高阶篇：5）仿真研究Simulation studies

本章目的：了解仿真，初步学会怎么应用仿真。

 

1.仿真的定义

仿真------就是用模型（物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究。

把实际系统建立成物理模型或数学模型进行研究，然后把对模型实验研究的结果应用到实际系统中去，这种方法就叫做模拟仿真研究，简称仿真。

 

2.仿真的目的

仿真就是为了节约成本：金钱和时间。

如果你有时间和金钱，当然是来真的好，而不是“仿”真。

 

3.仿真在可靠性设计中的作用

3.1 现有设计的预防控制

• 仿真研究——概念分析，建立设计要求;

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

//运用仿真来建立设计要求，作者理解为通常运用仿真建立设计的极限值，规定后来设计值须符合此极限值。特点是仿真结果给出在结构设计之前。

 

3.2 现有设计的探测控制

• 仿真研究——设计确认;
• Simulation studies – validation of design;

//这个运用较多，通常设计都可以先通过仿真探测现有设计合格与否，再进行试验，大大节省时间和成本。特点是仿真结果给出在结构设计之后。

 

在FMEA手册中，仿真Simulation studies横跨预防控制和探测控制，可见手段之强悍。就算不去深入学习，也是有必要关注一下的。

 

4.仿真所遵循的基本原则

基本原则为相似原则，即：
几何相似
环境相似
性能形似

 

5.仿真的分类

依据相似原理仿真可分为：
      *  物理仿真
      *  数学仿真
      *  混合仿真

随着计算机技术的发展，计算机仿真越来越多地取代纯物理仿真。

 

6.仿真过程

7.workbench静态应力仿真流程举例

因为作者会常用到静态应力的校核（设计特征强度是否过关），所以这里将流程介绍给大家。

Ansys Workbench操作界面友好，工作流设计巧妙。对于静态结构分析，只要一步一步按要求做下来，基本都会完成。

静态应力分析的流程如下：

1）仿真问题和目的分析;

2）导入模型;

//这一步可以在SolidWorks中安装插件，使workbench与SolidWorks同步。

3）分析类型选择;

//静态应力为Static Structural 。

4）材料定义；

//材料一般会在分析软件workbench中定义，是为防止软件对接出现bug。

5）网格划分；

6）施加约束和载荷；

7）计算；

8）后处理；

通过一个简单的分析案例，对ANSYS Workbench有一个初步的了解。

在学习时无需深入了解操作步骤的每一项内容（如果你不是靠仿真吃饭的话），了解ANSYS Workbench有限元分析的基本流程即可，即活学活用。

本例题可以采用V14.0求解，和V13.0结果相比，有一定的差异。

7.1 案例背景介绍

某如图1-24所示不锈钢钢板尺寸为320mmX50mmX20mm，其中一端为固定，另一端为自由状态，同时在一面上分布有均布载荷q=0.2MPa，请用ANSYS Workbench 求解出应力与应变的分布云图。

7.2 启动Workbench并建立分析项目

（1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.0→Workbench命令，启动ANSYS Workbench 14.0，进入主界面。

（2）双击主界面 Toolbox（工具箱）中的 Component systems→Symmetry（几何体）选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图1-25所示

（3） 在工具箱中的Analysis System→Static Structural上按住鼠标左键拖曳到项目管理区中，当项目A的Symmetry红色高亮显示时，放开鼠标创建项目B，此时相关联的项数据可共享，如图1-26所示。

提示：本例是线性静态结构分析，创建项目时可直接创建项目B，而不创建项目A，几何体的导入可在项目B中的B3栏Geometry中导入创建。本例的创建方法在对同一模型进行不同的分析时会经常用到。

7.3 导入创建几何体

（1）在A2栏的Geometry上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry→Browse命令，如图1-27所示，此时会弹出“打开”对话框。

（2）在弹出的“打开”对话框中选择文件路径，导入char01-01几何体文件，如图1-28所示，此时A2栏Geometry后的？变为√，表示实体模型已经存在。

几何体 图1-28“打开”对话框
（ 3）双击项目A中的A2栏Geometry，此时会进入到DesignModeler界面，此时设计树种Import1前显示 ，表示需要生成，图形窗口中没有图形显示，如图1-29所示。
（ 4）单击 （生成）按钮，即可显示生成的几何体，如图1-30所示，此时可在几何体上进行其它的操作，本例无需进行操作。
（ 5）单击 DesignModeler界面右上角的（关闭）按钮，退出DesignModeler，返回到Workbench主界面 。

7.4 添加材料库

（1）双击项目B中的B2栏Engineering Data项，进入如图1-31所示的材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。

（2）在界面的空白处单击鼠标右键，弹出快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源），此时的界面会变为如图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表中选择A3栏General Materials，然后单击Outline of Favorites表中A8栏Stainless Steel（不锈钢）后的B8栏的（添加），此时在C8栏中会显示（使用中的）标识，如图1-33所示，标识材料添加成功。

（ 4）同步骤（ 2），在界面的空白处单击鼠标右键，在弹出快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源），返回到初始界面中。

（ 5）根据实际工程材料的特性，在Properties of Outline Row 3: Stainless Steel表中可以修改材料的特性，如图1-34所示，本实例采用的是默认值。

提示：用户也可以通过在 Engineering Data窗口中自行创建新材料添加到模型库中。

（6）单击工具栏中的按钮，返回到Workbench主界面，材料库添加完毕。

7.5 添加模型材料属性

（1）双击主界面项目管理区项目B中的B3栏Model项，进入如图1-35所示Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。

提示：此时分析树 Geometry前显示的为问号，表示数据不完全，需要输入完整的数据。本例是因为没有为模型添加材料的缘故。

（ 2）选择Mechanical界面左侧Outlines（分析树）中Geometry选项下的Char01-01，此时即可在Detailsof “Char01-01”（参数列表）中给模型添加材料，如图1-36所示。

（ 3）单击参数列表中的 Material 下 Assignment黄色区域后的，此时会出现刚刚设置的材料StainlessSteel，选择即可将其添加到模型中去。此时分析树Geometry前的变为，如图1-37所示，表示材料已经添加成功。

7.6 划分网格

（1）选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Mesh选项，此时可在Details of “Mesh”（参数列表）中修改网格参数，本例中在Sizing中的Relevance Center选项设置为Medum，其余采用默认设置。

（ 2）在 Outlines（分析树）中的Mesh选项单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令，此时会弹出如图 1-38所示的进度显示条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最终的网格效果如图1-39所示。

7.7 施加载荷与约束

（1）选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Static Structural（B5）选项，此时会出现如图1-40所示的Environment工具栏。

（2）选择 Environment工具栏中的Supports（约束）→Fixed Support（固定约束）命令，此时在分析树种会出现Fixed Support选项，如图1-41所示

（3）选中Fixed Support，选择需要施加固定约束的面，单击Details of “Static Structural（B5）”（参数列表）中Geometry选项下的按钮，即可在选中面上施加固定约束，如图1-42所示。

（4）如同操作步骤（2）选择Environment工具栏中的Loads（载荷）→Pressure（压力）命令，此时在分析树种会出现Pressure选项，如图1-43所示。

 

 

（ 5）如同操作步骤（3）选中Pressure，选择需要施加压力的面，单击Details of “Static Structural（B5）”（参数列表）中Geometry选项下的按钮，同时在Magnitude选项下设置压力为0.2MPa的面载荷，如图1-44所示。

 

（6）在Outlines（分析树）中的Static Structural（B5）选项单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失，如图1-45所示。

 

7.8 结果后处理

（1）选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Solution（B6）选项，此时会出现如图1-46所示的Solution工具栏。

（2）选择 Solution工具栏中的Stress（应力）→Equivalent（von-Mises）命令，此时在分析树种会出现Equivalent Stress（等效应力）选项，如图1-47所示

 

（3）如同步骤（2）选择Solution工具栏中的Strain（应变）→Equivalent（von-Mises）命令，如图1-48所示，此时在分析树种会出现Equivalent Elastic Strain（等效应变）选项。

（4）如同步骤（ 2）选择 Solution工具栏中的Deformation（变形）→Total命令，如图1-49所示，此时在分析树种会出现Total Deformation（总变形）选项。

 

（5）在Outlines（分析树）中的Solution（B6）选项单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Equivalent All Results命令，如图 1-50所示，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。 

 

（6）选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Stress选项，此时会出现如图1-51所示的应力分析云图。
（7）选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Elastic Strain选项，此时会出现如图1-52所示的应变分析云图。

 

（8）选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Total Deformation（总变形），此时会出现如图1-53所示的总变形分析云图。

 

7.9 保存与退出

（1）单击Mechanical界面右上角的（关闭）按钮，退出Mechanical返回到Workbench主界面。此时主界面中的项目管理区中显示的分析项目均已完成，如图1-54所示。
（2）在 Workbench主界面中单击常用工具栏中的（保存）按钮，保存包含有分析结果的文件。

（3）单击右上角的（关闭）按钮，退出Workbench主界面，完成项目分析。

 

 

8.结构工程师需要掌握的仿真技术

仿真是一项需要深入研究的技术，特别是一些大型项目的仿真，更加需要专业人士长年累月的研究，才能取得一定的成果。个别如流体仿真，运动仿真等。

但一些基础的仿真，作者还是建议结构工程师掌握并常常运用，更加有利于设计出更好的产品。

依据作者的经验，结构工程师常用的仿真如下：

8.1 壁厚分析、底切分析、拔模分析

是的，这也是仿真分析的一种，只是相对于应力，流量等仿真而言常常被人忽略。但是在塑胶件设计中确是必不可少的。

 

8.2 干涉检查、测量、质量属性

 

在装配体建模后，干涉检查是必做项目。

测量可用于公差分析观察理论值，质量属性可以预估出产品大致重量。

 

8.3 钣金展开

 

对于简单的钣金零件，可以用钣金展开功能查看有无干涉，更加利于钣金设计。

 

8.4 静态应力检测

 

产品可靠性设计需要留有余裕（稳健性）。

比如一个产品设计要求能承受10kg的力，那么你一般需要设计出能承受20kg的产品，来保证产品在各种条件下不能出危险。但又不能过稳健的设计，能承受1000kg的力的产品显然是耗费的成本过高了。这时候，简单的静态应力分析（如上例所示），就可以解决这种问题。

这种简单的静态应力分析，其实就是用来取代以前的笔算来确认产品的受力情况。

但以作者做检测的经验来看，仿真，特别是第一次无以往实例的仿真，是有很大不确定性的。所以最好笔算的公式也加上。

 

8.5 进阶：散热分析等

 

结构设计中常常用到散热设计：对流、传导、辐射。

那么作者建议至少学一些单板级的散热分析，是有助于结构设计的。

其他的如动态仿真等，就看结构工程师工作的需要了。

不过一般太过艰难的仿真，公司都会有专门的仿真部门加以应对，可以求助于他们。