高階篇：5）仿真研究Simulation studies

本章目的：瞭解仿真，初步學會怎麼應用仿真。

 

1.仿真的定義

仿真------就是用模型（物理模型或數學模型）代替實際系統進行實驗和研究。

把實際系統創建成物理模型或數學模型進行研究，而後把對模型實驗研究的結果應用到實際系統中去，這種方法就叫作模擬仿真研究，簡稱仿真。

 

2.仿真的目的

仿真就是爲了節約成本：金錢和時間。

若是你有時間和金錢，固然是來真的好，而不是「仿」真。

 

3.仿真在可靠性設計中的做用

3.1 現有設計的預防控制

• 仿真研究——概念分析，創建設計要求;

• Simulation studies – analysis of concepts to establish design requirements;

//運用仿真來創建設計要求，做者理解爲一般運用仿真創建設計的極限值，規定後來設計值須符合此極限值。特色是仿真結果給出在結構設計以前。

 

3.2 現有設計的探測控制

• 仿真研究——設計確認;
• Simulation studies – validation of design;

//這個運用較多，一般設計均可以先經過仿真探測現有設計合格與否，再進行試驗，大大節省時間和成本。特色是仿真結果給出在結構設計以後。

 

在FMEA手冊中，仿真Simulation studies橫跨預防控制和探測控制，可見手段之強悍。就算不去深刻學習，也是有必要關注一下的。

 

4.仿真所遵循的基本原則

基本原則爲類似原則，即：
幾何類似
環境類似
性能形似

 

5.仿真的分類

依據類似原理仿真可分爲：
      *  物理仿真
      *  數學仿真
      *  混合仿真

隨着計算機技術的發展，計算機仿真愈來愈多地取代純物理仿真。

 

6.仿真過程

 

7.workbench靜態應力仿真流程舉例

由於做者會經常使用到靜態應力的校覈（設計特徵強度是否過關），因此這裏將流程介紹給你們。

Ansys Workbench操做界面友好，工做流設計巧妙。對於靜態結構分析，只要一步一步按要求作下來，基本都會完成。

靜態應力分析的流程以下：

1）仿真問題和目的分析;

2）導入模型;

//這一步能夠在SolidWorks中安裝插件，使workbench與SolidWorks同步。

3）分析類型選擇;

//靜態應力爲Static Structural 。

4）材料定義；

//材料通常會在分析軟件workbench中定義，是爲防止軟件對接出現bug。

5）網格劃分；

6）施加約束和載荷；

7）計算；

8）後處理；

 

經過一個簡單的分析案例，對ANSYS Workbench有一個初步的瞭解。

在學習時無需深刻了解操做步驟的每一項內容（若是你不是靠仿真吃飯的話），瞭解ANSYS Workbench有限元分析的基本流程便可，即活學活用。

本例題能夠採用V14.0求解，和V13.0結果相比，有必定的差別。

 

7.1 案例背景介紹

某如圖1-24所示不鏽鋼鋼板尺寸爲320mmX50mmX20mm，其中一端爲固定，另外一端爲自由狀態，同時在一面上分佈有均布載荷q=0.2MPa，請用ANSYS Workbench 求解出應力與應變的分佈雲圖。

 

7.2 啓動Workbench並創建分析項目

（1）在Windows系統下執行「開始」→「全部程序」→ANSYS 14.0→Workbench命令，啓動ANSYS Workbench 14.0，進入主界面。

（2）雙擊主界面 Toolbox（工具箱）中的 Component systems→Symmetry（幾何體）選項，便可在項目管理區建立分析項目A，如圖1-25所示

（3） 在工具箱中的Analysis System→Static Structural上按住鼠標左鍵拖曳到項目管理區中，當項目A的Symmetry紅色高亮顯示時，放開鼠標建立項目B，此時相關聯的項數據可共享，如圖1-26所示。

提示：本例是線性靜態結構分析，建立項目時可直接建立項目B，而不建立項目A，幾何體的導入可在項目B中的B3欄Geometry中導入建立。本例的建立方法在對同一模型進行不一樣的分析時會常常用到。

 

7.3 導入建立幾何體

（1）在A2欄的Geometry上點擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry→Browse命令，如圖1-27所示，此時會彈出「打開」對話框。

（2）在彈出的「打開」對話框中選擇文件路徑，導入char01-01幾何體文件，如圖1-28所示，此時A2欄Geometry後的？變爲√，表示實體模型已經存在。

 

幾何體 圖1-28「打開」對話框
（ 3）雙擊項目A中的A2欄Geometry，此時會進入到DesignModeler界面，此時設計樹種Import1前顯示 ，表示須要生成，圖形窗口中沒有圖形顯示，如圖1-29所示。
（ 4）單擊 （生成）按鈕，便可顯示生成的幾何體，如圖1-30所示，此時可在幾何體上進行其它的操做，本例無需進行操做。
（ 5）單擊 DesignModeler界面右上角的（關閉）按鈕，退出DesignModeler，返回到Workbench主界面 。

 

7.4 添加材料庫

（1）雙擊項目B中的B2欄Engineering Data項，進入如圖1-31所示的材料參數設置界面，在該界面下便可進行材料參數設置。

 

（2）在界面的空白處單擊鼠標右鍵，彈出快捷菜單中選擇Engineering Data Sources（工程數據源），此時的界面會變爲如圖1-32所示的界面。原界面窗口中的Outline of Schematic B2: Engineering Data消失，取代以 Engineering Data Sources及Outline of Favorites。

（3）在Engineering Data Sources表中選擇A3欄General Materials，而後單擊Outline of Favorites表中A8欄Stainless Steel（不鏽鋼）後的B8欄的（添加），此時在C8欄中會顯示（使用中的）標識，如圖1-33所示，標識材料添加成功。

（ 4）同步驟（ 2），在界面的空白處單擊鼠標右鍵，在彈出快捷菜單中選擇Engineering Data Sources（工程數據源），返回到初始界面中。

（ 5）根據實際工程材料的特性，在Properties of Outline Row 3: Stainless Steel表中能夠修改材料的特性，如圖1-34所示，本實例採用的是默認值。

提示：用戶也能夠經過在 Engineering Data窗口中自行建立新材料添加到模型庫中。

（6）單擊工具欄中的按鈕，返回到Workbench主界面，材料庫添加完畢。

 

7.5 添加模型材料屬性

（1）雙擊主界面項目管理區項目B中的B3欄Model項，進入如圖1-35所示Mechanical界面，在該界面下便可進行網格的劃分、分析設置、結果觀察等操做。

提示：此時分析樹 Geometry前顯示的爲問號，表示數據不徹底，須要輸入完整的數據。本例是由於沒有爲模型添加材料的緣故。

（ 2）選擇Mechanical界面左側Outlines（分析樹）中Geometry選項下的Char01-01，此時便可在Detailsof 「Char01-01」（參數列表）中給模型添加材料，如圖1-36所示。

（ 3）單擊參數列表中的 Material 下 Assignment黃色區域後的，此時會出現剛剛設置的材料StainlessSteel，選擇便可將其添加到模型中去。此時分析樹Geometry前的變爲，如圖1-37所示，表示材料已經添加成功。 

 

7.6 劃分網格

（1）選擇Mechanical界面左側Outline（分析樹）中的Mesh選項，此時可在Details of 「Mesh」（參數列表）中修改網格參數，本例中在Sizing中的Relevance Center選項設置爲Medum，其他採用默認設置。

（ 2）在 Outlines（分析樹）中的Mesh選項單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Generate Mesh命令，此時會彈出如圖 1-38所示的進度顯示條，表示網格正在劃分，當網格劃分完成後，進度條自動消失，最終的網格效果如圖1-39所示。

 

 

7.7 施加載荷與約束

（1）選擇Mechanical界面左側Outline（分析樹）中的Static Structural（B5）選項，此時會出現如圖1-40所示的Environment工具欄。

（2）選擇 Environment工具欄中的Supports（約束）→Fixed Support（固定約束）命令，此時在分析樹種會出現Fixed Support選項，如圖1-41所示

 

 

（3）選中Fixed Support，選擇須要施加固定約束的面，單擊Details of 「Static Structural（B5）」（參數列表）中Geometry選項下的按鈕，便可在選中面上施加固定約束，如圖1-42所示。 

 

（4）如同操做步驟（2）選擇Environment工具欄中的Loads（載荷）→Pressure（壓力）命令，此時在分析樹種會出現Pressure選項，如圖1-43所示。

 

 

（ 5）如同操做步驟（3）選中Pressure，選擇須要施加壓力的面，單擊Details of 「Static Structural（B5）」（參數列表）中Geometry選項下的按鈕，同時在Magnitude選項下設置壓力爲0.2MPa的面載荷，如圖1-44所示。

 

（6）在Outlines（分析樹）中的Static Structural（B5）選項單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Solve命令，此時會彈出進度顯示條，表示正在求解，當求解完成後進度條自動消失，如圖1-45所示。

 

7.8 結果後處理

（1）選擇Mechanical界面左側Outline（分析樹）中的Solution（B6）選項，此時會出現如圖1-46所示的Solution工具欄。

（2）選擇 Solution工具欄中的Stress（應力）→Equivalent（von-Mises）命令，此時在分析樹種會出現Equivalent Stress（等效應力）選項，如圖1-47所示

 

（3）如同步驟（2）選擇Solution工具欄中的Strain（應變）→Equivalent（von-Mises）命令，如圖1-48所示，此時在分析樹種會出現Equivalent Elastic Strain（等效應變）選項。

（4）如同步驟（ 2）選擇 Solution工具欄中的Deformation（變形）→Total命令，如圖1-49所示，此時在分析樹種會出現Total Deformation（總變形）選項。

 

（5）在Outlines（分析樹）中的Solution（B6）選項單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Equivalent All Results命令，如圖 1-50所示，此時會彈出進度顯示條，表示正在求解，當求解完成後進度條自動消失。 

 

（6）選擇Outline（分析樹）中Solution（B6）下的Equivalent Stress選項，此時會出現如圖1-51所示的應力分析雲圖。
（7）選擇Outline（分析樹）中Solution（B6）下的Equivalent Elastic Strain選項，此時會出現如圖1-52所示的應變分析雲圖。

 

（8）選擇Outline（分析樹）中Solution（B6）下的Total Deformation（總變形），此時會出現如圖1-53所示的總變形分析雲圖。

 

7.9 保存與退出

（1）單擊Mechanical界面右上角的（關閉）按鈕，退出Mechanical返回到Workbench主界面。此時主界面中的項目管理區中顯示的分析項目均已完成，如圖1-54所示。
（2）在 Workbench主界面中單擊經常使用工具欄中的（保存）按鈕，保存包含有分析結果的文件。

（3）單擊右上角的（關閉）按鈕，退出Workbench主界面，完成項目分析。

 

 

8.結構工程師須要掌握的仿真技術

仿真是一項須要深刻研究的技術，特別是一些大型項目的仿真，更加須要專業人士終年累月的研究，才能取得必定的成果。個別如流體仿真，運動仿真等。

但一些基礎的仿真，做者仍是建議結構工程師掌握並經常運用，更加有利於設計出更好的產品。

依據做者的經驗，結構工程師經常使用的仿真以下：

8.1 壁厚分析、底切分析、拔模分析

是的，這也是仿真分析的一種，只是相對於應力，流量等仿真而言經常被人忽略。可是在塑膠件設計中確是必不可少的。

 

8.2 干涉檢查、測量、質量屬性

 

在裝配體建模後，干涉檢查是必作項目。

測量可用於公差分析觀察理論值，質量屬性能夠預估出產品大體重量。

 

8.3 鈑金展開

 

對於簡單的鈑金零件，能夠用鈑金展開功能查看有無干涉，更加利於鈑金設計。

 

8.4 靜態應力檢測

 

產品可靠性設計須要留有餘裕（穩健性）。

好比一個產品設計要求能承受10kg的力，那麼你通常須要設計出能承受20kg的產品，來保證產品在各類條件下不能出危險。但又不能過穩健的設計，能承受1000kg的力的產品顯然是耗費的成本太高了。這時候，簡單的靜態應力分析（如上例所示），就能夠解決這種問題。

這種簡單的靜態應力分析，其實就是用來取代之前的筆算來確認產品的受力狀況。

但以做者作檢測的經驗來看，仿真，特別是第一次無以往實例的仿真，是有很大不肯定性的。因此最好筆算的公式也加上。

 

8.5 進階：散熱分析等

 

結構設計中經常用到散熱設計：對流、傳導、輻射。

那麼做者建議至少學一些單板級的散熱分析，是有助於結構設計的。

其餘的如動態仿真等，就看結構工程師工做的須要了。

不過通常太過艱難的仿真，公司都會有專門的仿真部門加以應對，能夠求助於他們。