生成网格，并保留关键特征，从而得到理想的仿真分析结果。然后将建好的模型导入到SimulationXpress和SimulationWorks插件中进行主分析计算和后处理，生成应力图、位移图、应变图等，再根据应力、位移、应变图对模型的参数进行优化修改，直到最后完成既定的设计任务。
五、SolidWorks模型的建立
1.SolidWorks零件图的建立
以泥浆罐上吊装零部件为例，进行建模、分析计算。在设计时，单位制采用mmNS，零件材料采用普通碳钢，其弹性模量为2.1×1011N/m2；泊松比为0.28；抗剪模量为7.9×1010N/m2；密度为7800Kg/m3。
上吊装件是泥浆罐设计中必须考虑的关键零件，它在整个设计中起到整套罐是否符合安全系数的作用。本例中上吊装件有四部分钢结构材料组成，其设计过程如下图的设计树可以看出。

上吊装件设计过程

SolidWorks上吊装零部件图的生成分为以下几步完成：
(1)选择基准面；
(2)构建几何草图：
(3)生成拉伸特征。
通过在选好的基准面上调取SolidWorks中Toolbox插件中的标准件如20#工字钢、e117无缝管草图，选择拉伸特征，选择合适的尺寸就形成了上图中的吊装件部件。
2.SolidWorks装配图的建立
在SolidWorks软件的装配图环境下，将上吊装件装配到泥浆罐墙板的设计位置。每个泥浆罐要求四个上吊装件，按照设计的位置完成好上吊装件与泥浆罐墙板的装配，就完成了这一部件的设计与装配。
六、建立有限元模型
当建立好上吊装的零部件图形后，就可以进行有限元的分析了。在SolidWorks环境下调出上吊装件的图形，先后进行SimulationXpress和SimulationWorks插件下的有限元仿真分析。在SimulationXpress下的分析过程如下：
1.分析约束条件。如果插件SimulationWorks已经出现在设计菜单下，就从“工具”“插件”下将SimulationWorks复选框去掉。进入到SimulationXpress分析环境中。在先期的设计过程中先后选定了普通碳钢的材质，所以其相关材料特性已经确定。根据上吊装件在实际应用中的约束情况，给它选取比较实际的仿真约束条件，既哪些面将被约束，哪些面将承受力或力矩。这样选取20#工字钢、钢板外周面为约束面。
2.加载载荷。依据实际，在泥浆罐上安装四套上吊装件，而且设计泥浆罐的最大起吊载荷为1.5×105N，那么可以对上吊装加载0.6×105N，并将载荷定义为力，加载在e117无缝管的外侧上。
3.建立仿真分析，显示分析结论。通过上吊装件的静态分析，可以得出此吊装件的安全系数为7.56，此安全系数相对较高，一般能满足安全系数大于3的条件，设计比较合理，不需要对其中的参数进行优化设计。
按照同样的分析过程，还可以在SimulationWorks环境下进行有限元的仿真分析。和上面屏蔽SimulationWorks插件一样，重新调出SimulationWorks，进行上吊装件在SimulationWorks下的有限元分析过程如下：
1.建立仿真分析前的条件。设计算例，确定材质，添加约束面，施加载荷力。首先启动有限元分析算例1，在SolidWorks材质库中确定材料为普通碳钢，普通碳钢的材料特性在相应的列表中可以看到，然后对几个约束面进行约束。在实际应用中可以将钢板面、工字钢焊接点、无缝管焊接处等进行仿真模拟约束，最后对无缝管的受力面加载力0.6×105N。
2.设置网格。在设置网格的环节中，因为分析的零部件较小，可以适当的将网格划分得较细一些，将整体网格大小设置为6mm，公差为0.3mm，运行网格生成，网格划分完毕，见下图加载约束面及加载载荷力的设置图形。
3.输出有限元分析文件。在经过有限元的分析后通过输出相应的应力图、位移图、应变图、安全系数分析图等可以对上吊装件进行后期处理，并为输出的结果进行后期的优化设计。至此，对上吊装件的有限元分析在SolidWorks中的设计与的处理分析完成。
七、SolidWorks有限元分析的后处理
针对SolidWorks中SimulationXpress和SimulationWorks插件下的仿真分析的计算结果进行后处理，在分析中得到了最终的应变图分别为应力图、位移图、应变图等。如下图所示：

从以上三图可以看出应力最集中的地方和应变最大的地方都在无缝管与钢板焊接的位置，在实际的焊接中一定要求焊接牢固，甚至要求对其部位进行探伤检测，以保证设计成果服务生产，生产验证设计成果。而位移变化最大的位置接近盲堵板处，这就要求无缝管的壁厚指标不能随意更改，相对长度不能太长，以免发生意外。
八、结束语
本文通过介绍利用SolidWorks软件进行三维产品的参数化设计，使设计师们能够更好的通过SolidWorks的学习，了解并熟练掌握这一软件，从而加速产品的设计生产，减少设计周期与成本。通过介绍重要零部件的有限元仿真计算处理，对上吊装件进行了分析、计算、优化、处理，充分利用了SolidWorks的建模功能，克服了专业有限元分析软件的CAD功能较差的缺点，从而大大的提高了工程设计的效率，这些软件及方法对于大型工程机械、石油机械工业等的设计制造都有一定的现实意义。