機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的有限元軟件使用及實(shí)踐

摘要：隨著計算機(jī)軟硬件的不斷進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計可以采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行力學(xué)計算，減少樣機(jī)制造成本和試驗成本。本文以Solidworks Simulation和Abaqus為例，從靜力學(xué)、傳熱學(xué)、接觸等常用方面比較其在設(shè)計中的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，為設(shè)計者提供一定的有限元軟件選擇參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品 Solidworks Simulation Abaqus FEA 有限元分析

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0043-02

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中，常常以經(jīng)驗設(shè)計為基礎(chǔ)，缺乏充分的計算依據(jù)，其力學(xué)性能往往不合理。隨著計算機(jī)輔助技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過數(shù)值仿真方法進(jìn)行力學(xué)評估和樣機(jī)仿真，從而減少或避免了實(shí)物樣機(jī)的制造成本和現(xiàn)場試驗成本。目前有限元軟件中主要有通用的有限元軟件如：ansys、Abaqus[2]、nastran等；還有一些集成在三維CAD中的有限元分析插件模塊，如Solidworks中集成的Solidworks Simulation[1]有限元分析軟件，等等。設(shè)計者面臨繁多的軟件選擇和設(shè)計任務(wù)的矛盾，常常比較迷茫。設(shè)計者容易走向兩個極端：（1）不能有效評估有限元軟件的可靠性和精度，完全懷疑和抵制有限元軟件的有效性；（2）不加區(qū)分的過分相信主流的專業(yè)有限元軟件，而懷疑三維軟件的集成計算模塊的有效性和便利性。Solidworks Simulation直接在Solidworks環(huán)境中進(jìn)行快速分析，其功能能夠滿足常用設(shè)計計算的需求。abaqus是一個獨(dú)立的專門致力于有限元仿真的有限元產(chǎn)品，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜工況的分析，尤其擅長非線性分析等復(fù)雜問題，其計算速度和精度得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。本文同時采用了Solidworks simulation 和Abaqus軟件進(jìn)行了一些算例研究，對比其適用性，可作為設(shè)計者的使用選型參考。

1 力學(xué)模型和分析結(jié)果對比

通過Solidworks Simulation的模型輸出功能，其網(wǎng)格模型可以順利的轉(zhuǎn)入Abaqus進(jìn)行計算，并且其網(wǎng)格質(zhì)量完全滿足Abaqus質(zhì)量檢查要求，采用Abaqus四面體高階單元進(jìn)行計算，其精度較高。在Abaqus中需要檢查模型轉(zhuǎn)換的材料屬性單位，默認(rèn)被轉(zhuǎn)換為米制單位，因此其中力的單位為N，壓力或應(yīng)力的單位為Pa。采用以上模型進(jìn)行計算結(jié)果如下表3。

通過對以上應(yīng)力分布云圖的觀察和數(shù)值結(jié)果提取，靜力分析和傳熱熱分析的結(jié)果Solidworks Simulation 和 Abaqus幾乎得出相同的結(jié)果和應(yīng)力分布圖；接觸分析的結(jié)果中，Solidworks Simulation 和 Abaqus的結(jié)果有些差異。其對比如下表4：

通過比較，雖然接觸分析的最大Von mises應(yīng)力差異較小，但其接觸區(qū)域應(yīng)力分布明顯不一樣。通過提取銷軸非接觸區(qū)域（銷軸接觸區(qū)域背面）的應(yīng)力，Solidworks Simulation得出的最大應(yīng)力-195MPa，Abaqus得出的最大應(yīng)力-200MPa，其差異百分比-2.5%。依據(jù)圣維南原理，該處遠(yuǎn)離接觸區(qū)域，其應(yīng)力值受接觸約束影響較小，幾乎可按靜力結(jié)果比較，其比較結(jié)果有較大的可參照性，說明Solidworks Simulation在接觸區(qū)域總的傳力是正確的；通過觀察銷軸背部應(yīng)力的分布情況發(fā)現(xiàn)兩個軟件得出的結(jié)果較一致可以驗證這一點(diǎn)。

接觸模型求解效率比較。本文的模型中，靜力分析和傳熱分析采用兩種軟件分析均能在1min以內(nèi)得出結(jié)果，其差異較小；但在接觸分析中兩種軟件體現(xiàn)出較大的差異。Solidworks Simulation的接觸求解時間-117min，Abaqus的接觸求解時間-43min。

2 結(jié)語

（1）通過以上對比分析可以得出，Solidworks Simulation對靜力計算和傳熱計算等簡單問題能夠得到較滿意的結(jié)構(gòu)，設(shè)計中大多數(shù)是這樣的問題。因此，Solidworks Simulation能夠滿足工程設(shè)計的大多數(shù)情況的分析需求，設(shè)計者不必刻意追求高端產(chǎn)品。Solidworks Simulation較容易使用，稍加學(xué)習(xí)即可掌握，設(shè)計者可以以Solidworks Simulation的使用熟悉有限元分析的基礎(chǔ)，當(dāng)需要使用Abaqus等專業(yè)有限元軟件時可以較快的熟悉。（2）Abaqus能夠高效的解決復(fù)雜工況下的問題，當(dāng)設(shè)計者對Solidworks Simulation的結(jié)果有懷疑時，可以導(dǎo)入Abaqus計算或者在Abaqus中單獨(dú)建模計算，進(jìn)行對比分析。盡管Abaqus操作較Solidworks Simulation較為復(fù)雜，里面存在很多針對復(fù)雜工況的設(shè)置，但對于簡單的分析其操作還是相對較方便，設(shè)計者可以從簡單到復(fù)雜逐步學(xué)習(xí)。（3）有限元分析結(jié)果的正確與否主要取決于設(shè)計者對模型的正確理解，邊界條件是決定有限元分析結(jié)果的主要因素。對結(jié)果的判斷可以采用理論近似計算和定性分析，考察結(jié)果的大致數(shù)值量級和趨勢的合理性，甚至也可以采用實(shí)驗手段進(jìn)行校正。

參考文獻(xiàn)

[1] DS Solidworks公司.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程：2010版[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 石亦平.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.