案例研究 3：带边焊缝连接的装配体静态分析

案例研究 3：带边焊缝连接的装配体静态分析

在本案例研究中，您将对带边焊缝和螺栓连接的吊架装配体进行静态分析，见图 4.100。

项目描述

吊架装配体的一端固定，600 牛顿的向下载荷施加在其另一端，见图 4.101。装配体的所有零部件均由 AISI 1035 钢 (SS) 材料制成。

项目摘要

在本案例研究中，您将运行图 4.100 所示吊架装配体的静态算例。装配体的连杆零部件是曲面零部件，您需要使用厚度为 1 mm 的壳单元对这些零部件进行网格划分。此外，您需要应用边焊缝连接将这些零部件（连杆）与装配体的其他零部件焊接在一起。您需要使用美国标准焊缝，E60 焊条和 2 mm 估计焊缝尺寸来焊接连杆。您需要应用螺栓连接来连接装配体的背板。螺栓连接由合金钢材料制成，轴向预载荷为 100 Ibf。您需要使用默认参数生成高质量的基于曲率的网格。由于装配体具有 3D 实体和 2D（曲面）几何体的组合，您将在装配体上体验到混合网格划分。

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. 打开吊架装配体
3. 启动静态算例
4. 为曲面（壳）几何体定义厚度
5. 指派材料
6. 应用夹具
7. 应用交互
8. 应用边焊缝连接
9. 应用螺栓连接
10. 施加载荷
11. 生成网格
12. 运行分析并显示结果
13. 显示焊缝结果
14. 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 Tutorials）。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：如果您在之前的案例研究中已下载本章的 C04 Case Studies 文件并保存在 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies 位置，则可以跳过上述步骤 1 和 2。

第 2 节：打开吊架装配体

1. 启动 SOLIDWORKS（如果尚未启动）。
2. 单击欢迎对话框中的 Open 按钮或标准工具栏中的 Open 工具。Open 对话框出现。
3. 浏览到位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C04 Case Studies > Case Study 3。接下来，选择 Hanger Assembly，然后单击对话框中的 Open 按钮。吊架装配体在 SOLIDWORKS 中打开。

第 3 节：启动静态算例

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。
4. 在 PropertyManager 的 Study name 字段中输入 Hanger ASM with Weld Study。
5. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。执行静态分析的工具在 Simulation CommandManager 中启用。此外，Hanger ASM with Weld Study 被添加到 Simulation 算例树中，见图 4.102。

请注意 Simulation 算例树中算例名称左侧的警告图标，因为装配体具有未定义厚度的曲面零部件。您需要为曲面零部件定义厚度。

第 4 节：为曲面（壳）几何体定义厚度

如项目描述中所述，装配体的连杆零部件是曲面零部件，您需要为这些零部件定义厚度。

1. 展开 Simulation 算例树中的 Parts 节点。装配体的所有零部件出现在展开的 Parts 节点中，见图 4.103。

2. 右键单击 Simulation 算例树 Parts 节点中的 Connecting Rod-1 曲面零部件，然后单击出现的快捷菜单中的 Edit Definition 工具，见图 4.104。Shell Definition PropertyManager 出现在图形区域的左侧。

3. 在 PropertyManager 的 Shell thickness 字段中输入 1 mm，然后单击绿色对勾按钮。所选零部件的厚度被指定为 1 mm。
4. 同样，为装配体的第二个连杆零部件（Connecting Rod-2）指定 1 mm 厚度。

第 5 节：指派材料

现在，您需要将 AISI 1035 钢材料应用到装配体的所有零部件。

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 SOLIDWORKS Materials 库的 Steel 类别中选择 AISI 1035 Steel (SS) 材料，然后单击对话框中的 Apply 按钮。接下来，单击 Close 按钮关闭对话框。AISI 1035 钢 (SS) 材料被指派到装配体的所有零部件。

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，您需要应用固定几何夹具。

1. 调用夹具 PropertyManager，然后在背板零部件的背面应用固定几何夹具，见图 4.105。接下来，退出 PropertyManager。

第 7 节：应用交互

您需要在装配体的背板和焊接板零部件之间应用 Contact 零部件交互。

1. 右键单击 Simulation 算例树中的 Connections 节点，然后在出现的快捷菜单中选择 Component Interaction 选项。Component Interaction PropertyManager 出现。
2. 在 PropertyManager 的 Interaction Type 卷展栏中选择 Contact 单选按钮。
3. 在图形区域中选择上部焊接板和背板，见图 4.106。零部件被选中。接下来，单击绿色对勾按钮。Contact 零部件交互被应用到所选零部件之间。
4. 同样，在下部焊接板和背板零部件之间应用 Contact 零部件交互，见图 4.107。

第 8 节：应用边焊缝连接

现在，您需要应用边焊缝连接来焊接装配体的连杆零部件。

1. 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 Edge Weld 工具。Edge Weld Connector PropertyManager 出现，见图 4.108。

2. 在 PropertyManager 中 Weld Type 卷展栏的 Type 下拉列表中选择 Fillet, Single-Sided 选项。
3. 选择上部连杆的圆柱面作为第一个焊缝面，见图 4.109。所选面的名称出现在 PropertyManager 的 Face Set 1 字段中。
4. 单击 PropertyManager 中的 Face Set 2 字段，然后选择上部焊接板的前面作为第二个焊缝面，见图 4.110。所选面之间的相交边被自动定义，焊缝预览以默认估计焊缝尺寸出现在相交边处。

5. 在 PropertyManager 的 Weld Sizing 卷展栏中选择 American Standard 单选按钮。
6. 在 Electrode 下拉列表中选择 E60 选项，然后在 Weld Sizing 卷展栏的 Estimated weld size 字段中输入 2 mm。
7. 接受其余默认选项，然后单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮。单面边焊缝被应用，见图 4.111。
8. 同样，在连杆零部件的相交边上添加另外三个边焊缝（Weld 2、Weld 3 和 Weld 4），见图 4.112。

第 9 节：应用螺栓连接

现在，您需要应用螺栓连接。

1. 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，见图 4.113。
2. 单击 PropertyManager 中 Type 卷展栏中的 Countersink with Nut 按钮 。

3. 单击 PropertyManager 中 Type 卷展栏中的 Conical Face 字段，然后选择右上沉头孔的锥面，见图 4.114。
4. 单击 Type 卷展栏中的 Circular Edge of The Bolt Nut Hole 字段，然后选择背板的圆形边以定义螺母位置，见图 4.115。请注意，您需要旋转装配体以选择背板的圆形边。

在 Type 卷展栏的 Nut Diameter 和 Nominal Shank Diameter 字段中，螺栓的螺母直径和公称杆直径根据所选的锥面自动定义。

5. 确保在 PropertyManager 的 Material 卷展栏中选择合金钢材料作为螺栓连接的材料。
6. 在 PropertyManager 中 Pre-load 卷展栏的 Unit 下拉列表中选择 English (IPS) 选项，作为定义螺栓连接预载荷的单位。
7. 选择 Axial 单选按钮，然后在 PropertyManager 中 Pre-load 卷展栏的 Axial load 字段中输入 100 Ibf。
8. 接受其余默认选项，然后单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮。沉头螺栓连接被添加，见图 4.116。
9. 同样，使用相同参数添加其余七个沉头螺栓连接。图 4.117 显示了添加所有螺栓连接后的装配体。

第 10 节：施加载荷

现在，您需要施加载荷。

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. 选择吊钩零部件的内圆柱面，见图 4.118。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 4.119。
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 4.120。
6. 在 Normal to Plane 按钮前方启用的字段中输入 600，见图 4.120。

7. 在 PropertyManager 中选择 Reverse direction 复选框以将力的方向反转向下，见图 4.121。
8. 单击 PropertyManager 中的绿色对勾按钮 。600 N 载荷被施加到所选零部件的面上。

第 11 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 工具以调用网格 PropertyManager。
2. 展开 PropertyManager 的 Mesh Parameters 卷展栏，然后选择 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 4.122。

注意：装配体的 3D 实体零部件使用实体四面体单元进行网格划分，曲面零部件（连杆）使用三角形壳单元进行网格划分。

第 12 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。Hanger ASM with Weld 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 4.123。

在施加载荷下，模型中的最大 von Mises 应力为 1.748e+02 (174.830) N/mm^2 (MPa)，在材料的屈服应力 2.827e+02 (282.685) N/mm^2 (MPa) 范围内。

3. 通过编辑应力图解来标注装配体的最大和最小应力区域。
4. 双击 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。

第 13 节：显示焊缝结果

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 Weld Results 工具。Edge Weld Results PropertyManager 出现，见图 4.124。
2. 默认情况下，PropertyManager 中 Type 下拉列表中选择了 Edge Weld Connector-1 选项，见图 4.124。因此，所选焊缝连接的焊缝结果（如最小和最大所需焊缝尺寸、焊缝喉部尺寸、剪力和弯矩）出现在 PropertyManager 中。请注意，此焊缝连接的最大焊缝尺寸为 1.9818 mm，小于指定的估计焊缝尺寸 2 mm。因此，所选焊缝连接能够承受施加的载荷条件。

3. 单击 PropertyManager 中 Report Options 卷展栏中的 Plot 按钮。Edge-weld size plot 窗口出现，见图 4.125。此窗口显示沿焊缝的所需焊缝尺寸和焊缝喉部尺寸。查看焊缝尺寸图解后，关闭此窗口。

4. 同样，通过在 PropertyManager 的 Type 下拉列表中选择相应的焊缝连接，查看其余焊缝连接的焊缝结果。
5. 查看焊缝结果后，通过单击 PropertyManager 的绿色对勾按钮关闭它。

第 14 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 3。