SOLIDWORKS Simulation工程实例详解——静力、疲劳、优化

本书主要从工程应用角度介绍有限元分析的应用问题，以仿真思路的讲解为核心，结合软件功能、操作流程以及模型简化等内容进行展开，力求还原学习者和工程师在实际项目过程中可能遇到的问题。本书主要内容包括力学建模、零件静力学分析基础、网格划分、一般装配体的连接及接触问题、边界条件和圣维南原理的应用、单元和自由度、金属疲劳强度分析、优化设计。

本书提供了丰富的案例模型，并且配备了电子版彩色云图以及有声教学视频，以帮助读者更好地理解本书内容。本书适合从事工程应用的工程技术人员以及高等院校、职业技术院校的师生使用。

本书以仿真思路的讲解为核心，结合软件功能、操作流程以及模型简化等内容进行展开，

力求还原学习者和工程师在实际项目过程中可能遇到的问题。例如，本书将读者比较熟知的有

限元分析软件操作流程 [数学模型修正、分析类型选择、材料加载、边界条件（固定、载荷和接触）、网格划分、求解、后处理 ]中的几个部分改为数学模型修正思路、边界条件加载思路、网格划分思路以及后处理思路。

本书在一些内容上进行了重新的构建和剖析。例如：对数学模型的第一步处理习惯上称为数学模型简化，但是实际上简化只是模型处理的一部分，有些时候也可能因为分析需求修改模型尺寸、调整装配位置等，这部分工作并不能归纳为模型简化，因此本书将分析流程的第一步改为数学模型修正；第 3章在网格划分部分重点介绍网格划分中的错误排查方法；第 5章从工程应用的角度对圣维南原理进行剖析和解释，纠正目前一些概念理解上的偏差和简化上的误用；

第 7章从企业应用的角度讲解有限元分析疲劳模块等。

读者在使用本书的过程中要特别注意 SOLIDWORKS Simulation软件和有限元分析技术的区别，尤其是在介绍某种方法时，如果定义为有限元分析，则说明该方法是针对所有有限元分析软件，而非仅仅针对 SOLIDWORKS Simulation软件。

本书充分考虑到读者学习的需求，除配有原始三维模型、操作视频外，还配有电子版彩色

云图和设置完整的仿真算例，方便读者学习。本书案例计算时间所对应的计算机配置如无特别说明见下表。

CPU 内存 显卡 主板

i7-10700 32GB P2200 华硕 B460M-N

本书的模型经过精心筛选，复杂程度处于中上水平，部分模型的计算需要花费一些时间，对读者掌握实际复杂模型的分析方法具有一定帮助。本书的适用群体不是某一类学历的读者，也不是某一款软件的使用者，而是针对现在或者未来需要从事结构设计的人员，尤其是希望将有限元分析作为一项技能以帮助自身提升设计研

发能力的工程师群体。

感谢前达索系统 SOLIDWORKS大中国区技术总监，现华天软件技术总监胡其登先生为本书出版提供的帮助，并亲自为本书写序！感谢 SOLIDWORKS仿真产品技术经理彭军先生对本书的指导和协助！感谢王聪先生为本书插图提供的帮助！感谢广大同行在本书写作期间给予的支持！

基于当前有限元分析的整体环境，以及作者本人的行业局限性，书中某些观点可能会引起争论，但是很多技术方法的进步总是在不断的争论和探讨中迸发而出的，所以非常希望读者能够保持热情，以及辩证客观的学习态度，若发现书中的不足之处，欢迎大家指正！

序

前　言

1.1　力学建模的基本概念1

1.2　有限元分析流程2

1.2.1　可行性方案制定3

1.2.2　数学模型假设6

1.2.3　数学模型的修正及迭代6

1.3　定性分析和定量分析6

1.3.1　错误和误差6

1.3.2　数值解和解析解7

1.3.3　定性分析和定量分析的区分7

1.3.4　误差来源8

1.4　有限元分析的价值8

1.5　仿真工程师的职责9

1.6　有限元分析技术的发展史以及 SOLIDWORKS Simulation介绍9

1.6.1　有限元理论的发展史9

1.6.2　有限元分析软件的发展史10

1.6.3　 SOLIDWORKS Simulation及设计仿真一体化12

2.1　学习前的准备工作16

2.1.1　模型下载16

2.1.2　插件激活17

2.1.3　SOLIDWORKS Simulation的设置18

2.2　零件静应力分析的基本操作22

2.2.1　分析案例：吊具 22

2.2.2　分析操作流程说明22

2.2.3　案例操作22

2.2.4　后处理29

2.3　材料力学的相关概念及结果解读32

2.3.1　分析案例：传动链支撑法兰32

2.3.2　案例操作32

2.3.3　材料力学的相关概念36

2.3.4　安全系数和屈服准则41

2.3.5　材料参数对计算结果的影响44

2.3.6　载荷对计算结果的影响47

2.4　小结与讨论49

3.1　有限单元法的离散化思想50

3.1.1　离散化数学思想50

3.1.2　割圆术51

3.1.3　有限元分析中的单元类型52

3.2　网格精度的判定及控制54

3.2.1　分析案例： T型推臂 54

3.2.2　案例操作54

3.2.3　网格无关性检查59

3.2.4　应力集中60

3.2.5　局部网格控制62

3.2.6　位移结果和网格密度的关系66

3.3　应力奇异 66

3.3.1　分析案例： T型支架66

3.3.2　案例操作67

3.3.3　应力奇异的三种常见情况 70

3.3.4　网格品质检查75

3.4　网格划分报错77

3.4.1　分析案例：踏板78

3.4.2　网格错误排查方法79

3.4.3　基于曲率的网格83

3.5　自适应网格技术 84

3.5.1　自适应网格技术介绍84

3.5.2　分析案例： T型推臂自适应分析 84

3.5.3　自适应网格技术的局限性 87

3.6　小结与讨论：关于结构仿真中四面体单元和六面体单元的讨论 87

4.1　接触和接头形式介绍 90

4.2　复杂装配体分析92

4.2.1　分析案例：电机支架 92

4.2.2　分析思路整理 92

4.2.3　案例操作93

4.2.4　后处理103

4.2.5　位移结果的网格无关性检查107

4.3　螺栓简化 108

4.3.1　螺栓接头的数学模型 108

4.3.2　紧密配合的设置 110

4.3.3　实体螺栓的简化方法111

4.3.4　地脚螺栓的简化方式—固定 114

4.3.5　虚拟壁和地脚螺栓的应用 116

4.3.6　预紧力设置 118

4.3.7　案例思路总结 120

4.4　静应力分析 120

4.4.1　“静”的概念120

4.4.2　分析案例：三点弯实验121

4.4.3　刚体运动 126

4.4.4　微小力的处理方法 127

4.4.5　零件之间的间隙及穿透问题 131

4.5　实体焊接 134

4.5.1　分析案例：焊接立柱134

4.5.2　全局接触136

4.5.3　兼容网格和不兼容网格 137

4.5.4　接触优先级问题 140

4.6　小结与讨论：复杂装配体分析思路梳理 141

5.1　均布载荷问题 42

5.1.1　分析案例：工作台载荷简化142

5.1.2　模型简化方案 146

5.2　圣维南原理 152

5.2.1　一般对称问题 152

5.2.2　分析案例：轮毂153

5.2.3　圣维南原理介绍 161

5.3　赫兹接触和平面问题 162

5.3.1　赫兹接触 162

5.3.2　分析案例：圆柱体挤压 163

5.3.3　平面问题164

5.3.4　结果统计及案例小结 167

5.4　弹簧计算及子模型 168

5.4.1　分析案例：拉伸弹簧 168

5.4.2　结构非线性 171

5.4.3　子模型174

5.4.4　不确定因素的处理177

5.5　大转动177

5.6　小结与讨论：解算器及其性能测试 179

6.1　杆梁、壳及实体单元 181

6.1.1　分析案例：简支梁181

6.1.2　壳单元 184

6.1.3　杆梁单元189

6.2　约束和自由度194

6.2.1　自由度的概念194

6.2.2　壳单元及杆梁单元的约束形式 196

6.2.3　简支梁的实体单元约束形式200

6.3　远程位移的应用202

6.4　混合单元分析问题207

6.4.1　分析案例：控制柜 207

6.4.2　三向重力检查法213

6.4.3　壳单元和梁单元应力结果的说明 216

6.5　小结与讨论：有限元分析结果的验证 217

7.1　金属疲劳失效理论 218

7.1.1　金属疲劳发展简史 218

7.1.2　金属疲劳的基本知识 219

7.1.3　SOLIDWORKS Simulation疲劳模块220

7.2　周期性疲劳事件220

7.2.1　分析案例：弹簧周期性疲劳事件 221

7.2.2　S-N曲线225

7.2.3　疲劳结果说明 228

7.2.4　疲劳分析的“悖论” 232

7.2.5　周期载荷组合工况234

7.3　非周期载荷疲劳235

7.3.1　雨流计数法235

7.3.2　分析案例：弹簧非周期变幅载荷疲劳 236

7.3.3　平均应力修正对计算结果的影响 239

7.4　装配体疲劳分析241

7.4.1　分析案例：三点弯实验 241

7.4.2　疲劳仿真的企业现实问题 243

7.5　小结与讨论：雨流计数法和雨流计数箱的工作原理 243

8.1　优化设计介绍 246

8.2　尺寸优化 247

8.2.1　SOLIDWORKS的参数化建模 248

8.2.2　分析案例：绞龙 249

8.2.3　分析案例：绞龙优化256

8.2.4　响应曲面设计法 263

8.3　拓扑优化264

8.3.1　分析案例：带孔板拓扑优化 265

8.3.2　案例操作265

8.4　小结与讨论：设计仿真一体化 271