案例研究 2：扶手夹具装配体的非线性静态分析

案例研究 2：扶手夹具装配体的非线性静态分析

在本案例研究中，你将执行扶手夹具装配体的非线性分析，见图 10.36。装配体的扶手夹具零件被推向管道以夹紧它，见图 10.37。

项目描述

管道在其两端固定（见图 10.38），扶手夹具的所有自由度都被固定，除了向下方向 34 mm 的平移运动，见图 10.38。管道由 AISI 304 钢材料制成，扶手夹具由 ABS 塑料材料制成。

项目摘要

在本案例研究中，你将执行非线性静态算例。你需要使用力控制方法和牛顿-拉夫森（NR）法来收敛解。

以下序列总结了案例研究大纲：

1. 启动非线性静态分析
2. 为非线性静态分析定义属性
3. 应用夹具、载荷和材料
4. 定义部件之间的交互
5. 生成网格
6. 运行非线性静态分析
7. 在不同求解步显示 von Mises 应力图解
8. 动画显示模型上的应力分布
9. 保存结果

第 1 节：启动非线性静态分析

在本案例研究中，由于扶手夹具部件将向管道移动，并且部件之间的交互在分析过程中发生变化，你需要执行非线性分析来解决问题。这是因为此类情况属于接触非线性的范畴。

1. 启动 SOLIDWORKS，然后从位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C10 Case Studies > Case Study 2 打开 Handrail Clamp Assembly。

注意：如果之前未下载，你需要通过登录 CADArtifex 网站（cadartifex.com/login）下载包含本章文件的 C10 Case Studies 文件。

2. 在 CommandManager 中单击 Simulation 选项卡。Simulation CommandManager 的工具出现。
3. 在 Simulation CommandManager 中单击 New Study 工具。Study PropertyManager 出现在图形区域的左侧。
4. 在 PropertyManager 的 Advanced Simulation 卷展栏中单击 Nonlinear 按钮，见图 10.39。
5. 确保 Advanced Simulation 卷展栏中 Nonlinear 按钮下方可用的 Static 按钮已激活，以执行非线性静态分析，见图 10.39。
6. 在 PropertyManager 中 Name 卷展栏的 Study name 字段中输入 Clamp Nonlinear Study。
7. 在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮 。Clamp Nonlinear Study 被添加到 Simulation Study Tree 中，见图 10.40。

第 2 节：为非线性静态分析定义属性

在你开始执行非线性静态分析之前，你可以定义其属性以控制非线性静态算例的求解和输出。

1. 在 Simulation Study Tree 中右键单击 Clamp Nonlinear Study（算例名称），然后在出现的快捷菜单中单击 Properties 工具，见图 10.41。Nonlinear - Static 对话框出现，见图 10.42。

2. 确保在对话框的 Stepping options 区域中开始时间和结束时间分别设置为 0 和 1。
3. 确保在对话框中 Automatic (autostepping) 单选按钮作为时间增量方法被激活，以自动确定增量载荷步。
4. 接受对话框 Stepping options 区域中默认指定的其余选项。

在定义时间段和时间增量方法之后，你需要定义控制和迭代方法。

5. 在 Nonlinear - Static 对话框中单击 Advanced Options 按钮。定义控制和迭代方法的选项出现在对话框中，见图 10.43。

6. 确保在 Method 区域的 Control 下拉列表中选择 Force 选项作为控制方法。
7. 确保在 Iterative technique 下拉列表中选择 NR (Newton-Raphson) 选项作为迭代方法。
8. 接受对话框 Step/Tolerance options 区域中默认指定的值，见图 10.44。

9. 在对话框的 Intermediate Results 区域中选择 Show intermediate results up to current iteration (when running) 复选框，以在非线性算例进行时在图形区域中查看中间结果。
10. 在对话框中单击 OK 按钮以接受更改并关闭对话框。

第 3 节：应用夹具、载荷和材料

现在，你需要应用夹具、载荷和材料以执行非线性静态分析。

1. 通过单击其前面的箭头展开 Simulation Study Tree 中的 Parts 节点，以显示装配体的所有部件，见图 10.45。

2. 在展开的 Parts 节点中右键单击 Handrail Clamp 部件，然后在出现的快捷菜单中单击 Apply/Edit Material 工具，见图 10.46。Material 对话框出现。

3. 展开 SOLIDWORKS Materials 库中的 Plastics 类别，然后单击 ABS 材料。ABS 塑料材料的材料属性出现在对话框的右侧面板中。
4. 单击 Apply 按钮，然后关闭对话框。ABS 塑料材料属性被分配给 Handrail Clamp 部件，对话框关闭。
5. 同样，将 AISI 304 钢材料应用到 Pipe 部件。

现在，你需要应用所需的夹具来固定 Pipe 部件，并允许 Handrail Clamp 部件向 Pipe 部件平移 34 mm。

6. 在 Simulation Study Tree 中右键单击 Fixtures 选项，然后在出现的快捷菜单中单击 Fixed Geometry 工具。Fixture PropertyManager 出现。
7. 选择 Pipe 部件的两端以应用 Fixed Geometry 夹具，见图 10.47。
8. 在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮。Fixed Geometry 夹具已应用到 Pipe 部件。
9. 在 Simulation Study Tree 中右键单击 Fixtures 选项，然后在出现的快捷菜单中单击 Advanced Fixtures 工具。Fixture PropertyManager 出现，并展开 Advanced 卷展栏。
10. 在 PropertyManager 的 Advanced 卷展栏中单击 On Flat Faces 按钮，见图 10.48。

11. 选择 Handrail Clamp 部件的顶部中间面以应用 On Flat Face 夹具，见图 10.49。
12. 确保在 PropertyManager 中 Translations 卷展栏的 Unit 下拉列表中选择 mm 作为单位，见图 10.50。
13. 在 PropertyManager 的 Translations 卷展栏中，单击 Along Face Dir 1、Along Face Dir 2 和 Normal to Face 按钮，见图 10.50。
14. 在 PropertyManager 的 Normal to Face 字段中输入 34，作为沿所选面法向方向的平移运动，见图 10.50。
15. 确保在卷展栏的 Along Face Dir 1 和 Along Face Dir 2 字段中输入 0（零）值，以限制所选面在这些方向上的平移运动。

16. 确保在 PropertyManager 的 Variation with Time 卷展栏中选择 Linear 单选按钮，然后单击 View 按钮。Time curve 对话框出现，见图 10.51。

请注意，程序根据指定的时间增量方法 [Automatic (autostepping)]，在不同的增量时间步中以线性方式应用预定义的 34 mm 平移。它从零时间步的零位移开始，然后在结束时间步增加到其完整值（34 mm）。

17. 查看时间曲线后，关闭 Time curve 对话框。
18. 在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮。On Flat Face 夹具已应用到 Handrail Clamp 部件，并具有预定义的 34 mm 平移运动。

第 4 节：定义部件之间的交互

现在，你需要定义部件交互面之间的 Contact 交互，以覆盖全局交互条件。

1. 在 Simulation Study Tree 中右键单击 Connections 节点，然后在出现的快捷菜单中单击 Local Interaction 工具。Local Interactions PropertyManager 出现在图形区域的左侧。
2. 确保在 Interaction 卷展栏中选择 Manually select local interactions 单选按钮。
3. 确保在 Type 卷展栏的下拉列表中选择 Contact 选项。
4. 选择 Pipe 部件的外切面（4 个面）作为第一个交互集，见图 10.52。所选面的名称出现在 PropertyManager 中 Type 卷展栏的 Faces, Edges, Vertices for Set 1 字段中。
5. 单击 Type 卷展栏中的 Faces for Set 2 字段，然后选择 Handrail Clamp 部件的切面（13 个面）作为第二个交互集，这些面在平移时可能与 Pipe 部件接触，见图 10.52。
6. 展开 PropertyManager 中的 Advanced 卷展栏，然后在 Contact formulation 区域中选择 Node to surface 单选按钮。
7. 在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮。Contact 局部交互已应用。

第 5 节：生成网格

1. 使用 Create Mesh 工具以默认网格参数生成基于曲率的网格。图 10.53 显示了划分网格的模型。

第 6 节：运行非线性静态分析

1. 在 Simulation CommandManager 中单击 Run This Study 工具。Clamp Nonlinear Study（算例名称）窗口出现，显示非线性静态分析的进度。此外，SOLIDWORKS 消息窗口出现，通知你已选择在运行分析时显示中间结果。因此，如果你切换到另一个 SOLIDWORKS 文档或关闭活动模型，分析将终止。

注意：如果 Simulation 消息窗口出现，通知你未检测到部件之间的初始接触，请在此窗口中单击 No 按钮以继续算例。

2. 在 SOLIDWORKS 消息窗口中单击 OK 按钮。当非线性静态分析进行时，中间结果出现在图形区域中。非线性静态分析将需要相当长的时间才能完成。分析完成后，Results 文件夹被添加到 Simulation Study Tree 中，包含应力、位移和应变结果。默认情况下，Stress 结果被激活。因此，模型上的应力分布和非线性分析的 von Mises 应力图解出现，见图 10.54。

默认情况下，von Mises 应力图解显示结束求解步的结果。结束求解步的最大 von Mises 应力大约为 7.357+00（7.357）N/mm^2（MPa），见图 10.54。你可以显示不同求解步的应力结果，接下来将讨论。

第 7 节：在不同求解步显示 von Mises 应力图解

在非线性静态分析中，你还可以显示不同求解步的结果。默认情况下，程序显示结束求解步的结果。

1. 在 Simulation Study Tree 中右键单击 Results 文件夹，然后在出现的快捷菜单中单击 Define Stress Plot 工具。Stress plot PropertyManager 出现，见图 10.55。

提示：要显示位移图解和应变图解，你需要在快捷菜单中分别单击 Define Displacement Plot 工具和 Define Strain Plot 工具。

2. 确保 PropertyManager 中的 Definition 选项卡已激活，见图 10.55。

默认情况下，在 PropertyManager 的 Time 字段中输入值 1，见图 10.55。因此，von Mises 应力图解将显示结束求解步的结果，在本案例研究中为 14。

3. 在 PropertyManager 的 Plot Step 字段中输入 7，以显示第 7 个求解步的应力结果。接下来，单击图形区域中的任意位置。与指定求解步（第 7 步）对应的时间步（0.34 sec）出现在 PropertyManager 的 Time 字段中。
4. 在 PropertyManager 的 Deformed shape 卷展栏中选择 True scale 单选按钮，以真实比例显示模型的变形形状。
5. 在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮。第 7 个求解步在 0.34 sec 时的 von Mises 应力图解出现在图形区域中，见图 10.56。此外，指定求解步的应力图解（stress2 (-vonMises-)）被添加到 Simulation Study Tree 的 Results 文件夹中。

第 7 个求解步的最大 von Mises 应力大约为 7.771e+00（7.771）N/mm^2（MPa），见图 10.56。

6. 同样，你可以显示不同求解步的 von Mises 应力图解。

第 8 节：动画显示模型上的应力分布

现在，你将动画显示应力分布并查看模型的变形形状。

1. 双击 Simulation Study Tree 中的 Stress1 (-vonMises-) 图解以激活它。
2. 在 Simulation Study Tree 中右键单击已激活的 Stress1 (-vonMises-) 图解。快捷菜单出现。在此快捷菜单中，单击 Animate 选项。Animation PropertyManager 出现，见图 10.57。此外，动画以默认动画设置在图形区域中开始。你可以使用 PropertyManager 更改动画设置。

3. 要将动画保存为 AVI 文件，请在 PropertyManager 中选择 Save as AVI file 复选框。接下来，指定保存文件的路径。
4. 查看变形形状的动画效果后，在 PropertyManager 中单击绿色对勾按钮以退出 PropertyManager，并将 AVI 文件保存在指定位置。

第 9 节：保存结果

1. 在 Standard 工具栏中单击 Save 工具。模型及其结果保存在位置 > SOLIDWORKS Simulation > Case Studies > C10 Case Studies > Case Study 2 中。
2. 关闭 SOLIDWORKS 会话。