静力学分析

5.犁的静力学分析5.1犁的牵引阻力的计算牵引阻力理论公式：2abKabfGP（5-1）式中P—犁在正常情况下的平均牵引阻力，公斤；G—犁的重量，kg；f—综合摩擦系数；K—土垡抵抗变形系数；a—耕深，cm；b—工作幅宽，cm；—土垡抛出性能参数；—耕犁的平均速度，sm/如图5-1所示，经测量犁的重量为kgG177.18，耕深cma8.8，工作幅宽cmb12；查表知：综合摩擦系数375.0f，土垡抵抗变形系数6.0K，土垡抛出性能参数610400；经试验测得：犁耕犁的平均速度sm/339.1。代入数据得：339.1128.8105.6128.86.0375.0177.1862abKabfGPkg047.78犁在工作状态时牵引阻力为：NNgPF47.78010047.78*5.2犁的静应力分析5.2.1项目描述由以上计算可知犁在工作状态下的受力NF47.780，仿真犁的实际工况，探究犁在工作状态下应力分布情、受力变形情况，从受力的角度验证犁的设计选用的准确性。5.2.2静应力分析⑴采用默认网格运行分析步骤1打开装配体打开犁的静应力分析文件夹中的“装配体”，如图5-1所示。图5-1步骤2几何体处理几何体准备在理想情况下，用SolidWorks的几何体导入SolidWorksSimulation环境，这种方法在简单模型下能起作用。对于更为复杂的几何体，则要求在网格划分前对模型进行处理，CAD几何体处理后得到分析用的FEA几何体。特征消隐CAD几何体包含了组成零件所必需的所有特征，为减小不必要的计算量，将对分析无关紧要的特征消隐。图5-2清除符合制造目的的CAD几何体包含了一些细小特征，导致不能正常划分网格，或迫使需要创建大量网格单元，或扭曲单元，必须加以清理，使网格划分正常化。零件消隐如图5-1所示的装配体包含了组成装配体的所有零部件，其中有很多零部件对分析无关紧要，去除后得到如图5-2所示的装配体。因为两个犁是一样的，为减小计算量，将分析几何体缩小为其中一个犁，得到如图5-3所示的分析几何体。图5-3为减少网格和接触的数量，提高求解速度，加快分析进程，采用数学上的接头来替代创建一个真实的接头模型。将5-3所示的装配体中的螺栓用数学模型替代，如图5-4所示。图5-4步骤3创建算例单击【工具】/【插件】选项，激活【Simulation】插件，创建一个名为“标准求解”的静态算例，如图5-5所示。图5-5步骤4为SolidWorkSimulation指定默认单位在【默认选项】下选择【单位】，设定【单位系统】为【公制】，【长度/位移】单位为【毫米】，【压力/应力】单位为【N/m2】，如图5-6所示。图5-6步骤5设置颜色图表选项在【默认选项】下选择【图解】，在【图解】文件夹下选择【颜色图表】，设置【数字格式】为【科学】，【小数点位数】为6，如图5-7所示。选择【确定】退出【选项】窗口。图5-7步骤6指定材料属性选择Simulation菜单下的【材料】，单击【应用材料到所有】，选择【SolidWorksmaterials】，从名为“钢”的文件夹中选择“1045钢”，如图5-8所示。图5-8步骤7定义固定约束固定几何体固定几何体即所有的平移和转动自由度均被限制，边界条件不需要给出沿某个具体方向的约束条件。在SimulationStudy树中，右键单击【夹具】并选择【固定几何体】，转动模型，选择要添加夹具的面，如图5-9所示。图5-9步骤3创建螺栓接头【紧密配合】选项不仅控制螺栓杆是否与孔直接接触，还控制螺栓孔的壁面是否会发生变形。如果螺栓材料的刚度明显小于螺栓连接零部件材料的刚度，柔软的螺栓杆对孔壁的变形不会产生任何影响，或螺栓直径小于螺栓孔的直径，此时应该清除【紧密配合】选项；如果材料的刚度相当，或螺栓材料的刚度明显大于螺栓连接零部件的材料的刚度，此时应激活【紧密配合】选项。在SimulationStudy树中，右键单击【连结】，在【类型】列表中选择【螺栓】接头，在螺栓【类型】中选择【带螺母柱形沉头孔螺栓】，在【螺栓螺母孔的圆形边线】框中选择螺栓孔的边线，【螺母直径】和【螺栓柄直径】保持为默认参数，分mm2.13和mm8.8定义【材料】为【合金钢】，【力矩】预载为【150】MN，【摩擦系数K】为0.2.步骤9定义载荷载荷模型约束好后需要添加外部载荷，沿所选的平面、曲面、边线等参考所确定的方向，对一个平面、边线或一个点施加力或力矩。壳单元的每个节点有六个平移和转动自由度，可以承担力矩；实体单元节点只有三个平移自由度，不能直接承担力矩，对实体添加力矩必须通过转换成相应的分布力或远程载荷。在SimulationStudy树中，右键单击【外部载荷】并选择【力】，列出需要定义载荷的选项，在【类型】中选择【法向】，并在“力值”一栏中输入【780.47】，如图5-10所示，单击“确定”。图5-10步骤10划分网格一阶实体四面体单元一阶草稿品质实体四面体单元在几何体内沿着面和边缘模拟一阶线性位移场，每个一阶实体四面体单元有四个节点，即四面体的四个角点，每个节点有三个自由度。由一阶单元组成的网格模拟出的真实复杂的位移和应力场有严重局限性，直线和平面不能正确模拟曲面形几何模型。二阶实体四面体单元二阶高品质四面体单元模拟了二阶抛物线形位移场以及相应的一阶应力场，每个二阶四面体单元有十个节点，四个角点和六个中间节点，每个节点有三个自由度，具有较好的绘图能力和模拟二阶位移场的能力。一阶三角形单元一阶三角形壳单元沿面和边模拟线性位移场，以及常数应变和应力，变形时一阶单元的直边仍然保持为直线每个一阶单元有三个节点，每个节点有六个自由度位移有三个平移分量和三个转动分量描述。二阶三角形壳单元二阶高品质三角形壳单元模拟二阶位移场和一阶线性应力场。每个二阶单元有六个节点，三个角点和三个中间节点，二阶单元的边和面可以模拟曲线形状。横梁单元两个节点的梁单元把两个面外挠度参数模拟为三次函数，并把轴向位移和扭转模拟为线性。两节点梁单元的形状在初始时是平直的，假定形状在变形后为三次方的一个函数。两节点的梁单元在每个端点处都有六个自由度，三个平移自由度和三个旋转自由度。在SimulationStudy树中，右键单击【网格】，采用高品质的单元划分模型网格，默认的网格密度指示滑块处于滑条中间位置，网格单元显示为6.95091975mm，公差为该数值的5%，显示为0.34754599mm，如图5-11所示。图5-11图5-12步骤11查看网格质量单元大小和公差系统是基于模型的几何形状和特征自动建立的，网格密度直接影响结果精度。单元越小，离散化误差越低，但相应的网格划分和求解时间越长。显示上一步产生的网格，如图5-12所示。步骤12查看网格细节长宽比检查采用均匀、完美的正四面体或正三角形，可以的得到精度很好的数值解。对于常见几何体，创建完美四面体单元网格是不可能的，对于细小边界、弯曲形体、细小特征和尖角等，生成的网格中会有一些边远远长于另外一些边。当单元的边在长度上相差很大时，计算的精度将大打折扣，四面体的长宽被用作计算其他单元长宽比。一个单元的长宽比定义为最长边与顶点到其相对面法向距离的最小值的比值。雅克比检查同样大小尺寸，二次单元比线性单元更能精确地匹配弯曲几何体，单元边界上的中波节放置在真实几何体上。在尖劈和弯曲边界，将波节放置在真实几何体上会导致产生边缘相互叠加的扭曲单元。一个极端扭曲单元的雅克比行列式是负的，二具有雅克比行列式的单元则会导致分析程序终止。雅克比检查基于一系列的点，这些点位于每个单元中。SolidWorksSimulation的雅克比检查选择4、16或29各高斯点或【在节上】。所有波节均精确位于直边中点的正四面体的雅克比率为1.0，随着曲率增加，雅克比率也增大，单元内一点的雅克比率是单元在该点处的扭曲程度的度量。SolidWorksSimulation计算每个四面体单元所选高斯点处的雅克比率。SolidWorksSimulation自动调整扭曲单元中波节的位置，确保所有单元均能通过雅克比检查。在SimulationStudy树中，右键单击【网格】，查看细节，如图5-13所示。图5-13步骤13选择计算器解算器网格划分后的模型以大量线性代数方程组的方式出现在解算器中，这些方程组用直接法和迭代法两种方法求解。直接法利用精确数值方法求解方程组，迭代法利用近似技术求解方程组。SolidWorksSimulation有两种解算器，DirectSparse解算器和FFEPlus。FFEPlus在处理自由度超过100000时，速度较快；DirectSparse解算器在计算机可用内存足够时速度较快；模型中使用的材料弹性模量差异很大时，使用DirectSparse解算器速度较快。在SimulationStudy树中，右键单击【算例】，选择FFEPlus解算器，如图5-14所示。图5-14步骤14运行分析FEA计算有限元网格中每个节点的自由度构成了未知量，实体单元计算每个节点的三个位移分量，即三个自由度；壳单元计算六个位移分量，即六个自由度。在SimulationStudy树中，右键单击【算例】，选择【运行】，分析进行时，解算器窗口监视运算过程，如图5-15所示。图5-15步骤15生成结果图解FEA结果解释在热分析中提供温度、温度梯度和热流的解，FEA在结构分析中提供位移、应变、应力的解。结构分析中的应力为vonMisses应力，是一个集中了三维应力状态的六个应力分量的应力度量值。对于一个立方体单元，每个面上作用着一个正应力和两个切应力，三维状态的应力只有六个应力分量，即zxxzyzyzxyxyvonMisses应力表达式可由以下在整体坐标系下定义的应力分量表示，即22222235.0zxyzxyxzzyyxeq在SimulationStudy树中，右键单击所需的应力图解，选择【编辑定义】如图3-16所示，在高级选项中选择“波节值”。在求解过程中，对于每个单元，应力在确定的高斯点上计算出。一阶草高品质四面体单元在体内只有一个高斯点，二阶四面体单元有四个高斯点。一阶壳单元有一个高斯点，二阶壳单元有三个高斯点。波节值高斯点上的应力不作平均的情况下，外推导单元节点上，一个节点被几个单元所共享，每个单元在该共享节点上产生不同的应力值。从相邻单元汇总得到的数值平均后得到波节值。单元值每个单元的高斯点所对应的应力数值平均后得到一个唯一的单元值，虽然是由高斯点平均得到，由于单元值是针对同一单元内部求平均值，单元值仍是非平均应力。图5-16在SimulationStudy树中，右键单击所需的应力图解，选择【显示】，得到应力图解如图5-17所示。图5-17在SimulationStudy树中，右键单击所需的位移图解，选择【显示】，得到应力图解如图5-18所示。图5-18⑵采用自适应网格运行分析网格划分质量影响求解结果的准确度，上述分析基于的网格默认网格，默认网格没有足够的单元来获取圆角附近的应力梯度。因此，为提高分析结果精度，采用自适应网格划分FEA几何体。步骤1复制算例在SimulationStudy树中，复制“标准求解”算例，并命名为“自适应求解”。步骤2设置自适应求解算例参数目标精度目标精度是模型总体应变能标准的精度，设置为98%意味着两次连续循环总体应变能差值低于2%时停止。目标精度基于模型整体应变能，是离散化误差的整体度量。精度偏差循环需要精度偏差控制，将【精度偏差】滑块置于左端，程序将获得峰值应力结果，局部区域的高应变能误差将被优先处理；滑块置于右端，程序获得相对低的应变能误差，不需要直接控制全部应变能数量。最大循环数SolidWorksSimulation在原始网格基础上对网格进行细化，最大循环数设为n，求解将由n+1步构成：原始网格和n次细化。在SimulationStudy树中，右键单击自适应求解算例，算则【属性】，单