基于SolidWorksSimulation的产品设计有限元分析（一）

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发表时间： 2015/3/20 作者: 陈永当*鲍志强*任慧娟*王钰鑫

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引言

有限元法（Finite Element Method，FEM）是将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元，每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权参量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。

Simulation作为嵌入式分析软件与
无缝集成，成为了顶级的销量产品。运用
Simulation，一般的工程技术人员就可以进行产品分析，并快速得到相应的计算、分析结果，从而极大地缩短了新产品的设计周期，降低了试验成本，提高了产品质量，并最终获得更大的利润。
Simulation能够提供丰富的计算与分析工具来对较复杂零件及装配体进行运算、测试和分析，其主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、产品设计及优化、线性与非线性分析等。

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Simulation有限元分析过程

有限元法的基本思路即，先把一个原来是连续的物体剖分成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。无论什么类型的有限元分析，其基本的求解步骤是相同的，不同的只是推导公式或运算过程的差别。

1.1 有限元分析方法的基本过程

①数学模型的建立。进行零件分析，首先会利用
进行零件实体建模，即构建零件的几何模型。然后，
Simulation需要对几何模型进行网格划分，即将该几何模型划分为适度小的有限单元。为此，通常情况下，该几何模型都需要被修改，以达到上述有限元网格划分的需要。

②有限元计算模型建立。有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求，建立合适的、能模拟实际结构的有限元模型。数学模型建立后，将使用连续体离散化方法，将模型进行网格划分。这时，零件实体几何模型就被图形处理为网格模型。此外，模型网格化处理时，其上施加的载荷也相应的被离散化处理，然后施加到有限元网格节点上。

③有限元计算模型的求解。有限元计算模型建立后，使用
Simulation求解器得到作序数据。

④结果分析。结果分析非常重要，也很困难。
Simulation分析工具提供了非常详实的数据，这些数据可以表示为各种格式。因此，必须熟悉并理解各种假设、约定以及前三步中产生的误差，才能正确解释结果。

1.2
Simulation的使用过程

上文阐述了
Simulation的基本过程，在solidworks Simulation的实际应用中，一般会遵循如下过程：算例创建→材料使用→约束添加→载荷施加→网格划分→运算分析→结果分析。

2 SolidWorks SimulationXPress应力分析

SolidWorks SimulationXPress是一个与SolidWorks完全集成的初级设计分析系统。它提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。它提供了多种捆绑包，凭借着快速解算器的强有力支持，能够支持个人计算机快速解决大型问题。SimulationXPress能够有效降低对新产品的实体测试费用，进而降低产品成本，并缩短产品开发及投入市场的周期。而且，SimulationXPress支持多实体计算分析。对于多实体零件，可一次分析一个实体；对于装配体，可一次分析一个实体的物理模拟效应；不支持曲面实体。

SolidWorks SimulationXPress通过详细的操作向导引导设计人员进行模型计算、分析。文中以“手机壳”零件为例进行建模、分析，来具体探讨SimulationXPress的基本功能。

选择SolidWorks系统菜单栏中的“工具”→“SimulationXPress”命令，运行SimulationXPress操作向导。首先应指定系统所使用的单位制以及文件存储位置，然后再开始模型运算、分析。具体过程如下：

①材料使用。可以利用SimulationXPress工具指定产品材质，也可以在产品建模时确定所需材料。

②约束添加。在系统的“约束”设定窗体上，可以添加约束。约束可以添加到多个面上，而且作用于每个面的各个方向上。运算分析时，被约束的面必须至少有一个，否则可能因刚性实体运动而导致最终分析失败。

③载荷施加。在系统的“载荷”设定窗体上，可以设定载荷类型。比如，需要施加“压力”载荷，则在图形工作区中，选定载荷的施加面，设定的力的数值将被应用于所有面。如果需要改变力的方向，则勾选“反转方向”，即可按需完成载荷的施加，如图1所示。

图1 “手机壳”的载荷施加