案例研究 2：带网格控制的支架静态分析

案例研究 2：带网格控制的支架静态分析

在本案例研究中，您将对图 3.49 所示的支架进行线性静态分析，并确定均布载荷下的应力。

项目描述

支架在其四个孔处固定，1200 牛顿的载荷沿其顶面均匀分布，见图 3.50。支架由 AISI 304 钢材料制成。

项目概要

在本案例研究中，您将首先使用默认参数生成高质量的基于曲率的网格，然后通过应用网格控制，在支架上应力较高的上角处细化网格。将单位系统指定为 SI (MKS)，位移单位为 mm，应力单位为 N/mm^2 (MPa)。

以下顺序概述了案例研究大纲：

1. 下载第 3 章的文件
2. 打开支架模型
3. 启动静态算例
4. 定义单位
5. 指定材料
6. 应用夹具
7. 应用载荷
8. 生成网格
9. 运行分析
10. 显示应力、位移和应变结果
11. 标注最大和最小应力
12. 应用网格控制并运行分析
13. 比较网格控制前后的应力结果
14. 创建等值面图解
15. 保存结果

第 1 节：下载第 3 章的文件

1. 使用您的用户名和密码登录 CADArtifex 网站（cadartifex.com/login/），然后下载本章的文件（如果尚未在案例研究 1 中下载）。请注意，如果您是新用户，则需要先在 CADArtifex 网站（cadartifex.com/register）上注册为学生才能下载文件。
2. 下载 C03 Case Studies 文件后，在计算机的本地驱动器中创建一个名为“SOLIDWORKS Simulation”的文件夹，然后在其内部创建一个名为“Case Studies”的子文件夹（如果尚未在案例研究 1 中创建）。
3. 将解压后的 C03 Case Studies 文件保存在 SOLIDWORKS Simulation 文件夹的 Case Studies 文件夹中。

注意：如果您已在案例研究 1 中下载了本章的 C03 Case Studies 文件并将其保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies 中，则可以跳过上述步骤（1、2 和 3）。

第 2 节：打开支架模型

1. 如果 SOLIDWORKS 尚未启动，请双击桌面上的 SOLIDWORKS 图标以启动它。
2. 单击欢迎对话框中的打开按钮。将出现打开对话框。或者，单击标准工具栏中的打开工具以调用打开对话框。
3. 浏览到系统本地驱动器的位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C03 Case Studies > Case Study 2。接下来，选择 Bracket 模型，然后单击对话框中的打开按钮。支架模型将在 SOLIDWORKS 中打开，见图 3.51。

第 3 节：启动静态算例

1. 单击 CommandManager 中的 Simulation 选项卡。将出现 Simulation CommandManager 的工具，见图 3.52。

注意：如果 Simulation 选项卡未添加到 CommandManager 中，则需要如前所述对其进行自定义。

2. 单击 Simulation CommandManager 中的新建算例工具。将出现算例 PropertyManager，见图 3.53。
3. 确保算例 PropertyManager 中的静态按钮已激活，以对支架模型执行线性静态分析。
4. 在 PropertyManager 的算例名称字段中输入 Bracket Static Study。
5. 单击算例 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。Simulation CommandManager 中启用了执行静态分析的各种工具。此外，名为 Bracket Static Study 的静态算例已添加到 Simulation 算例树中，见图 3.54。

第 4 节：定义单位

在开始分析过程之前，为 SOLIDWORKS Simulation 设置单位非常重要。

1. 单击 SOLIDWORKS 菜单中的 Simulation > Options。将出现系统选项对话框。
2. 在此对话框中，单击默认选项选项卡。对话框的名称将变为默认选项，见图 3.55。
3. 确保对话框中已选择单位选项，并且用于指定单位的选项出现在对话框的右侧面板上，见图 3.55。

4. 在对话框的单位系统区域中选择 SI (MKS) 单选按钮。接下来，确保在长度/位移下拉列表中选择了 mm 单位，并且在单位区域的压力/应力下拉列表中选择了 N/mm^2 (MPa) 单位，见图 3.56。

5. 指定单位后，单击确定按钮以接受更改并退出对话框。

第 5 节：指定材料

1. 单击 Simulation CommandManager 中的应用材料工具。将出现材料对话框，见图 3.57。或者，右键单击 Simulation 算例树中模型的名称（Bracket），然后在出现的快捷菜单中单击应用/编辑材料工具。
2. 在材料对话框中展开 SOLIDWORKS 材料库的钢类别，然后选择 AISI 304 钢材料，见图 3.57。所选材料的材料属性出现在对话框的右侧面板上。

3. 单击对话框中的应用按钮，然后单击关闭按钮。材料已指定给模型。

第 6 节：应用夹具

1. 右键单击 Simulation 算例树中的夹具选项。将出现快捷菜单，见图 3.58。在此快捷菜单中，单击固定几何体工具。将出现夹具 PropertyManager，见图 3.59。或者，单击 Simulation CommandManager 中夹具顾问工具底部的箭头以调用夹具弹出菜单，然后单击固定几何体工具。
2. 逐个选择模型所有孔的内圆柱面以应用固定几何体夹具。固定几何体夹具的符号出现在所选面上，见图 3.60。

3. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。固定几何体夹具已应用到模型的孔上。此外，固定几何体夹具（Fixed-1）已添加到 Simulation 算例树的夹具选项下，见图 3.61。

提示：要编辑已应用的夹具，请右键单击 Simulation 算例树中夹具选项下列出的夹具名称，然后在出现的快捷菜单中单击编辑定义工具。将出现夹具 PropertyManager。通过使用此 PropertyManager，您可以编辑所选夹具，然后单击其绿色对勾按钮以接受更改并关闭 PropertyManager。

第 7 节：应用载荷

1. 右键单击 Simulation 算例树中的外部载荷选项。将出现快捷菜单，见图 3.62。在此快捷菜单中，单击力工具。将出现力/扭矩 PropertyManager，见图 3.63。或者，单击 Simulation CommandManager 中外部载荷顾问工具底部的箭头以调用外部载荷弹出菜单，然后单击力工具。

2. 选择模型的顶面以应用载荷，见图 3.64。载荷的符号出现在所选面上，见图 3.64。

3. 确保选择法向单选按钮以应用垂直于面的载荷。
4. 在 PropertyManager 的力值字段中输入 1200。
5. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。1200 N 的载荷已应用到模型的所选面上。此外，已应用载荷的默认名称 [Force-1 (:Per item: 1,200 N:)] 已添加到 Simulation 算例树的外部载荷选项下，见图 3.65。

提示：要编辑已应用的载荷，请右键单击 Simulation 算例树中外部载荷选项下列出的载荷名称，然后在出现的快捷菜单中单击编辑定义工具。将出现力/扭矩 PropertyManager。通过使用此 PropertyManager，您可以编辑载荷参数，然后单击绿色对勾按钮以接受更改并关闭 PropertyManager。

第 8 节：生成网格

在定义材料属性和边界条件（夹具和载荷）之后，您需要在模型上生成网格。在本案例研究中，您将首先使用默认参数生成基于曲率的网格，然后在支架上应力较高的上角处应用网格控制。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的网格选项，然后在出现的快捷菜单中单击创建网格工具，见图 3.66。将出现网格 PropertyManager，见图 3.67。或者，单击 Simulation CommandManager 中运行此算例工具底部的箭头，然后在出现的弹出菜单中单击创建网格工具。

2. 通过单击标题栏中的复选框展开 PropertyManager 的网格参数卷展栏，见图 3.68。

3. 在展开的网格参数卷展栏中选择基于曲率的网格单选按钮，见图 3.68。最大单元大小、最小单元大小、圆内最小单元数和单元大小增长率字段将显示在卷展栏中，并带有默认参数，见图 3.68。SOLIDWORKS Simulation 会根据模型的体积、表面积和其他细节自动计算网格参数，并设置具有中等网格密度的默认网格。
4. 接受网格参数卷展栏各字段中的默认网格参数。
5. 单击 PropertyManager 中的网格质量选项卡，见图 3.69。
6. 确保模型名称（Bracket）出现在高质量网格字段中，以使用高质量（二阶）四面体实体单元对模型进行网格划分，见图 3.69。
7. 定义所有网格参数后，单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。将出现网格进度窗口，显示模型网格划分的进度。模型网格划分过程完成后，网格化模型将出现在图形区域中，见图 3.70。

注意：如前一章所述，SOLIDWORKS Simulation 会自动为实体几何体生成带有四面体实体单元的网格。

第 9 节：运行分析

在定义材料属性、边界条件（夹具和载荷）并生成网格后，您可以运行分析。

1. 单击 Simulation CommandManager 中的运行此算例工具。将出现 Bracket Static Study（算例名称）窗口，显示分析进度，见图 3.71。

注意：完成分析的计算时间取决于求解器要求解的单元、节点和自由度的数量。

2. 运行分析过程完成后，结果文件夹将添加到 Simulation 算例树中，其中包含应力、位移和应变结果，见图 3.72。默认情况下，结果文件夹中的应力结果处于激活状态。因此，模型上的应力分布和 von Mises 应力图解将出现在图形区域中，见图 3.73。

第 10 节：显示应力、位移和应变结果

1. 双击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Stress1 (-vonMises-) 选项以显示 von Mises 应力结果（如果默认未显示），参见图 3.73。从图 3.73 可以明显看出，在施加的载荷下，模型中的最大 von Mises 应力为 3.857e+01 (38.573) N/mm^2 (MPa)，这明显在材料的屈服应力 2.068e+02 (206.807) N/mm^2 (MPa) 范围内。具有最大 von Mises 应力的模型区域用红色标记。
2. 要显示位移结果和合成位移 (URES) 图解，请双击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Displacement1 (-Res disp-) 选项。图 3.74 显示了模型上的位移分布和合成位移 (URES) 图解。从合成位移 (URES) 图解可以明显看出，在施加的载荷下，模型的最大合成位移为 5.210e-02 (0.052) mm，这是一个相当小的位移。此外，具有最大合成位移的模型区域用红色标记。
3. 同样，要显示应变结果和等效应变 (ESTRN) 图解，请双击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Strain1 (-Equivalent-) 选项。图 3.75 显示了模型上的应变分布和等效应变 (ESTRN) 图解。从等效应变 (ESTRN) 图解可以明显看出，模型上的最大等效应变为 1.382e-04 (0.0001382)。请注意，应变结果是无单位的。

第 11 节：标注最大和最小应力

在 SOLIDWORKS Simulation 中，您可以通过编辑应力图解设置来标注模型中的最大和最小应力。

1. 双击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Stess1 (-vonMises-) 选项以显示应力结果。
2. 右键单击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Stess1 (-vonMises-) 选项。将出现快捷菜单，见图 3.76。
3. 单击快捷菜单中的编辑定义工具。将出现应力图解 PropertyManager，见图 3.77。或者，双击图形区域中出现的 von Mises 应力图解以显示应力图解 PropertyManager。
4. 在应力图解 PropertyManager 中，单击图表选项选项卡以显示此选项卡中可用的选项，见图 3.77。

5. 在 PropertyManager 的显示选项卷展栏中选择显示最小标注和显示最大标注复选框。
6. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。最小和最大应力已标注在模型中，见图 3.78。

从图 3.78 可以明显看出，最大 von Mises 应力位于支架的上角附近。因此，我们需要细化网格，以在最大应力所在的角处获得准确的结果。

第 12 节：应用网格控制并运行分析

1. 右键单击 Simulation 算例树中的网格选项。将出现快捷菜单，见图 3.79。
2. 单击快捷菜单中的应用网格控制工具，见图 3.79。将出现网格控制 PropertyManager，见图 3.80。

3. 选择模型的上相交边以应用网格控制，见图 3.81。所选边的名称出现在 PropertyManager 中所选实体卷展栏的用于网格控制的面、边、顶点、参考点、零部件字段中。此外，标注将附加到图形区域中的所选边，见图 3.81。
4. 在 PropertyManager 的网格密度卷展栏中将滑块向最右侧拖动，以在模型的所选边上创建精细网格，见图 3.82。请注意，当您拖动滑块时，网格参数中单元大小字段的单元大小会减小。

5. 单击 PropertyManager 中所选实体卷展栏中的创建网格按钮。将出现 Simulation 消息窗口。在此窗口中，单击是按钮以继续对所选实体进行网格划分。将出现网格进度窗口，显示模型网格划分的进度。模型网格划分过程完成后，网格化模型将出现在图形区域中，见图 3.83。请注意，沿所选边创建了较小的单元（精细网格）。

现在，您需要再次运行分析以获取应用网格控制后的结果。

6. 单击 Simulation CommandManager 中的运行此算例工具。将出现 Bracket Static Study（算例名称）窗口，显示分析进度。运行分析过程完成后，结果文件夹将在 Simulation 算例树中更新，包含更新后的应力、位移和应变结果。此外，模型上的应力分布和 von Mises 应力图解将出现在图形区域中，见图 3.84。

第 13 节：比较网格控制前后的应力结果

1. 确保 von Mises 应力结果显示在图形区域中，参见图 3.84。如果未显示，则需要双击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Stress1 (-vonMises-) 选项以显示 von Mises 应力结果。从上述图中可以明显看出，应用网格控制后模型中的最大 von Mises 应力为 6.187e+01 (61.868) N/mm^2 (MPa)。

请注意应用网格控制前后模型中最大 von Mises 应力的差异。应用网格控制之前，最大 von Mises 应力为 3.857e+01 (38.573) N/mm^2 (MPa)，而应用网格控制之后，最大 von Mises 应力为 6.187e+01 (61.868) N/mm^2 (MPa)。这是因为在具有高应力的模型边缘处创建了精细网格。精细网格会生成更多的小单元，从而提供更准确的结果，但由于单元、节点和自由度数量增加，计算时间也会增加。

第 14 节：创建等值面图解

现在，您需要创建等值面图解，以显示模型中 30 N/mm^2 (MPa) 到 61.686 N/mm^2 (MPa) 范围内的 von Mises 应力。

注意：等值面图解用于在模型的部分区域中显示用户定义的结果范围。

1. 单击 Simulation CommandManager 中的图解工具。将出现图解工具弹出菜单，见图 3.85。在此弹出菜单中，单击等值面剖切工具。将出现等值面剖切 PropertyManager，见图 3.86。或者，单击 Simulation 算例树结果文件夹中的 Stress1 (-vonMises-) 选项，然后单击等值面剖切工具。

2. 在 PropertyManager 中等值面 1 卷展栏的等值面值字段中输入 30。
3. 通过选择标题栏中的复选框展开 PropertyManager 的等值面 2 卷展栏，见图 3.87，然后将滑块向最右侧拖动，以在卷展栏的等值面值字段中显示最大 von Mises 值，见图 3.87。请注意，von Mises 应力在指定范围内的模型部分将显示在图形区域中，见图 3.88。

注意：在图 3.88 中，为了图像清晰起见，夹具和载荷的符号已隐藏。要隐藏夹具符号，请右键单击 Simulation 算例树中夹具选项下列出的夹具名称，然后在出现的快捷菜单中单击隐藏工具。同样，要隐藏载荷符号，请右键单击 Simulation 算例树中外部载荷选项下列出的载荷名称，然后在出现的快捷菜单中单击隐藏工具。

4. 创建等值面图解并查看模型中 von Mises 应力在 30 N/mm^2 (MPa) 到 61.686 N/mm^2 (MPa) 之间的部分后，单击等值面剖切 PropertyManager 的选项卷展栏中的剖切开/关按钮以关闭等值面图解的显示。此按钮用于打开和关闭图形区域中等值面图解的显示。
5. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。

第 15 节：保存结果

现在，您需要保存结果。

1. 单击标准工具栏中的保存工具。模型及其结果将保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C03 Case Studies > Case Study 2 中。