基于SolidWorks的梁的弯曲变形仿真实验设计

作者：李兴国 王枕霞

来源：《科技资讯》 2012年第28期

李兴国 王枕霞

(保定电力职业技术学院 河北保定 071051)

摘 要:应用机械设计软件SolidWorks的COSMOSXpress工具对梁的弯曲变形进行仿真实验,通过对梁进行有限元分析,直观的验证了梁发生弯曲变形时的应力分布与变形规律,为改进梁的结构和优化设计提供了简便易行的有效手段。

关键词:SolidWorks COSMOSXpress 仿真实验 应力分析 有限元

中图分类号:TH114文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)10(a)-0032-01

仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程,并通过对模型的实验来分析研究系统。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。仿真实验与物理实验相比,能够极大缩短设计周期,降低设计成本,提高设计效率。借助计算机仿真对悬臂梁发生弯曲变形进行仿真实验,既可以直观的了解梁的应力分布与变形规律,还能在对其应力分析的基础上进行结构改进和优化设计,为梁的弯曲变形研究提供了简便可靠的有效手段。

1 仿真实验设计思路

仿真的重要工具是计算机和仿真软件。仿真的过程包括建立仿真模型和进行仿真实验两个主要步骤:即借助三维机械设计软件SolidWorks进行建模,并应用其插件COSMOSXpress工具对模型进行应力分析,真实直观再现梁的弯曲变形物理过程。

2 仿真实验方法与步骤

2.1 三维建模

在三维机械设计软件SolidWorks环境下建立悬臂梁的立体模型并指定材料(COS MOSXpress自带材料库,可以根据需要选择),如普通碳钢,截面自行设计采用工字型钢(图1)。

2.2 设定约束条件

悬臂梁一端受到固定端约束,固定端约束使悬臂梁不能产生任何方向的移动与转动,受到的是空间力系的作用,自由度为零;另一端是自由端,如图2所示。

2.3 施加载荷

工程实际中梁所承受的载荷形式多种多样,其中均布载荷较为常见,现将100kN的载荷沿整个梁长均匀分布在梁的上端面,如图3所示。

2.4 应力分析

应力分析即分析和求解结构内各点的应力和应力分布的方法。应力分析主要用于确定与结构失效有关的危险点部位的峰值应力和应变。SolidWorks为零件的应力分析提供了

COSMOSXpress工具,COSMOSX press基于有限元分析方法原理,会自动对模型进行网格划分,即将整个模型划分为更加细小的、更易于分析的块,这些块称为元素。经过对元素进行数值计算,得到所建模型的应力分布图(图4)和数据分析结果(表1)。从应力分布图中可以清晰直观的看到梁在均布载荷的作用下发生弯曲变形时,峰值应力出现在固定端约束处:距离固定端越远,应力越大,从而验证了在工程力学理论推导中得到的关于弯曲应力分布规律的结论。另外,通过分析比较固定端约束处最大应力为359.9Mpa,而碳钢材料的屈服强度是220.6Mpa,据此可计算出该梁安全系数为0.557,所以该结构强度不足有待改进,从图4中可以轻易找到梁的危险区域及其所在位置,为进一步改进结构和进行优化设计提供了理论依据和可行方案。

3 结论

计算机仿真实验为解决大型复杂工程结构的分析计算提供了科学有效的可行方案,当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时,仿真是一种特别有效的研究手段。计算机仿真实验的优点在于不但能够替代昂贵的现场测试,而且还为工程技术人员在第一时间对结构进行改进和优化设计提供了有力的支撑。

参考文献

[1]周玮.中高压法兰蝶阀阀体结构强度的有限元分析[J].机械设计与制造,2010 (7).

[2]陈立胜.基于Cosmosexpress薄膜拉伸机构零件的有限元分析[J].机械设计与制造,2010(9).

[3]杨红军,王建军.基于Cosmosexpress的定梁龙门加工中心静刚度分析[J].制造技术与机床,2011(1).

[4]王谦,赵俊利.基于Solidworks软件的吊钩分析[J].煤矿机械,2011(10).