案例研究 2：带螺栓连接的法兰装配体静态分析

案例研究 2：带螺栓连接的法兰装配体静态分析

在本案例研究中，您将对带螺栓连接的法兰装配体进行静态分析，见图 4.81。

项目描述

法兰装配体的一端固定，8000 牛顿的向下载荷施加在其另一端，见图 4.82。装配体的两个法兰均由 AISI 304 钢材料制成，螺栓由合金钢材料制成。

项目摘要

在本案例研究中，您将运行图 4.80 所示法兰装配体的静态算例。在此装配体中，螺栓是使用 SOLIDWORKS Toolbox 添加的。因此，您将自动将这些螺栓转换为螺栓连接。此外，使用默认参数生成高质量的基于曲率的网格。另外，定义 Contact 交互作为装配体零部件之间的全局零部件交互。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)。

以下顺序概括了本案例研究的提纲：

1. 下载第 4 章的文件
2. 打开法兰装配体
3. 启动静态算例并定义螺栓连接
4. 查看螺栓连接的属性
5. 指派材料
6. 应用夹具
7. 应用交互
8. 施加载荷
9. 生成网格
10. 运行分析并显示结果
11. 显示螺栓连接力
12. 保存结果

第 1 节：下载第 4 章的文件

1. 如果之前未下载，请登录 CADArtifex 网站（cadartifex.com/login）下载本章的文件（C04 Case Studies）。下载文件的路径为 SOLIDWORKS Simulation > SOLIDWORKS Simulation 2023 > Case Studies > C04 Case Studies。
2. 将解压后的 C04 Case Studies 文件保存在您系统本地驱动器的位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies 中。如果之前未创建这些文件夹，您需要创建它们。

注意：如果您在案例研究 1 中已下载本章的 C04 Case Studies 文件并保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies 中，则可以跳过上述步骤 1 和 2。

第 2 节：打开法兰装配体

1. 启动 SOLIDWORKS（如果尚未启动）。
2. 单击欢迎对话框中的 Open 按钮或单击标准工具栏中的 Open 工具。Open 对话框出现。
3. 浏览到您系统本地驱动器的位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C04 Case Studies > Case Study 2。接下来，选择 Flange Assembly，然后单击对话框中的 Open 按钮。法兰装配体在 SOLIDWORKS 中打开。

第 3 节：启动静态算例并定义螺栓连接

1. 单击 CommandManager 中的 Simulation 选项卡。Simulation CommandManager 的工具出现。
2. 单击 Simulation CommandManager 中的 New Study 工具。算例 PropertyManager 出现在图形区域的左侧。
3. 确保算例 PropertyManager 中的 Static 按钮已激活。

在法兰装配体中，螺栓是使用 SOLIDWORKS Toolbox 添加的。因此，您可以直接将它们转换为螺栓连接。

4. 在 PropertyManager 中选择 Convert Toolbox fasteners to bolt connectors 复选框，见图 4.83。

5. 在 PropertyManager 的 Study name 字段中输入 With Bolt Connectors Study。
6. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。Simulation 窗口出现，通知已成功创建 6 个螺栓连接，见图 4.84。

7. 单击 Simulation 窗口中的 OK 按钮。装配体的所有螺栓都被转换为螺栓连接，装配体出现在图形区域中，如图 4.85 所示。此外，六个螺栓连接被添加到 Simulation 算例树中的 Connectors 节点下，见图 4.86。此图显示了 Connectors 节点的展开视图。

第 4 节：查看螺栓连接的属性

现在，您需要查看螺栓连接的属性。

1. 展开 Simulation 算例树中 Connectors 节点的子节点，见图 4.86。
2. 右键单击展开的 Connectors 节点中的某个螺栓连接，然后单击出现的快捷菜单中的 Edit Definition 工具，见图 4.87。Connectors PropertyManager 出现，见图 4.88。

请注意，在 Connectors PropertyManager 中，螺栓参数（如头部直径、螺母直径、公称杆直径、螺栓强度数据和轴向预载荷）会自动从原始螺栓中提取，因为原始螺栓是使用 SOLIDWORKS Toolbox 添加的。

3. 确保在 PropertyManager 的 Material 卷展栏中将合金钢材料指派给螺栓连接。
4. 通过单击 Connectors PropertyManager 的绿色对勾按钮退出它。

注意：如果原始装配体中未添加螺栓，则您需要使用 Bolt 工具手动添加螺栓连接。为此，请右键单击 Simulation 算例树中的 Connections 节点，然后单击出现的快捷菜单中的 Bolt 工具。Connectors PropertyManager 出现。在此 PropertyManager 中，您需要定义螺栓属性，如螺栓头部和螺母位置、材料和预载荷。

第 5 节：指派材料

现在，您需要将 AISI 304 钢材料应用到装配体的法兰。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 Parts 节点，然后单击出现的快捷菜单中的 Apply Material to All 工具。Material 对话框出现。
2. 在此对话框中，展开 SOLIDWORKS Materials 库的 Steel 类别，然后单击 AISI 304 材料。
3. 单击 Apply 按钮，然后单击 Close 按钮。AISI 304 钢材料被指派到装配体的法兰。

提示：要将材料应用到装配体的每个单独零部件，请展开 Simulation 算例树中的 Parts 节点，然后右键单击某个零部件以显示快捷菜单。接下来，单击快捷菜单中的 Apply/Edit Material 工具以显示 Material 对话框，将材料应用到所选零部件。

第 6 节：应用夹具

现在，您需要将固定几何夹具应用到装配体的一端。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 Fixtures 选项，然后单击出现的快捷菜单中的 Fixed Geometry 工具。夹具 PropertyManager 出现在图形区域的左侧。
2. 旋转模型，使您能够查看装配体右侧法兰零部件的端面，然后选择它以应用固定几何夹具，见图 4.89。

3. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。固定几何夹具被应用到所选零部件的面。

第 7 节：应用交互

默认情况下，Bonded 零部件交互作为装配体所有零部件之间的全局交互应用。您需要编辑它以将 Contact 零部件交互应用为装配体零部件之间的全局交互。

1. 展开 Simulation 算例树中 Connections 节点的 Component Interactions 子节点，然后右键单击 Global Interaction (-Bonded-Meshed independently-) 选项以显示快捷菜单，见图 4.90。
2. 单击快捷菜单中的 Edit Definition 工具。Component Interaction PropertyManager 出现。

3. 在 PropertyManager 的 Interaction Type 卷展栏中选择 Contact 单选按钮，然后单击绿色对勾按钮。Contact 零部件交互被应用为装配体零部件之间的全局交互。

第 8 节：施加载荷

现在，您需要在左侧法兰零部件的端面上施加向下载荷。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 External Loads 选项，然后单击出现的快捷菜单中的 Force 工具。Force/Torque PropertyManager 出现。
2. 选择装配体左侧法兰零部件的端面，见图 4.91。载荷的符号出现在所选面上。
3. 在 PropertyManager 的 Force/Torque 卷展栏中选择 Selected direction 单选按钮。Face, Edge, Plane for Direction 字段出现在卷展栏中。
4. 展开 FeatureManager 设计树（现在位于图形区域的左上角），然后单击装配体的 Top Plane 作为参考平面以定义力的方向，见图 4.92。

5. 在 PropertyManager 中向下滚动，然后单击 Force 卷展栏中的 Normal to Plane 按钮，见图 4.93。
6. 在 Normal to Plane 按钮前方启用的字段中输入 8000，见图 4.93。
7. 在 PropertyManager 中选择 Reverse direction 复选框以将力的方向反转向下，见图 4.94。

8. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。8000 N 载荷被施加到左侧法兰零部件的所选面上。

第 9 节：生成网格

现在，您需要使用默认参数生成基于曲率的网格。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 Mesh 选项，然后单击出现的快捷菜单中的 Create Mesh 工具。网格 PropertyManager 出现。
2. 展开 PropertyManager 的 Mesh Parameters 卷展栏。
3. 在展开的 Mesh Parameters 卷展栏中选择 Curvature-based mesh 单选按钮。接下来，接受其他默认网格参数，然后单击绿色对勾按钮 。Mesh Progress 窗口出现，网格划分完成后，网格化模型出现，见图 4.95。

第 10 节：运行分析并显示结果

现在，您需要运行分析。

1. 单击 Simulation CommandManager 中的 Run This Study 工具。With Bolt Connectors Study（算例名称）窗口出现，显示分析的进度。
2. 运行分析的过程完成后，Results 文件夹被添加到 Simulation 算例树中，包含应力、位移和应变结果。默认情况下，Stress 结果在 Results 文件夹中激活。因此，模型上的应力分布和 von Mises 应力图解出现在图形区域中，见图 4.96。

在施加载荷下，模型中的最大 von Mises 应力为 1.076e+01 (107.558) N/mm^2 (MPa)，在材料的屈服应力 2.068e+02 (206.807) N/mm^2 (MPa) 范围内。

3. 双击 Simulation 算例树 Results 文件夹中的 Displacement1 (-Res disp-) 选项，以显示装配体上的位移分布和合成位移 (URES) 图解。同样，通过单击 Strain1 (-Equivalent-) 选项显示应变结果。
4. 通过单击快捷菜单中的 Define Factor Of Safety Plot 工具显示安全系数图解，该菜单通过右键单击 Simulation 算例树中的 Results 文件夹出现。
5. 使用 Animate 工具对模型上的应力分布进行动画演示，以查看零部件的变形形状和交互条件。

第 11 节：显示螺栓连接力

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 Results 文件夹，然后单击出现的快捷菜单中的 List Connector Force 工具。Result Force PropertyManager 出现，见图 4.97。
2. 确保在 Options 卷展栏中选择了 Connector force 单选按钮。每个连接器的所有力（如剪力、轴向力、弯矩和扭矩）出现在 PropertyManager 的 Connector Force 卷展栏中，见图 4.97。您可以通过拖动来扩展 PropertyManager 的宽度以显示结果。

提示：默认情况下，PropertyManager 中 Selection 卷展栏的 Connector 下拉列表中选择了 All connectors 选项。因此，装配体所有螺栓连接中产生的力（如剪力、轴向力、弯矩和扭矩）出现在 PropertyManager 的 Connector Force 卷展栏中。您可以在此下拉列表中选择所需选项，以仅显示所选连接器类型的力。

3. 查看螺栓连接的力后，通过单击 PropertyManager 的绿色对勾按钮退出它。

第 12 节：生成 Word 报告

现在，您可以以 Word 文档形式生成当前分析算例的报告。

1. 单击 Simulation CommandManager 中的 Report 工具，见图 4.98。Report Options 对话框出现，见图 4.99。此对话框中的选项已在前面讨论。

2. 在对话框的 Report sections 区域中，选择要包含在报告中的所需节复选框，如 Descriptions、Assumptions、Model Information 和 Mesh Information。
3. 在对话框中指定要包含在报告中的其他所需信息。接下来，单击对话框中的 Apply 按钮，然后单击 Publish 按钮。发布报告的过程开始，完成后，当前分析算例的 Word 报告打开。
4. 查看报告后，您可以保存并关闭它。

第 13 节：保存结果

现在，您需要保存结果。

1. 单击标准工具栏中的 Save 工具。模型及其结果保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C04 Case Studies > Case Study 2。