基于Solidworks的梁變形分析

摘 要:《機(jī)械基礎(chǔ)》是工科學(xué)生很重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，本文從機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的角度出發(fā)，探討了以先進(jìn)三維設(shè)計軟件Solidworks為手段進(jìn)行梁的虛擬分析，以輔助教學(xué)，三維設(shè)計軟件在教學(xué)中的應(yīng)用增加了學(xué)生對部分知識的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性方面起著積極的作用。

關(guān)鍵詞:Solidworks simulation 梁 彎曲

中圖分類號:TG501\t\t文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A\t\t\t文章編號:1672-3791(2011)10(a)-0190-02

《機(jī)械基礎(chǔ)》是高職機(jī)械(機(jī)電)類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，由于本課程的理論知識較多，課堂教學(xué)難免會枯燥乏味，因此大多數(shù)學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣，無法達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，在職業(yè)教育快速發(fā)展的今天，如何讓底子薄、學(xué)習(xí)能力差的高職學(xué)生自主學(xué)習(xí)，以提高該門課程的學(xué)習(xí)效果，是呈現(xiàn)在老師面前至關(guān)重要的課題。例如在材料力學(xué)基礎(chǔ)知識中，梁在外力作用下產(chǎn)生的彎曲變形及應(yīng)力應(yīng)變分布變化，一直是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，若能將梁的受力與梁應(yīng)力分布的關(guān)系形象生動的展現(xiàn)出來，會加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解和掌握，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助制造技術(shù)的迅速發(fā)展，先進(jìn)的三維設(shè)計、制造方式正在工程界迅速的發(fā)展和推廣。本文在此利用solidworks軟件及其插件simulation來實現(xiàn)梁受力分析方法。

1 Solidworks軟件簡介

功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Solidworks開發(fā)商和世界許多著名軟件公司都有合作伙伴關(guān)系，使之成為一個完全開放的系統(tǒng)，為后續(xù)虛擬加工、有限元分析、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等提供必要的信息。SolidWorks對每個使用者來說，操作簡單方便、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，使用直觀，界面友好。它包括零件設(shè)計、二維工程圖的自動生成、零件虛擬裝配以及強(qiáng)大的分析功能[1]。

SolidWorks Simulation是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。SolidWorks Simulation可進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。其分析結(jié)果可以直觀地顯示在solidworks的設(shè)計模型上，為設(shè)計工程師提供比較完整的分析手段[2]。

2 Solidworks在教學(xué)中的應(yīng)用

講授構(gòu)件承載能力時，利用SolidWorks 中提供的simulation功能，可以將構(gòu)件在承載情況下產(chǎn)生的應(yīng)力及變形分布分析出來，并生成相應(yīng)的分析圖，此功能操作簡單，分析準(zhǔn)確，出圖清晰，完全可以在材料力學(xué)的教學(xué)中借鑒引用，下面就圖1所示的梁的受力簡圖為例，來說明利用SolidWorks Simulation中模擬梁承載情況，并作出分析結(jié)果以輔助教學(xué)，幫助學(xué)生更好地理解安全系數(shù)、應(yīng)力、零件載荷參數(shù)、零件結(jié)構(gòu)尺寸及材質(zhì)的關(guān)系。假定梁截面為15×20mm的矩形梁，材料為普通碳素鋼，分析步驟如下。

(1)在solidworks中構(gòu)建梁的等效模型，如圖2所示。

(2)生成算例，為算例命名為“算例1”，并定義其分析類型為“靜態(tài)分析”。

(3)定義材料屬性。設(shè)置梁的材質(zhì)為普通碳素鋼，其屈服應(yīng)力為220Mpa。

(4)指定約束和載荷。為A端的約束設(shè)定為固定幾何體(不可移動)，為B端的約束設(shè)定為固定幾何體(使用參考幾何體)，并按圖1所示梁上的外力分布情況添加外部載荷，并設(shè)定對應(yīng)大小的數(shù)值。模型受力模型如圖3所示。

(5)網(wǎng)格化模型。將模型劃分為許多稱作單元的小塊。在分析的初期，近似結(jié)果若足以滿足需要，因此可以指定較大的單元大小來提高解算速度。要想進(jìn)行更精確的解算，可能必須使用較小的單元大小。

(6)運(yùn)行研究。各項參數(shù)全部設(shè)定完之后，可以點(diǎn)擊運(yùn)行，來計算本次分析的結(jié)果。分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖6很形象地給出了梁在外載荷的作用下的變形趨勢(圖中變形比例為225倍)，最大應(yīng)力值發(fā)生在D處。經(jīng)分析比較剪力圖和彎矩圖，發(fā)現(xiàn)該梁D處的剪力雖不是最大，但D點(diǎn)出現(xiàn)了最大的彎矩，值為115N·m，從應(yīng)力分析圖上也可看出最大拉應(yīng)力在D+處為115Mpa，最大壓應(yīng)力在D-處為85Mpa，小于普通碳鋼220Mpa的屈服應(yīng)力。通過solidworks軟件引入課堂教學(xué)，讓課堂的內(nèi)容立刻豐富多彩，加深了學(xué)生對枯燥知識的學(xué)習(xí)興趣和對知識的理解。

3 結(jié)語

通過類似分析與講解，將安全系數(shù)分布圖也可以引入，使學(xué)生較容易理解安全系數(shù)的含義，并理解零件強(qiáng)度、承載載荷、梁橫截面面積之間的關(guān)系，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)然solidworks強(qiáng)大的功能完全可以滿足機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)中其他一些知識輔助教學(xué)的需要，可以將工科教學(xué)中很多抽象難以理解的知識變得形象、具體和生動起來，以達(dá)到提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]\t王久貴.SolidWorks三維設(shè)計軟件在“機(jī)械基礎(chǔ)”課程教學(xué)中的運(yùn)用[J].職教通訊，2010(11):102～104.

[2]\t呂文閣，等.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計中應(yīng)用有限元進(jìn)行強(qiáng)度分析的嘗試[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版)，2008(7):189～191.