1 Dassault Systmes Confidential Information SolidWorks Simulation Professional 課 程 2 Dassault Systmes Confidential Information SW Simulation Professional: 六 種 類 型 的 算 例 3 Dassault Systmes Confidential Information SolidWorks Simulation 簡介什么是Simulation? Simulation 是 一 種 基 于 有 限 元 分 析 技 術 （ FEA） 的 設 計 分 析 軟 件 。 它 是 第 一 款 為 Windows操 作 系 統(tǒng) 開 發(fā) 的 分 析 軟 件 ， 與 SolidWorks充 分 集 成 ， 已 經(jīng) 成 為 工 程 師 喜 愛 的 工 具 軟 件 。 SimulationExpress :對 一 些 具 有 簡 單 載 荷 和 支 撐 類 型 的 零 件 的 靜 態(tài) 分 析 。 Simulation Designer:對 零 件 或 裝 配 件 的 靜 態(tài) 分 析 ； Simulation Professional:對 零 件 或 裝 配 件 的 靜 態(tài) 、 熱 傳 導 、 扭 曲 、 頻 率 、 掉 落 、 優(yōu) 化 及 疲勞 分 析 。 Simulation Premium:上 述 功 能 加 上 非 線 性 和 高 級 動 力 學 。Simulation 分 析 步 驟 1、 預 處 理 ： 定 義 分 析 類 型 、 材 料 屬 性 、 載 荷 及 約 束 ， 并 將 模 型 劃 分 為 有 限 單 元 ； 2、 求 解 ： 計 算 所 需 要 的 結 果 ； 3、 后 處 理 ： 分 析 結 果 及 生 成 報 告Simulation 的 單 元 類 型 1、 一 階 實 體 四 面 體 單 元 ； 2、 二 階 實 體 四 面 體 單 元 ； 3、 一 階 三 角 形 殼 單 元 4、 二 階 三 角 形 殼 單 元 5、 橫 梁 單 元 。 4 Dassault Systmes Confidential Information SolidWorks Simulation 簡介 Simulation Designer和Simulation Professional 的使用限制 1、 材 料 是 線 性 的 應 力 與 應 變 成 線 性 比 例 關 系 2、 小 變 形 相 對 結 構 的 整 體 尺 寸 來 說 很 小 ， 真 正 的 決 定 因 素 是 變 形 是 否 顯 著 地 改變 了 結 構 的 剛 度 。 Simulation Designer 具 有 分 析 大 位 移 的 能 力 ， 但 對 于 真 正 的 大 變 形 結 構 ， 必 須使 用 其 它 工 具 ， 如 Simulation Premium. 3、 靜 態(tài) 載 荷 所 有 的 載 荷 和 約 束 一 樣 ， 假 設 不 隨 時 間 改 變 。 這 個 條 件 意 味 著 加 載 過 程緩 慢 以 至 可 以 忽 略 慣 性 效 應 。 5 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1零 件 的 固 有 頻 率 6 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 主 題 固 有 頻 率 - 理 論 無 約 束 結 構 有 約 束 結 構 有 約 束 有 載 荷 結 構 7 Dassault Systmes Confidential Information 頻 率 分 析 靜 力 分 析 中 ， 節(jié) 點 位 移 是 主 要 的 未 知 量 。Kd=F 中 ， K為 剛 度 矩 陣 ， d為 節(jié) 點 位 移 未 知 量 ， F為 節(jié) 點 載 荷 的 已 知 量 。 每 種 結 構 都 有 他 固 有 的 振 動 頻 率 ， 稱 之 為 共 振頻 率 。 這 樣 的 頻 率 都 和 特 定 形 式 的 振 動 聯(lián) 系 在 一 起 。當 某 種 結 構 的 共 振 頻 率 被 激 活 時 ， 將 表 現(xiàn) 出 一 種 振動 的 形 態(tài) ， 稱 之 為 振 動 模 態(tài) 。 8 Dassault Systmes Confidential Information 頻 率 分 析 0 0其 中 M為 質(zhì) 量 矩 陣 ， C為 阻 尼 矩 陣 ， K為 剛 度 矩 陣 ；式 一 為 ： 有 阻 尼 交 迫 振 動 方 程 ， 式 二 為 ： 自 由 振 動 方 程如 果 外 載 荷 隨 時 間 變 化 的 非 常 慢 ， 會 怎 樣 ？ 如 果 外 載 荷 的 頻 率 明 顯 的 比 結 構 的 第 一 自 然 頻 率 低 的 話 ， 靜 態(tài) 假 設成 立 。 如 果 不 低 ， 就 需 要 一 個 動 態(tài) 分 析 去 檢 驗 結 構 是 否 共 振 9 Dassault Systmes Confidential Information 頻 率 分 析 現(xiàn) 實 中 ， 幾 乎 每 種 結 構 體 都 有 無 數(shù) 的 固 有 頻 率及 相 應 的 振 動 模 式 ， 然 而 在 動 態(tài) 載 荷 結 構 的 反 應 中 ，只 是 最 基 礎 的 幾 個 模 式 是 重 要 的 。 在 這 幾 個 低 頻 中 ，其 振 幅 一 般 較 大 ， 而 高 階 頻 率 所 對 應 的 模 式 中 ， 振幅 都 比 較 小 。 同 時 一 般 在 機 械 結 構 中 很 難 出 現(xiàn) “高頻 ”。 頻 率 分 析 就 是 計 算 這 些 共 振 頻 率 及 它 們 對 應 的振 動 模 式 。 10 Dassault Systmes Confidential Information 頻 率 分 析 在 頻 率 分 析 中 可 以 用 “對 稱 ”約 束 嗎 ? 不 推 薦 . 對 稱 約 束 會 忽 略 一 些 振 動 模 式 . 頻 率 分 析 我 們 得 到 了 什 么 ? 頻 率 值 和 變 形 模 式 沒 有 真 正 的 位 移 只 有 模 態(tài) 11 Dassault Systmes Confidential Information 音 叉 的 設 計 目 的 在 于 產(chǎn) 生 一 個 低 音 A (440 Hz) 邊 界 條 件 是 什 么 ? 載 荷 如 何 影 響 固 有 頻 率 Lesson 1: 說 明 12 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 結 果 有 約 束 模 式 形 狀(只 有 形 狀 ， 沒 有 變 形 大 小 ) 13 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 結 果 無 約 束注 意 ： 對 剛 體 模 式 的 頻 率 分 析 ， 必 須 使 用 FFEPlus解 算 器 ，Direct Sparse求 解 器 會 報 錯 14 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 結 果 加 載 荷注 意 ： 對 于 預 加 載 的 頻 率 分 析 ， 必 須 使 用 Direct Sparse（ 稀疏 解 算 器 ） ， FFEPlus求 解 器 會 報 錯 15 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 結 果 有 /無 約 束 頻 率 分 析 有 /無 約 束 的 比 較同 一 個 模 型 表 現(xiàn) 出兩 種 不 同 情 況 剛 體 模 式(沒 有 約 束 ) 16 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 1: 結 果 有 載 荷 外 載 荷 對 自 然 頻 率 的 影 響 壓 力 減 小 （ 拉 力 增 大 ） 共 振 頻 率 例 如 : 拉 緊 琴 弦 聲 調(diào) 提 高 ， 頻 率 升 高 載 荷 導 致 剛 度 改 變 ， 僅 影 響 自 然 頻 率 大 小 ， 模式 形 態(tài) 與 模 型 相 關 ， 不 會 隨 預 應 力 而 變 化 直 接 積 分 解 算 器 Direct Sparse不 適 用 于 剛 體 模 式 預 載 荷 的 頻 率 分 析 必 須 用 Direct Sparse解 算 器 17 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析1、 不 加 載 荷 的 頻 率 分 析 2、 帶 離 心 力 的 頻 率 分 析3、 考 慮 不 同 離 心 力 （ 轉(zhuǎn) 速 ） 下 的 頻 率 走 勢 18 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析1、 不 加 載 荷 的 頻 率 分 析 ： 固 定 內(nèi) 孔 19 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析 2、 帶 離 心 力 的 頻 率 分 析 ： 固 定 內(nèi) 孔 ， 轉(zhuǎn) 速 3000rpm/min 20 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析3、 考 慮 不 同 離 心 力 （ 轉(zhuǎn) 速 ） 下 的 頻 率 走 勢 ： 固 定 內(nèi) 孔 ，轉(zhuǎn) 速 3000rpm/min、 6000、 9000、 12000、 15000。求 解 頻 率 并 繪 制 圖 表 21 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析3、 考 慮 不 同 離 心 力 （ 轉(zhuǎn) 速 ） 下 的 頻 率 走 勢 ： 固 定 內(nèi) 孔 ，轉(zhuǎn) 速 3000rpm/min、 6000、 9000、 12000、 15000。求 解 頻 率 并 繪 制 圖 表 22 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 2: 風 扇 頻 率 分 析 23 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2 裝 配 體 的 固 有 頻 率 24 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2 主 題 遠 程 質(zhì) 量 代 替 真 實 部 件 頻 率 分 析 的 準 確 性 依 賴 于 裝 配 體 的 質(zhì) 量 用 恰 當 的 質(zhì) 量 和 慣 性 力 作 為 遠 程 “質(zhì) 點 質(zhì) 量 ” 代 替 發(fā) 動 機 頻 率 分 析 的 接 觸 設 置 結 合 或 自 由 25 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 無 穿 透 頻 率 分 析 不 允 許 無 穿 透 約 束 頻 率 分 析 需 要 恒 定 的 質(zhì) 量 和 剛 度 對 于 無 穿 透 接 觸 模 型 ， 變 形 量 決 定 剛 度 請 看 下 面 的 例 子 ： 26 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 剛 度 假 設 準 確 的 剛 度 很 難 得 到 (由 于 接 觸 ) 簡 化 要 求 較 柔 性 全 局 允 許 貫 通 較 剛 性 結 合 允 許 穿 透 + 連 接全 部 接 觸 為 結 合 較 柔 性 方 案較 剛 性 方 案 27 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 剛 度 假 設 圖 示 的 上 下 滑 軌 為 相 切 （ 零 接 觸 ） ， 必 須 手 動 定 義 相 應的 面 為 結 合 ， 否 則 沒 有 約 束 ， 發(fā) 生 剛 體 模 式 （ 自 由 平動 ） ， 結 果 錯 誤 ， 或 運 算 停 止 全 部 接 觸 為 結 合 28 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 遠 程 質(zhì) 量 全 部 慣 性 力 施 加 到 質(zhì) 量 中 心 承 載 面 在 質(zhì) 點 和 模 型 其 他 部 分 之 間 對 力 等 效 真 實 的 安 裝 位 置 點承 載 面 29 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 結 果 全 部 結 合 結 合 和 自 由 (連 接 點 ) 30 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 2: 結 果 結 合 和 自 由 -自 做全 部 結 合 -原 算 例全 部 結 合 -自 做 結 合 和 自 由 -原 算 例 31 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 3屈 曲 分 析 32 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 3: 屈 曲 現(xiàn) 象 屈 曲 是 指 在 壓 力 作 用 下 突 然 的 大 變 形 屈 曲 分 析 包 括 ： 線 性 屈 曲 和 非 線 性 屈 曲 分 析 。 線 彈 性 失 穩(wěn) 分 析又 稱 特 征 值 屈 曲 分 析 壓 曲 臨 界 載 荷 系 數(shù) (BLF, l) 屈 曲 分 析 為 線 性 分 析 ， 對 于 結 果 應 該 謹 慎外 載 荷臨 界 壓 曲 載 荷l 33 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 3: 主 題 混 合 網(wǎng) 格 殼 、 梁 、 及 固 體 結 合 接 觸 的 混 合 網(wǎng) 格 靜 態(tài) 算 例 復 習 應 力 屈 曲 算 例 線 性 對 非 線 性 屈 曲 34 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 3: 屈 曲 載 荷 系 數(shù) (BLF, l)BLF數(shù) 值 屈 曲 狀 態(tài) 結 果 的 解 釋BLF1 沒 有 失 穩(wěn) 施 加 載 荷 小 于 臨 界 載 荷0BLF1 失 穩(wěn) 施 加 載 荷 超 過 臨 界 載 荷BLF=1 失 穩(wěn) 施 加 載 荷 等 于 臨 界 載 荷BLF=-1 沒 有 失 穩(wěn) 載 荷 為 拉 力 ， 如 果 方 向 反 向 將 失 穩(wěn)-1BLF0 沒 有 失 穩(wěn) 載 荷 為 拉 力 ， 如 果 方 向 反 向 失 穩(wěn)BLF 安 全 系 數(shù) 屈 曲 =4.3 39 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4熱 分 析 40 Dassault Systmes Confidential Information 熱 分 析 與 靜 力 分 析 比 較熱 力 學 分 析 和 結 構 分 析 的 相 似 點結 構 分 析 熱 分 析位 移 溫 度應 變 溫 度 梯 度應 力 熱 通 量載 荷 熱 源確 定 位 移 確 定 溫 度彈 性 支 撐 對 流 系 數(shù)彈 性 模 量 熱 導 率 41 Dassault Systmes Confidential Information 熱 分 析 熱 傳 遞 的 方 式熱 傳 遞 的 三 種 方 式 傳 導 對 流 輻 射 42 Dassault Systmes Confidential Information 熱 分 析 傳 導 T冷T熱熱 流 量 = - 熱 導 率 * 面 積 * 溫 度 梯 度 43 Dassault Systmes Confidential Information 材 料 熱 導 率 典 型 值 44 Dassault Systmes Confidential Information 熱 分 析 對 流 熱 流 = 對 流 系 數(shù) * 面 積 * 溫 差 對 流 分 為 ： 自 然 對 流 和 強制 對 流 45 Dassault Systmes Confidential Information 對 流 系 數(shù) 典 型 值媒 介 對 流 系 數(shù) h （ w/m2K）空 氣 （ 自 然 對 流 ） 5 - 25空 氣 /過 熱 蒸 汽 （ 強 制 對 流 ） 20 300油 （ 強 制 對 流 ） 60 - 1800水 （ 強 制 對 流 ） 300 6000水 （ 沸 騰 ） 3000 60000蒸 汽 （ 壓 縮 ） 6000 - 120000 46 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4: 主 題 , 說 明 邊 界 條 件 芯 片 產(chǎn) 生 25W的 熱 量 ； 插 接 腳 是 隔 熱 的 ；強 制 空 氣 對 流 ： 芯 片 對 流 系 數(shù) 100 W/(m2K)，散 熱 片 對 流 系 數(shù) 250 W/(m2K) ， 芯 片 與 散 熱 片用 膠 水 粘 接 ， 熱 阻 為 2.857e-006 (Km2)/W 四 個 算 例 穩(wěn) 態(tài) 熱 傳 導 瞬 態(tài) 熱 分 析 （ 階 梯 熱 載 荷 ）模 擬 300秒 的 溫 度 時 間 歷 史 。 熱 載 荷 在 0時 刻 加 載 完 畢 ， 并 保 持 。 瞬 態(tài) 熱 分 析 （ 變 化 熱 載 荷 ）模 擬 300秒 的 溫 度 時 間 歷 史 ， 熱 源 首 次 啟 動 時 開 始 計 時 ， 30秒 后 達 到 最 大 值 ， 在 隨 后 的 30秒 內(nèi) 有 逐 步 減 小 為 0。 瞬 態(tài) 熱 分 析 （ 恒 溫 器 控 制 的 熱 載 荷 ）模 擬 從 熱 源 啟 動 開 始 計 時 300秒 的 溫 度 時 間 歷 史 ， 但 是 在 本 例 中 ， 熱 源 被 恒溫 器 控 制 ， 以 保 證 芯 片 不 會 過 熱 。 47 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4: 熱 阻兩 個 固 體 在 一 起 的 表 面 ， 不 可 能 完 全 接 觸 。 因 為 他 們 表 面都 存 在 表 面 粗 糙 度 ， 所 以 在 接 觸 表 面 之 間 有 一 層 薄 薄 的 空氣 間 隙 。熱 阻 取 決 于 ： 平 面 度 表 面 粗 糙 度 接 觸 面 所 受 正 壓 力 接 觸 面 材 料 (油 脂 、 合 成 橡 膠 、 粘 接 劑 等 等 ) 典 型 熱 阻 值虛 焊 2.9 C/W油 脂 (0.08mm的 間 隙 ) 0.9 C/W合 成 橡 膠 (0.25mm厚 ) 1.8 C/W粘 接 劑 (0.23mm厚 ) 2.7 C/W 48 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4: 結 果 算 例 1穩(wěn) 態(tài) 熱 分 析 穩(wěn) 態(tài) tmax 接 近 190 oC.引 腳 末 端 溫 度 158 oC 49 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4: 結 果 算 例 2瞬 態(tài) 熱 分 析圖 表 采 樣 點 穩(wěn) 態(tài) 溫 度 為 158 oC 50 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 4: 結 果 算 例 3瞬 態(tài) 熱 分 析 熱 功 率 打 開 然 后 關 閉 51 Dassault Systmes Confidential Information 打 開 （ 關 閉 ） 檢 測 點 （ 選 擇 頂 點 ） 的 熱 功 率 或 熱 流 量 條件 。 得 到 的 結 果 將 少 量 超 出 目 標 溫 度 Lesson 4: 恒 溫 器 52 Dassault Systmes Confidential Information 瞬 態(tài) 溫 度 算 例 恒 溫 器 Lesson 4: 結 果 算 例 4監(jiān) 測 點約 束 溫 度 范 圍 53 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 5熱 分 析 -輻 射 54 Dassault Systmes Confidential Information 熱 分 析 輻 射 熱 輻 射 就 是 在 一 定 溫 度 下 ， 物 體 的 熱 能 通 過 電 磁 波 的 形 式向 外 發(fā) 射 的 過 程 。黑 體 ： 即 物 體 全 部 吸 收 投 射 來 的 各 種 波 長 的 熱 輻 射 能白 體 ： 即 表 示 全 部 反 射 輻 射 能 。 如 磨 光 的 銅 ， 反 射 率 可 達0.97透 熱 體 ： 物 體 對 投 射 來 的 熱 輻 射 既 不 吸 收 也 不 反 射 ， 而 是全 部 透 過 。 55 Dassault Systmes Confidential Information 各 種 類 型 的 輻 射 從 表 面 向 外 輻 射斯 特 藩 -玻 耳 茲 曼 常 量 ，其 值 為 5.67E-8 W/m2K4 輻 射 表 面 的 發(fā) 射 率 (材 料 的 輻 射 率 在 01之 間 )剖 光 鋁 ： 0.04-0.06 商 用 銅 ： 0.07剖 光 鋼 ： 0.52-0.56 鋼 （ 粗 糙 表 面 ） ： 0.95-0.98瓷 器 ： 0.92 表 面 溫 度 環(huán) 境 溫 度 發(fā) 射 率 （ 又 稱 熱 輻 射 率 、 黑 度 ） ： 物 體 通 過 表 面 向 外 輻 射 的 電 磁 能 與 同 溫 度 的 黑 體 在 相 同 條 件 下 所輻 射 的 電 磁 能 的 比 值 ， 因 此 也 叫 “比 輻 射 率 ”。 其 值 在 0與 1之 間 變 化 的 ，用 來 衡 量 物 體 輻 射 能 力 強 弱 的 數(shù) 值 。 56 Dassault Systmes Confidential Information 輻 射 類 型 表 面 到 表 面兩 個 面 之 間 的 熱 輻 射 傳 熱 取 決 于 ： 如 果 相 對 的 話 取 決 于 面 的 形 狀 面 的 相 對 方 向 兩 個 面 的 距 離 熱 輻 射 影 響 因 素一 小 部 分 熱 量 離 開 面 1到 面 2， 完 全 決 定 于 幾 何 形 狀 (物 體 2上 的 一 小 部 分 可 見光 來 自 物 體 1的 表 面 ) 輻 射 方 程 中 的 乘 數(shù) 輻 射 率 取 值 在 0到 1之 間凹 面 可 以 自 己 輻 射 到 自 己 。 平 面 和 凸 面 不 能 輻 射 到 自 己 。 凹 面 和 凸 面 的 效果 是 自 動 的 。 57 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 5: 主 題 , 要 點 穩(wěn) 態(tài) 輻 射 傳 熱 對 流 施 加 于 所 有 的 外 表 面 燈 泡 、 燈 泡 表 面 、 玻 璃 罩 和 外 部 環(huán) 境 之 間 的 輻 射 燈 泡 100瓦 問 題 描 述 ： 玻 璃 罩 上 的 接 觸 溫 度 是 多 少 ？ 58 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 5: 輻 射 條 件 在 一 些 面 上 的 輻 射 是 否 可 以 忽 略 （ 玻 璃 罩 外 表 面 ） ? 燈 泡 外 殼玻 璃 罩 內(nèi)表 面 玻 璃 罩 外表 面燈 泡 ：發(fā) 射 率 ： 0.7環(huán) 境 溫 度 ： 25外 殼 內(nèi) 表 面 ：發(fā) 射 率 ： 0.1環(huán) 境 溫 度 ： 25外 殼 外 表 面 ：對 流 系 數(shù) ： 50 W/(m 2K)環(huán) 境 溫 度 ： 315K (41 ) 59 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 5: 結 果 溫 度 分 布 60 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 6 熱 應 力 分 析 61 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 3 主 題 2D 簡 化 軸 對 稱 熱 算 例 ， 溫 度 靜 態(tài) 算 例 變 形 ， 應 力 3D 結 果 網(wǎng) 格 考 慮 62 Dassault Systmes Confidential Information 熱 應 力 ： 芯 片 裝 配目 的 溫 度 分 布 情 況 變 形 情 況條 件 裝 配 體 初 始 溫 度 298K25 ， 芯 片 產(chǎn) 生 5.26W熱 量 ， 墊 圈 表 面保 持 336.5K63 恒 溫 。 對 流 系 數(shù) 294W/(m2K)； 各 個 接 觸 表 面 用 膠 水 粘 接 ， 假 設 熱 傳 導 都 是 理 想 的 ， 即 熱 阻可 以 忽 略 ； 墊 圈 和 底 座 用 螺 栓 連 接 ， 用 螺 釘 連 接 ， 材 料 合 金 鋼 ， 六 角 頭直 接 10mm， 螺 桿 直 徑 6.35mm， 鉸 制 孔 用 螺 栓 ， 預 緊 力 90N。 63 Dassault Systmes Confidential Information 熱 應 力 ： 結 果 溫 度 分 布 64 Dassault Systmes Confidential Information 熱 應 力 ： 結 果位 移 von Mises 應 力 65 Dassault Systmes Confidential Information 熱 應 力 ： 討 論 熱 算 例 和 靜 態(tài) 算 例 的 接 觸 條 件不 同 ， 因 此 網(wǎng) 格 不 同 墊 圈 和 機 架 之 間 的 接 觸 條 件 該如 何 添 加 ？ 在 靜 態(tài) 算 例 中 這 個 接 觸 是 否 有效 ？ 66 Dassault Systmes Confidential Information 2D 簡 化平 面 應 力 平 面 變 形 軸 對 稱 67 Dassault Systmes Confidential Information 膨 脹 節(jié) 軸 對 稱3D 模 型 軸 對 稱 68 Dassault Systmes Confidential Information 熱 算 例 - 結 果2D 模 型 3D 結 果 69 Dassault Systmes Confidential Information 靜 態(tài) 算 例 負 載導 入 溫 度 負 載 70 Dassault Systmes Confidential Information 靜 態(tài) 算 例 載 荷對 稱 , 邊 緣 位 移 , 壓 力 71 Dassault Systmes Confidential Information 靜 態(tài) 算 例 熱 應 力 結 果位 移 72 Dassault Systmes Confidential Information 靜 態(tài) 算 例 熱 應 力 結 果應 力 減 小 負 載 或 設 計 變 更 是 必 要 的 73 Dassault Systmes Confidential Information 2D 與 3D 網(wǎng) 格 比 較2D 網(wǎng) 格25,600 個 節(jié) 點 3D 網(wǎng) 格 1,600,000個 節(jié) 點 74 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7疲 勞 75 Dassault Systmes Confidential Information 為 什 么 疲 勞 ？ 傳 統(tǒng) 設 計 考 慮 更 多 的 是 極 限 強度 ： 強 度 設 計 但 是 事 實 上 滿 載 的 靜 態(tài) 負 荷 是很 少 見 的 ； 往 往 變 載 荷 較 常 見 設 計 者 更 應 該 關 注 “生 命 設 計 ”而 不 是 “強 度 設 計 ” 如 果 物 體 經(jīng) 常 處 于 載 荷 不 斷 加載 和 卸 載 的 變 動 中 ， 即 使 物 體所 承 受 的 應 力 在 許 可 范 圍 之 內(nèi) ，也 會 突 然 遭 受 破 壞 ， 這 種 現(xiàn) 象稱 為 疲 勞 76 Dassault Systmes Confidential Information 疲 勞 的 產(chǎn) 生 過 程 階 段 1： 材 料 中 出 現(xiàn) 一 處 或 多 處 裂 紋 。 裂 紋 可 能 出 現(xiàn) 在 材 料的 任 何 位 置 ， 但 通 常 會 出 現(xiàn) 在 物 體 表 面 上 ， 因 為 這 些 地 方存 在 更 高 的 應 力 波 動 。 裂 紋 的 出 現(xiàn) 由 很 多 因 素 引 起 ， 如 材料 晶 體 結 構 不 完 美 ， 物 體 表 面 因 為 工 具 或 裝 卸 時 被 刮 擦 。 階 段 2： 由 于 持 續(xù) 加 載 ， 導 致 部 分 或 所 有 裂 紋 萌 生 。 階 段 3： 設 計 產(chǎn) 品 的 抵 抗 能 力 會 不 斷 惡 化 ， 最 終 發(fā) 生 破 壞 由 于 設 備 的 表 面 暴 露 在 各 種 不 同 的 環(huán) 境 中 （ 如 濕 氣 ， 鹽堿 ） ， 通 常 也 是 應 力 最 高 的 部 位 ， 這 些 部 位 也 是 裂 紋 最 容易 形 成 并 開 始 拓 展 的 地 方 。 因 此 加 固 表 面 以 及 提 高 表 面 質(zhì)量 ， 可 以 提 高 疲 勞 壽 命 。疲 勞 的 產(chǎn) 生 位 置 77 Dassault Systmes Confidential Information 高 、 低 疲 勞 周 期 高 周 疲 勞 ： 交 變 應 力 的 大 小 適 中 ， 在 材 料 中 幾 乎 不 產(chǎn) 生 或只 產(chǎn) 生 很 小 的 塑 性 變 形 。 處 于 這 種 載 荷 下 的 零 件 ， 在 疲 勞失 效 前 可 以 承 受 數(shù) 千 到 幾 百 萬 次 的 循 環(huán) 。 通 常 用 應 力 -壽 命（ S-N） 法 進 行 描 述 。 低 周 疲 勞 ： 交 變 應 力 具 有 很 高 的 數(shù) 值 ， 并 產(chǎn) 生 顯 著 的 塑 性變 形 。 由 于 應 力 水 平 較 高 ， 零 件 經(jīng) 過 較 少 的 周 期 載 荷 而 失效 。 基 于 應 變 -壽 命 的 方 法 適 合 此 類 問 題 。 這 需 要 特 定 程 序處 理 ， 目 前 simulation不 包 括 此 內(nèi) 容 78 Dassault Systmes Confidential Information S-N 曲 線 (應 力 -壽 命 曲 線 ) 反 復 加 載 后 失 效 最 大 應 力 小 于 材 料 的 屈 服 應 力 材 料 測 試 重 復 的 循 環(huán) 載 荷 使 幾個 測 試 樣 品 失 效 。S-N 曲 線 用 不 同 的 應 力 進 行 多次 循 環(huán) 載 荷 直 到 失 效 .（ 每 個 應力 點 重 復 5-10次 ， 取 平 均 值 ） 79 Dassault Systmes Confidential Information 雙 對 數(shù) ： S-N曲 線 X軸 與 Y軸 分 別 代表 循 環(huán) 數(shù) 和 應 力 值 的 對 數(shù) 。 程 序 將 應力 值 45000的 對 數(shù) 應 用 線 性 插 值 。 循環(huán) 數(shù) 為 103.944=8790半 對 數(shù) ： S-N曲 線 X軸 代 表 循 環(huán) 數(shù) 的對 數(shù) ， 而 Y軸 代 表 應 力 大 小 。 在 應 力值 為 45000時 ， 程 序 運 用 線 性 插 值 并計 算 出 循 環(huán) 數(shù) 104=10 000線 性 ： S-N曲 線 X軸 與 Y軸 分 別 代 表循 環(huán) 數(shù) 和 應 力 值 。 在 應 力 為 45000時 ，線 性 插 值 計 算 出 循 環(huán) 數(shù) 為 50500 S-N 曲 線 插 值 (應 力 -壽 命 曲 線 插 值 )循 環(huán) 數(shù) N 1000=103 100 000=105交 變 應 力 S 50 000psi 40 000psi 80 Dassault Systmes Confidential Information 循 環(huán) 次 數(shù) , N疲 勞 曲 線 （ S-N） 高 周 疲 勞 和 低 周 疲 勞典 型 的 S-N 曲 線 是 在 對 數(shù) 坐 標 下 表 現(xiàn) 的 分 析 高 周 疲 勞 (多 于 100,000 次 循 環(huán) ) 81 Dassault Systmes Confidential Information 破 壞 累 積 的 理 論 損 壞 系 數(shù) 當 施 加 應 力 S1時 ， 對 應 曲 線 中 的 循 環(huán) 次數(shù) 為 N1 。 也 就 是 說 零 件 受S1的 應 力 加 載 一 次 ， 損 壞系 數(shù) 就 是 1/N1 在 S1的 應 力 水 平 下 循 環(huán) L1次 的 損 壞 系 數(shù) 為 L1/N1 此 規(guī) 則 稱 為 線 性 損 壞 規(guī) 則或 米 勒 準 則 （ Miner） 當 損 壞 系 數(shù) 達 到 1時 ， 由 于疲 勞 引 起 失 效 。 82 Dassault Systmes Confidential Information 線 性 破 壞 準 則 米 勒 準 則 線 性 破 壞 準 則 。 假 設 ： 忽 略 載 荷 加 載 次 序 損 壞 由 循 環(huán) 應 力 造 成 ， 不 依 賴 于 載 荷 加 載 的 先 后順 序 。 損 壞 累 積 比 率 不 依 賴 于 應 力 水 平 。 在 疲 勞 算 例 的 屬 性 中 ， 當 指 定 疲 勞 加 載 次 序 沒 有 相 互 作用 時 ， 適 用 于 線 性 疲 勞 準 則 的 一 般 形 式 。 當 設 定 隨 機 事件 的 相 互 作 用 時 ， 程 序 使 用 ASME標 準 ， 通 過 組 合 事 件峰 值 評 估 損 壞 程 度 。 83 Dassault Systmes Confidential Information 基 本 循 環(huán) 類 型完 全 翻 轉(zhuǎn) （ 對 稱 循 環(huán) ） , s m = 0, R = -1 零 值 波 動 （ 脈 動 循 環(huán) ） , sm = sa, R = 0maxminssr minmax21 sss m minmax21 sss a應 力 比 （ 循 環(huán) 特 征 ） ：平 均 應 力 ：應 力 幅 度 ： 84 Dassault Systmes Confidential Information 平 均 應 力 負 平 均 應 力零 平 均 應 力正 平 均 應 力循 環(huán) 次 數(shù) ， logN 2*106應力振幅, logS a timesm 0應力振幅, S a0 平 均 應 力 為 拉 力 時 會 減少 疲 勞 壽 命 。平 均 應 力 為 壓 力 時 對 疲勞 壽 命 是 有 益 的 或 是 微不 足 道 的 。 SN曲 線 的 大 部 分 是 在平 均 應 力 的 零 值 以 下 85 Dassault Systmes Confidential Information 施 加 載 荷 類 型 等 幅 載 荷 （ 恒幅 載 荷 ）變 幅 載 荷 （ 隨機 載 荷 ） 86 Dassault Systmes Confidential Information 21ss生 命 圖 表 ：損 壞 圖 表 ：安 全 系 數(shù) ：應 力 比 ： 的 分 布循 環(huán) 次 數(shù) 導 致 疲 勞 失 效 。疲 勞 事 件 消 耗 的 生 命 總 數(shù) 。FOS1 (結 構 生 命 減 少 ) (s3 被 忽 略 ) 疲 勞 結 果 87 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7 主 題 200萬 次 熱 流 載 荷 (1471 W/m2) 和 50萬 次 壓 力 載 荷 (-0.78 MPa 3.9 MPa) 熱 算 例 （ 溫 度 分 布 ） 靜 態(tài) 算 例 （ 不 同 溫 度 下 的 熱 應 力 分 布 ） 靜 態(tài) 算 例 （ 內(nèi) 部 壓 力 為 3.9MPa時 的 應 力 分 布 ） 疲 勞 算 例 （ 兩 個 靜 態(tài) 算 例 輸 入 ） 88 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7 材 料 s-n曲 線 設 定 材 料 的 S-N曲 線 是 通 過 實 驗 取 點 ， 然 后 擬 合 出 來 的 曲 線 ， 擬合 點 越 多 ， 也 符 合 實 際 情 況 。 大 多 數(shù) 情 況 不 可 能 對 每 種 設 計 進 行 疲 勞 實 驗 ， 因 此 使 用 手 冊提 供 的 S-N曲 線 是 最 經(jīng) 濟 的 。 S-N曲 線 插 值 方 法 1.雙 對 數(shù) ： 對 循 環(huán) 數(shù) 和 交 變 應 力 采 用 對 數(shù) 插 值 法 （ 以 10為 底 ） ， 用 于 雙 向 數(shù)據(jù) 點 較 少 的 情 況 。 2.半 對 數(shù) ： 對 循 環(huán) 數(shù) 進 行 對 數(shù) 插 值 ， 交 變 應 力 線 性 插 值 ， 用 于 應 力 數(shù) 據(jù) 較 多 ，循 環(huán) 數(shù) 較 少 且 分 散 性 較 大 的 情 況 。 3.線 性 ： 對 循 環(huán) 數(shù) 和 交 變 應 力 都 采 用 線 性 插 值 法 。 89 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7 疲 勞 選 項 無 交 互 作 用 ： 軟 件 假 定 事 件 發(fā) 生先 后 順 序 直 接 沒 有 關 聯(lián)隨 意 交 互 作 用 ： 軟 件 考 慮 在 不 同事 件 中 混 合 峰 值 應 力 。 （ ASME推薦 ， 但 是 該 選 項 較 保 守 ）計 算 交 替 應 力 的 手 段 ： 設 定 用 于計 算 從 S-N 曲 線 中 提 取 循 環(huán) 數(shù) 時 使用 的 對 等 交 錯 應 力 的 應 力 類 型 。Goodman： 通 常 適 用 于 脆 性 材 料 。Gerber： 通 常 適 用 于 塑 性 材 料 。 Soderberg： 通 常 最 保 守 。 90 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7: 結 果 平 均 應 力 修 正 壓 力 容 器 在 彎 曲 處 失 效 螺 栓 作 用 區(qū) 域 應 力 奇 異 91 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7: 結 果 沒 有 平 均 應 力 修 正 容 易 誤 解 ， 錯 誤 的 結 果 顯 示 了 壓 力 容 器 是 安 全 的 （ 除 螺 栓 奇 異 以 外 ） 92 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 7: 結 果 恒 載 荷 在 這 個 問 題 上 ， 恒 載 使 損 壞 減 小 這 是 正 面 作 用(除 螺 栓 奇 異 以 外 ) 93 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 8高 級 疲 勞 分 析 94 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 8 主 題 斜 坡 上 汽 車 的 恒 速 運 動 變 幅 載 荷 95 Dassault Systmes Confidential Information 實 驗 得 到 的 S-N曲 線 用 在 現(xiàn) 實 的 模 型 中 需 要 考 慮 以 下 幾 個因 素 ： 腐 蝕 環(huán) 境 ： kc 表 面 情 況 ： ks 尺 寸 因 素 ： kl 負 載 條 件 ： km 溫 度 系 數(shù) ： kt 可 靠 性 系 數(shù) ： kr 缺 口 系 數(shù) ： kf 摩 擦 條 件 系 數(shù) ： kfret疲 勞 強 度 縮 減 系 數(shù) =k c* ks* kl* km* kt* kr* kf* kfret 疲 勞 縮 減 系 數(shù) 96 Dassault Systmes Confidential Information 長 壽 命 (典 型 高 周 疲 勞 ) 疲 勞 問 題 kc = 0.1 1（ 在 大 氣 中 疲 勞 強 度 參考 值 ） 修 正 系 數(shù) 腐 蝕 條 件 97 Dassault Systmes Confidential Information 由 于 劃 痕 、 表 面 的加 工 紋 理 和 標 記通 常 疲 勞 發(fā) 生 在 這 些 表面 ！ ks = 0.1 - 1 修 正 系 數(shù) 表 面 情 況 98 Dassault Systmes Confidential Information 試 件 和 理 論 模 型 的 尺 寸 并 不 是 完 全 一 樣 的 。 模 型 尺 寸 的 增 加 會 使 材 料 的 氣 孔 和 砂 眼 增 加 。 有 圓 形 截 面 的 模 型 ： 就 像 在 扭 曲 試 件 時 的 值 一 樣 ， 應 用 材 料 最 大 應 力 的 95%的 應 力來 決 定 非 圓 模 型 的 等 效 直 徑 。直 徑 小 于 0.3in (8mm) kl = 1直 徑 在 0.3in (8mm) 到 10in (25mm) 之 間 kl = 0.869 *(直 徑 英 寸 )-0.097(大 約 0.7 0.8) 修 正 系 數(shù) 尺 寸 因 素 99 Dassault Systmes Confidential Information 對 于 不 同 的 測 試 S - N 曲 線 是 不 同 的 。應 力(ksi) 10 3 104 105 106 1073050 70120 循 環(huán) 次 數(shù) , Log(N) 扭 轉(zhuǎn)軸 向彎 曲 9.075.0彎 曲,軸 向, uuSS (Su 疲 勞 極 限 )修 正 系 數(shù) 負 載 條 件 100 Dassault Systmes Confidential Information 高 溫 降 低 材 料 的 疲 勞 強 度 。 修 正 系 數(shù) 高 溫 101 Dassault Systmes Confidential Information 低 溫 增 加 材 料 的 疲 勞 強 度 。注 意 ！材 料 抵 抗 裂 紋 增 長 的 阻力 減 小(重 要 ： 損 傷 容 限 設 計 方法 )不 建 議 利 用 此 現(xiàn) 象 作 為設 計 的 依 據(jù) ！ 修 正 系 數(shù) 載 荷 溫 度 102 Dassault Systmes Confidential Information 說 明 了 擬 合 的 S-N曲 線 中 測 試 數(shù) 據(jù) 分 散 的 原 因 。手 冊 中 可 靠 性 系 數(shù) 在 0.52 1.00之 間 在 常 規(guī) 設 計 中 ，要 求 失 效 的 概率 P小 于 0.01 修 正 系 數(shù) 可 靠 性 系 數(shù) 103 Dassault Systmes Confidential Information 疲 勞 缺 口 系 數(shù) kf 取 決 于 應 力 集 中 系 數(shù) Kt 、 幾 何 形 狀 （ 圓 角 和 缺 口 ）和 材 料 ： 1tf ra1 1K1k r 是 圓 角 或 缺 口 的 半 徑a 是 材 料 常 數(shù) 8.1psi強 度 極 限3000.001 a 修 正 系 數(shù) 缺 口 的 影 響 104 Dassault Systmes Confidential Information 兩 個 接 觸 部 分 （ 比 如 螺 栓 連 接 ） 的 相 對 運 動 ， 表 面 的 碎 屑 會 加 劇裂 紋 的 產(chǎn) 生 。需 要 經(jīng) 驗 ， 疲 勞 強 度 可 以 減 小 90%！細 微 運 動 足 以 造 成 磨 損 表 面 產(chǎn) 生 裂 紋 。 修 正 系 數(shù) -摩 擦 條 件 系 數(shù) 105 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 8: 結 果 損 壞 圖 解 106 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 8 結 果大 部 分 損 壞 不 是 由 于 最 高 的 平 均 應 力 周 期 造 成 的 （ 不 經(jīng) 常 發(fā) 生 ） ，但 是 恰 恰 相 反 ， 是 由 適 中 的 平 均 應 力 造 成 。 107 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 9跌 落 測 試 108 Dassault Systmes Confidential Information 跌 落 測 試 分 析 裝 配 體 掉 落 到 剛 性 體 或 柔 性 體 表 面 上 的 情 況 沖 擊 載 荷 和 重 力 載 荷 ， 沒 有 其 他 載 荷 和 約 束 是 允 許 的 力 的 平 衡 ：慣 性 力 + 彈 性 力 = 重 力 + 沖 擊 力 （ 忽 略 阻 尼 ） 動 態(tài) 問 題 力 和 位 移 隨 時 間 改 變 確 切 的 時 間 集 合 可 以 解 決 問 題 109 Dassault Systmes Confidential Information 跌 落 測 試 中 的 輸 入 和 結 果 輸 入 ： 沖 擊 的 落 差 和 速 度 重 力 方 向 檢 測 時 間 沖 擊 以 后 多 長 時 間 進 行 觀 察 或 獲 得 解 決 方 案 ？ 沖 擊 表 面 的 剛 度 結 果 : 在 不 同 時 刻 觀 察 位 移 和 應 力 沖 擊 的 表 面 接 觸 力 110 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 9 主 題 跌 落 測 試 分 析 分 析 要 領 分 析 步 驟 跌 落 測 試 分 析 的 后 處 理 選 項 111 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 9: 結 果剛 性 目 標 Von Mises stresses 112 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 9: 結 果剛 性 目 標 應 力 時 間 歷 史 圖 表 113 Dassault Systmes Confidential Information 軟 目 標 Von Mises 應 力 Lesson 9: 結 果 114 Dassault Systmes Confidential Information 頂 點 1 合 成 加 速 度 歷 史 軟 目 標 降 低 加 速 度 峰 值 Lesson 9: 結 果 115 Dassault Systmes Confidential Information 彈 性 材 料 彈 塑 性 材 料 Lesson 9: 結 果 116 Dassault Systmes Confidential Information Exercise 12: 夾 子 夾 子 的 跌 落 測 試 117 Dassault Systmes Confidential Information Lesson 10優(yōu) 化 118 Dassault Systmes Confidential Information 設 計 優(yōu) 化 改 變 幾 何 形 狀 找 到 最 優(yōu) 設 計 方 案 目 標 。 定 義 怎 樣 的 設 計 是 最 優(yōu) 設 計 。 例 如 ， 使 用 材 料 最 少 。 設 計