機械產品設計的有限元軟件使用及實踐

摘要：隨著計算機軟硬件的不斷進步，機械產品的設計可以采用數值仿真的方法進行力學計算，減少樣機制造成本和試驗成本。本文以Solidworks Simulation和Abaqus為例，從靜力學、傳熱學、接觸等常用方面比較其在設計中的適用性和優缺點，為設計者提供一定的有限元軟件選擇參考。

關鍵詞：機械產品 Solidworks Simulation Abaqus FEA 有限元分析

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0043-02

在機械產品設計中，常常以經驗設計為基礎，缺乏充分的計算依據，其力學性能往往不合理。隨著計算機輔助技術的不斷進步，通過數值仿真方法進行力學評估和樣機仿真，從而減少或避免了實物樣機的制造成本和現場試驗成本。目前有限元軟件中主要有通用的有限元軟件如：ansys、Abaqus[2]、nastran等；還有一些集成在三維CAD中的有限元分析插件模塊，如Solidworks中集成的Solidworks Simulation[1]有限元分析軟件，等等。設計者面臨繁多的軟件選擇和設計任務的矛盾，常常比較迷茫。設計者容易走向兩個極端：（1）不能有效評估有限元軟件的可靠性和精度，完全懷疑和抵制有限元軟件的有效性；（2）不加區分的過分相信主流的專業有限元軟件，而懷疑三維軟件的集成計算模塊的有效性和便利性。Solidworks Simulation直接在Solidworks環境中進行快速分析，其功能能夠滿足常用設計計算的需求。abaqus是一個獨立的專門致力于有限元仿真的有限元產品，能夠進行各種復雜工況的分析，尤其擅長非線性分析等復雜問題，其計算速度和精度得到業界的廣泛認可。本文同時采用了Solidworks simulation 和Abaqus軟件進行了一些算例研究，對比其適用性，可作為設計者的使用選型參考。

1 力學模型和分析結果對比

通過Solidworks Simulation的模型輸出功能，其網格模型可以順利的轉入Abaqus進行計算，并且其網格質量完全滿足Abaqus質量檢查要求，采用Abaqus四面體高階單元進行計算，其精度較高。在Abaqus中需要檢查模型轉換的材料屬性單位，默認被轉換為米制單位，因此其中力的單位為N，壓力或應力的單位為Pa。采用以上模型進行計算結果如下表3。

通過對以上應力分布云圖的觀察和數值結果提取，靜力分析和傳熱熱分析的結果Solidworks Simulation 和 Abaqus幾乎得出相同的結果和應力分布圖；接觸分析的結果中，Solidworks Simulation 和 Abaqus的結果有些差異。其對比如下表4：

通過比較，雖然接觸分析的最大Von mises應力差異較小，但其接觸區域應力分布明顯不一樣。通過提取銷軸非接觸區域（銷軸接觸區域背面）的應力，Solidworks Simulation得出的最大應力-195MPa，Abaqus得出的最大應力-200MPa，其差異百分比-2.5%。依據圣維南原理，該處遠離接觸區域，其應力值受接觸約束影響較小，幾乎可按靜力結果比較，其比較結果有較大的可參照性，說明Solidworks Simulation在接觸區域總的傳力是正確的；通過觀察銷軸背部應力的分布情況發現兩個軟件得出的結果較一致可以驗證這一點。

接觸模型求解效率比較。本文的模型中，靜力分析和傳熱分析采用兩種軟件分析均能在1min以內得出結果，其差異較小；但在接觸分析中兩種軟件體現出較大的差異。Solidworks Simulation的接觸求解時間-117min，Abaqus的接觸求解時間-43min。

2 結語

（1）通過以上對比分析可以得出，Solidworks Simulation對靜力計算和傳熱計算等簡單問題能夠得到較滿意的結構，設計中大多數是這樣的問題。因此，Solidworks Simulation能夠滿足工程設計的大多數情況的分析需求，設計者不必刻意追求高端產品。Solidworks Simulation較容易使用，稍加學習即可掌握，設計者可以以Solidworks Simulation的使用熟悉有限元分析的基礎，當需要使用Abaqus等專業有限元軟件時可以較快的熟悉。（2）Abaqus能夠高效的解決復雜工況下的問題，當設計者對Solidworks Simulation的結果有懷疑時，可以導入Abaqus計算或者在Abaqus中單獨建模計算，進行對比分析。盡管Abaqus操作較Solidworks Simulation較為復雜，里面存在很多針對復雜工況的設置，但對于簡單的分析其操作還是相對較方便，設計者可以從簡單到復雜逐步學習。（3）有限元分析結果的正確與否主要取決于設計者對模型的正確理解，邊界條件是決定有限元分析結果的主要因素。對結果的判斷可以采用理論近似計算和定性分析，考察結果的大致數值量級和趨勢的合理性，甚至也可以采用實驗手段進行校正。

參考文獻

[1] DS Solidworks公司.Solidworks Simulation基礎教程：2010版[M].機械工業出版社，2010.

[2] 石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.