机械产品设计的有限元软件使用及实践

摘要：随着计算机软硬件的不断进步，机械产品的设计可以采用数值仿真的方法进行力学计算，减少样机制造成本和试验成本。本文以Solidworks Simulation和Abaqus为例，从静力学、传热学、接触等常用方面比较其在设计中的适用性和优缺点，为设计者提供一定的有限元软件选择参考。

关键词：机械产品 Solidworks Simulation Abaqus FEA 有限元分析

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（c）-0043-02

在机械产品设计中，常常以经验设计为基础，缺乏充分的计算依据，其力学性能往往不合理。随着计算机辅助技术的不断进步，通过数值仿真方法进行力学评估和样机仿真，从而减少或避免了实物样机的制造成本和现场试验成本。目前有限元软件中主要有通用的有限元软件如：ansys、Abaqus[2]、nastran等；还有一些集成在三维CAD中的有限元分析插件模块，如Solidworks中集成的Solidworks Simulation[1]有限元分析软件，等等。设计者面临繁多的软件选择和设计任务的矛盾，常常比较迷茫。设计者容易走向两个极端：（1）不能有效评估有限元软件的可靠性和精度，完全怀疑和抵制有限元软件的有效性；（2）不加区分的过分相信主流的专业有限元软件，而怀疑三维软件的集成计算模块的有效性和便利性。Solidworks Simulation直接在Solidworks环境中进行快速分析，其功能能够满足常用设计计算的需求。abaqus是一个独立的专门致力于有限元仿真的有限元产品，能够进行各种复杂工况的分析，尤其擅长非线性分析等复杂问题，其计算速度和精度得到业界的广泛认可。本文同时采用了Solidworks simulation 和Abaqus软件进行了一些算例研究，对比其适用性，可作为设计者的使用选型参考。

1　力学模型和分析结果对比

通过Solidworks Simulation的模型输出功能，其网格模型可以顺利的转入Abaqus进行计算，并且其网格质量完全满足Abaqus质量检查要求，采用Abaqus四面体高阶单元进行计算，其精度较高。在Abaqus中需要检查模型转换的材料属性单位，默认被转换为米制单位，因此其中力的单位为N，压力或应力的单位为Pa。采用以上模型进行计算结果如下表3。

通过对以上应力分布云图的观察和数值结果提取，静力分析和传热热分析的结果Solidworks Simulation 和 Abaqus几乎得出相同的结果和应力分布图；接触分析的结果中，Solidworks Simulation 和 Abaqus的结果有些差异。其对比如下表4：

通过比较，虽然接触分析的最大Von mises应力差异较小，但其接触区域应力分布明显不一样。通过提取销轴非接触区域（销轴接触区域背面）的应力，Solidworks Simulation得出的最大应力-195MPa，Abaqus得出的最大应力-200MPa，其差异百分比-2.5%。依据圣维南原理，该处远离接触区域，其应力值受接触约束影响较小，几乎可按静力结果比较，其比较结果有较大的可参照性，说明Solidworks Simulation在接触区域总的传力是正确的；通过观察销轴背部应力的分布情况发现两个软件得出的结果较一致可以验证这一点。

接触模型求解效率比较。本文的模型中，静力分析和传热分析采用两种软件分析均能在1min以内得出结果，其差异较小；但在接触分析中两种软件体现出较大的差异。Solidworks Simulation的接触求解时间-117min，Abaqus的接触求解时间-43min。

2　结语

（1）通过以上对比分析可以得出，Solidworks Simulation对静力计算和传热计算等简单问题能够得到较满意的结构，设计中大多数是这样的问题。因此，Solidworks Simulation能够满足工程设计的大多数情况的分析需求，设计者不必刻意追求高端产品。Solidworks Simulation较容易使用，稍加学习即可掌握，设计者可以以Solidworks Simulation的使用熟悉有限元分析的基础，当需要使用Abaqus等专业有限元软件时可以较快的熟悉。（2）Abaqus能够高效的解决复杂工况下的问题，当设计者对Solidworks Simulation的结果有怀疑时，可以导入Abaqus计算或者在Abaqus中单独建模计算，进行对比分析。尽管Abaqus操作较Solidworks Simulation较为复杂，里面存在很多针对复杂工况的设置，但对于简单的分析其操作还是相对较方便，设计者可以从简单到复杂逐步学习。（3）有限元分析结果的正确与否主要取决于设计者对模型的正确理解，边界条件是决定有限元分析结果的主要因素。对结果的判断可以采用理论近似计算和定性分析，考察结果的大致数值量级和趋势的合理性，甚至也可以采用实验手段进行校正。

参考文献

[1]　DS Solidworks公司.Solidworks Simulation基础教程：2010版[M].机械工业出版社，2010.

[2]　石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.