基于SolidWorks的梁的彎曲變形仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks的COSMOSXpress工具對(duì)梁的彎曲變形進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)梁進(jìn)行有限元分析，直觀的驗(yàn)證了梁發(fā)生彎曲變形時(shí)的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，為改進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)便易行的有效手段。

關(guān)鍵詞：SolidWorks COSMOSXpress 仿真實(shí)驗(yàn) 應(yīng)力分析 有限元

中圖分類號(hào)：TH114 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（a）-0032-01

仿真是利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)分析研究系統(tǒng)。仿真與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種實(shí)驗(yàn)技術(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)相比，能夠極大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率。借助計(jì)算機(jī)仿真對(duì)懸臂梁發(fā)生彎曲變形進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，既可以直觀的了解梁的應(yīng)力分布與變形規(guī)律，還能在對(duì)其應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為梁的彎曲變形研究提供了簡(jiǎn)便可靠的有效手段。

1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

仿真的重要工具是計(jì)算機(jī)和仿真軟件。仿真的過(guò)程包括建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要步驟：即借助三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行建模，并應(yīng)用其插件COSMOSXpress工具對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析，真實(shí)直觀再現(xiàn)梁的彎曲變形物理過(guò)程。

2 仿真實(shí)驗(yàn)方法與步驟

2.1 三維建模

在三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks環(huán)境下建立懸臂梁的立體模型并指定材料（COS MOSXpress自帶材料庫(kù)，可以根據(jù)需要選擇），如普通碳鋼，截面自行設(shè)計(jì)采用工字型鋼（圖1）。

2.2 設(shè)定約束條件

懸臂梁一端受到固定端約束，固定端約束使懸臂梁不能產(chǎn)生任何方向的移動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，受到的是空間力系的作用，自由度為零；另一端是自由端，如圖2所示。

2.3 施加載荷

工程實(shí)際中梁所承受的載荷形式多種多樣，其中均布載荷較為常見(jiàn)，現(xiàn)將100kN的載荷沿整個(gè)梁長(zhǎng)均勻分布在梁的上端面，如圖3所示。

2.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析即分析和求解結(jié)構(gòu)內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)力分布的方法。應(yīng)力分析主要用于確定與結(jié)構(gòu)失效有關(guān)的危險(xiǎn)點(diǎn)部位的峰值應(yīng)力和應(yīng)變。SolidWorks為零件的應(yīng)力分析提供了COSMOSXpress工具，COSMOSX press基于有限元分析方法原理，會(huì)自動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即將整個(gè)模型劃分為更加細(xì)小的、更易于分析的塊，這些塊稱為元素。經(jīng)過(guò)對(duì)元素進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到所建模型的應(yīng)力分布圖（圖4）和數(shù)據(jù)分析結(jié)果（表1）。從應(yīng)力分布圖中可以清晰直觀的看到梁在均布載荷的作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在固定端約束處：距離固定端越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大，從而驗(yàn)證了在工程力學(xué)理論推導(dǎo)中得到的關(guān)于彎曲應(yīng)力分布規(guī)律的結(jié)論。另外，通過(guò)分析比較固定端約束處最大應(yīng)力為359.9Mpa，而碳鋼材料的屈服強(qiáng)度是220.6Mpa，據(jù)此可計(jì)算出該梁安全系數(shù)為0.557，所以該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足有待改進(jìn)，從圖4中可以輕易找到梁的危險(xiǎn)區(qū)域及其所在位置，為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和可行方案。

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)為解決大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算提供了科學(xué)有效的可行方案，當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時(shí)，仿真是一種特別有效的研究手段。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于不但能夠替代昂貴的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，而且還為工程技術(shù)人員在第一時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的支撐。

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