基于SolidWorks的梁的彎曲變形仿真實驗設(shè)計

摘 要：應(yīng)用機械設(shè)計軟件SolidWorks的COSMOSXpress工具對梁的彎曲變形進行仿真實驗，通過對梁進行有限元分析，直觀的驗證了梁發(fā)生彎曲變形時的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，為改進梁的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計提供了簡便易行的有效手段。

關(guān)鍵詞：SolidWorks COSMOSXpress 仿真實驗 應(yīng)力分析 有限元

中圖分類號：TH114 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0032-01

仿真是利用模型復(fù)現(xiàn)實際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對模型的實驗來分析研究系統(tǒng)。仿真與數(shù)值計算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實驗技術(shù)。仿真實驗與物理實驗相比，能夠極大縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計效率。借助計算機仿真對懸臂梁發(fā)生彎曲變形進行仿真實驗，既可以直觀的了解梁的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，還能在對其應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化設(shè)計，為梁的彎曲變形研究提供了簡便可靠的有效手段。

1 仿真實驗設(shè)計思路

仿真的重要工具是計算機和仿真軟件。仿真的過程包括建立仿真模型和進行仿真實驗兩個主要步驟：即借助三維機械設(shè)計軟件SolidWorks進行建模，并應(yīng)用其插件COSMOSXpress工具對模型進行應(yīng)力分析，真實直觀再現(xiàn)梁的彎曲變形物理過程。

2 仿真實驗方法與步驟

2.1 三維建模

在三維機械設(shè)計軟件SolidWorks環(huán)境下建立懸臂梁的立體模型并指定材料（COS MOSXpress自帶材料庫，可以根據(jù)需要選擇），如普通碳鋼，截面自行設(shè)計采用工字型鋼（圖1）。

2.2 設(shè)定約束條件

懸臂梁一端受到固定端約束，固定端約束使懸臂梁不能產(chǎn)生任何方向的移動與轉(zhuǎn)動，受到的是空間力系的作用，自由度為零；另一端是自由端，如圖2所示。

2.3 施加載荷

工程實際中梁所承受的載荷形式多種多樣，其中均布載荷較為常見，現(xiàn)將100kN的載荷沿整個梁長均勻分布在梁的上端面，如圖3所示。

2.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析即分析和求解結(jié)構(gòu)內(nèi)各點的應(yīng)力和應(yīng)力分布的方法。應(yīng)力分析主要用于確定與結(jié)構(gòu)失效有關(guān)的危險點部位的峰值應(yīng)力和應(yīng)變。SolidWorks為零件的應(yīng)力分析提供了COSMOSXpress工具，COSMOSX press基于有限元分析方法原理，會自動對模型進行網(wǎng)格劃分，即將整個模型劃分為更加細小的、更易于分析的塊，這些塊稱為元素。經(jīng)過對元素進行數(shù)值計算，得到所建模型的應(yīng)力分布圖（圖4）和數(shù)據(jù)分析結(jié)果（表1）。從應(yīng)力分布圖中可以清晰直觀的看到梁在均布載荷的作用下發(fā)生彎曲變形時，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在固定端約束處：距離固定端越遠，應(yīng)力越大，從而驗證了在工程力學理論推導中得到的關(guān)于彎曲應(yīng)力分布規(guī)律的結(jié)論。另外，通過分析比較固定端約束處最大應(yīng)力為359.9Mpa，而碳鋼材料的屈服強度是220.6Mpa，據(jù)此可計算出該梁安全系數(shù)為0.557，所以該結(jié)構(gòu)強度不足有待改進，從圖4中可以輕易找到梁的危險區(qū)域及其所在位置，為進一步改進結(jié)構(gòu)和進行優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和可行方案。

3 結(jié)論

計算機仿真實驗為解決大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的分析計算提供了科學有效的可行方案，當所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。計算機仿真實驗的優(yōu)點在于不但能夠替代昂貴的現(xiàn)場測試，而且還為工程技術(shù)人員在第一時間對結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化設(shè)計提供了有力的支撐。

參考文獻

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