利用SOLIDWORKS Simulation优化结构圆角的设计

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利用SOLIDWORKS Simulation优化结构圆角的设计

摘要：通常情况下，设计师在设计产品结构时需要考虑局部应力集中的问题，为了避免应力集中，结构需要做圆角过渡。那么倒圆角的大小多少是合适的，需要设计师进行验证。接下来我们就利用SOLIDWORKS Simulation工具来进行阶梯轴轴肩处过度圆角的优化设计。
关键字：有限元仿真 应力集中 网格细化
项目描述：结构3D模型如图一所示。为了简化计算，模型为结构的1/4部分。针对图中标记部分做圆角优化设计。为了能够完整说明Simulation的功能，我们将采用无圆角和有圆角两种情况下进行模拟。

图一
情形一：无圆角模拟分析，设置整体网格大小为5mm，网格划分结果如图二所示：

图二
边界条件及仿真结果如图三所示：

图三
图中红色标记的位置应力较大，由于该处为直角过度，在仿真过程中该点的结果是不收敛的，我们可以利用Simulation 2017的新功能应力热点诊断工具来检测结构中哪些区域的应力结果是不真实的。
在结果选项中右击鼠标，选择应力热点诊断，设定灵敏度因子，运行诊断，如图四。

图四
检测结果如图五所示，在轴肩处的应力结果是由于数值分析中应力奇异性造成的不准确结果。如果在该处不断地细化网格，得到的应力结果会越来越大。在实际工程应用中由于过渡处不可能是完全的直角，所以不会出现类似的情况。利用应力热点诊断工具可以非常有效、方便的判定结果的真实性。

图五
情形二：圆角大小为2mm，划分整体网格大小为5mm，仿真计算结果如图六所示：

图六
利用应力热点诊断工具结果显示无应力热点，可以判定仿真结果是有效的。圆角处最大应力为721MPa。但是由于圆角处网格太大，该处的应力计算结果和真实的结果误差较大，我们需要细化圆角处的网格以计算出该处真实的应力。
情形三：圆角网格大小为2mm，划分整体网格大小为5mm，仿真计算结果如图七所示：

图七
随着圆角处网格的细化，最大应力增加到828MPa，增加了约15%。继续细化圆角网格为1mm，仿真计算结果如图八所示：

图八
结果显示最大应力为917MPa，增加了约11%。再次细化圆角网格为0.5mm，仿真计算结果如图九所示：

图九
最大应力为908MPa，应力变化约为1%。再次细化圆角网格为0.2mm，仿真计算结果如图十所示：

图十
两次结果基本一致，判定仿真已经收敛。由于圆角处应力约为904MPa，远远高于材料的屈服强度。我们需要对结构进行优化设计。利用Simulation优化设计功能可以快速自动的计算优化结果。新建设计算例，设定优化条件如图十一所示：
变量设置为圆角尺寸，变化范围为2mm~10mm，步长为1mm。约束条件设置为结构最大应力不允许超过600MPa，优化目标设置为结构质量最小。

图十一
设置完成后点击运行，软件会自动计算不同情形下的仿真结果，并给出符合目标的最佳结果，如图十二所示：

图十二
计算结果显示当轴肩处圆角为7mm时，结构符合预期设计目标。
总结：
 可以利用Simulation 2017新功能——应力热点诊断判断结构应力的有效性；
 随着网格的不断细化，圆角处的应力从715MPa增加到904MPa并趋于收敛，在进行仿真分析时需要对应力集中的区域细化网格已达到收敛的结果；
 使用Simulation优化工具可以自动优化结构，节约时间。