案例研究 5：使用梁单元对焊件框架进行静态分析

案例研究 5：使用梁单元对焊件框架进行静态分析

在本案例研究中，您将使用梁单元对图 3.136 所示的焊件框架进行线性静态分析，并确定在均匀分布载荷下的应力。

项目描述

焊件框架的所有支腿底部固定，48000 N 的载荷均匀分布在顶部框架的所有梁上，见图 3.137。该模型由普通碳钢材料制成。

项目概要

在本案例研究中，您将对焊件框架运行静态算例，并确定模型在施加载荷下的应力、位移和安全系数。此外，您需要确定倾斜构件在局部方向 1 和 2 上的轴向应力、弯曲应力和弯矩图。

以下序列总结了案例研究大纲：

1. 启动静态算例
2. 定义梁接头
3. 定义材料、夹具与载荷
4. 使用梁单元生成网格
5. 运行分析并显示结果
6. 显示轴向与弯曲应力图解
7. 显示弯矩图
8. 保存结果

第 1 节：启动静态算例

1. 启动 SOLIDWORKS，然后从位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C03 Case Studies > Case Study 5 打开焊件框架模型。

注意：如果您之前尚未下载，需要登录 CADArtifex 网站（cadartifex.com/login）下载包含本章文件的 C03 Case Studies 文件。

2. 焊件框架模型在 SOLIDWORKS 中打开后，单击 CommandManager 中的 Simulation 选项卡。Simulation CommandManager 的工具出现。
3. 单击 Simulation CommandManager 中的 新算例（New Study） 工具。算例 PropertyManager 出现在图形区域的左侧。
4. 确保算例 PropertyManager 中的 静态（Static） 按钮已激活。
5. 在算例名称字段中输入 Weldment Frame Study，然后单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。Weldment Frame Study 被添加到 Simulation 算例树中，见图 3.138。同时，接头出现在图形区域中框架的构件上，见图 3.139。

请注意，图形区域中出现在构件上的接头有两种颜色：品红色和黄色。品红色接头连接到两个或两个以上的构件，而黄色接头仅连接到单个构件，表示开口端连接。您需要通过施加夹具或手动将其与其他构件连接来固定黄色接头，以准备结构进行分析。

提示：当您在 Simulation 算例树中展开 Weldment Frame > 切割清单文件夹时，您会注意到框架的构件由梁图标表示（参见图 3.138），因为 SOLIDWORKS Simulation 会自动将焊件结构的构件识别为梁构件（1D 线），并计算结构中的接头数量。在 SOLIDWORKS Simulation 中，梁构件自动使用梁单元进行网格划分。但是，您也可以将结构的梁构件视为实体，以使用实体四面体单元进行网格划分。为此，请在 Simulation 算例树中 Weldment Frame 文件夹的相应子文件夹中右键单击梁构件，然后在出现的快捷菜单中单击 视为实体（Treat as Solid） 工具。同样，您可以通过在右键单击实体时出现的快捷菜单中选择 视为梁（Treat as Beam） 工具，将实体视为梁构件。

第 2 节：定义梁接头

SOLIDWORKS Simulation 自动计算结构中端对端连接构件之间的接头。您可以编辑计算出的梁接头或重新计算它们。

1. 在 Simulation 算例树中右键单击接头组选项，然后在出现的快捷菜单中单击 编辑（Edit） 工具，见图 3.140。编辑接头 PropertyManager 出现，见图 3.141。

默认情况下，PropertyManager 中所选梁卷展栏的 全部（All） 单选按钮已选中。因此，结构中所有端对端连接的梁构件之间的接头都会被计算。但是，选择 选择（Select） 单选按钮后，您需要选择要计算其之间接头的结构构件。请注意，在 PropertyManager 的视为接头间隙区域中，默认选中 等于零（接触）（equal to zero (touching)） 单选按钮。因此，默认情况下，接头在端对端接触的构件之间计算。但是，选择 小于（less than） 单选按钮后，您需要在此单选按钮下方启用的字段中指定间隙值，以在指定间隙值范围内的构件之间创建接头。

2. 接受所有默认参数，然后单击 PropertyManager 中的 计算（Calculate） 按钮。构件之间的接头被计算并出现在 PropertyManager 的结果卷展栏中。
3. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。Simulation 窗口出现，单击此窗口中的 确定（OK） 按钮。

第 3 节：定义材料、夹具与载荷

现在，您需要在结构上定义材料、夹具和载荷。

1. 通过单击 Simulation CommandManager 中的 应用材料（Apply Material） 工具调用材料对话框，然后应用普通碳钢材料。接下来，关闭对话框。

现在，您需要定义夹具。

2. 在 Simulation 算例树中右键单击夹具选项，然后在出现的快捷菜单中单击 固定几何体（Fixed Geometry） 工具。夹具 PropertyManager 出现。
3. 选择出现在结构每条支腿（四条支腿）底部的黄色接头（四个），见图 3.142。接下来，单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮。固定几何体夹具被施加在结构四条支腿的接头上，见图 3.142。

现在，您需要施加载荷。

4. 在 Simulation 算例树中右键单击外部载荷选项，然后在出现的快捷菜单中单击 力（Force） 工具。力/扭矩 PropertyManager 出现，见图 3.143。

默认情况下，PropertyManager 中选择卷展栏的 顶点、点（Vertices, Points） 按钮 已激活。因此，您可以选择结构构件的顶点和点来施加载荷。选择 接头（Joints） 按钮 后，您可以选择梁接头来施加载荷，而选择 梁（Beams） 按钮 后，您可以选择结构的梁来施加载荷。

5. 单击 PropertyManager 中选择卷展栏的 梁（Beams） 按钮 。
6. 逐一选择结构的顶部水平梁（四根梁）。所选梁的名称出现在 PropertyManager 中选择卷展栏的字段中，见图 3.144。
7. 单击 PropertyManager 中选择卷展栏的 面、边线、基准面（Face, Edge, Plane for Direction） 字段，见图 3.144。

8. 展开现在位于图形区域左上角的 FeatureManager 设计树，见图 3.145，然后单击 Top Plane 作为参考基准面来定义力的方向。
9. 单击 PropertyManager 中力卷展栏的 垂直于基准面（Normal to Plane） 按钮，然后输入 48000 作为载荷大小，见图 3.146。

10. 选择力卷展栏中的 反向（Reverse direction） 复选框，将力的方向反转为向下方向。
11. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮。指定的载荷被施加在所选梁上。

第 4 节：使用梁单元生成网格

1. 在 Simulation 算例树中右键单击网格选项，然后在出现的快捷菜单中单击 创建网格（Create Mesh） 工具。网格进度窗口出现，结构的网格划分过程开始。完成后，网格使用梁单元创建，在图形区域中由空心圆柱体表示，见图 3.147。

注意：SOLIDWORKS Simulation 会自动使用梁单元对焊件结构进行网格划分。

第 5 节：运行分析并显示结果

1. 单击 Simulation CommandManager 中的 运行此算例（Run This Study） 工具。Weldment Frame Study（算例名称）窗口出现，显示分析进度。完成后，结果文件夹被添加到 Simulation 算例树中，包含应力和位移结果。默认情况下，应力结果已激活。因此，模型上的应力分布和上界轴向与弯曲图解出现，见图 3.148。

2. 要显示合位移，请双击 Simulation 算例树中的 Displacement1（-Res disp-）选项。

第 6 节：显示轴向与弯曲应力图解

1. 在 Simulation 算例树中右键单击结果文件夹，然后在出现的快捷菜单中单击 定义应力图解（Define Stress Plot） 工具。应力图解 PropertyManager 出现。
2. 在 PropertyManager 中定义选项卡的梁应力下拉列表中选择 轴向（Axial） 选项，然后单击绿色对勾按钮。轴向应力图解出现在图形区域中，见图 3.149。请注意，最大轴向应力（拉伸值）为 1.368e+00（1.368）N/mm^2（MPa），相对较低。

3. 同样，您可以通过在应力图解 PropertyManager 中定义选项卡的梁应力下拉列表中分别选择 方向 1 中的上界弯曲（Upper bound bending in DIR 1） 和 方向 2 中的上界弯曲（Upper bound bending in DIR 2） 选项，显示方向 1 和方向 2 的弯曲应力。

第 7 节：显示弯矩图

1. 在 Simulation 算例树中右键单击结果文件夹，然后在出现的快捷菜单中单击 定义梁图解（Define Beam Diagrams） 工具。梁图解 PropertyManager 出现。
2. 在 PropertyManager 中定义选项卡的分量下拉列表中选择 绕 Dir1 的力矩（Moment about Dir1） 选项，见图 3.150。

3. 在 PropertyManager 中所选梁卷展栏中选择 选择（Select） 单选按钮，然后选择右前倾斜梁以显示其弯矩图。接下来，单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮。所选梁在局部方向 1 上的弯矩图出现在图形区域中，见图 3.151。

4. 同样，您可以显示梁在局部方向 2 上的弯矩图。

第 8 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（Save） 工具。模型及其结果保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C03 Case Studies > Case Study 5 中。