SolidWorks Simulation边界条件设定方法―-转载自期刊《CAD/CAM与制造业信息化》P60,河南工程学院刘军一、引言有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，分析 结果误差的主要来源如图1所示，其中影响分析结果最大因素的是约 束和载荷，即边界条件不恰当的边界条件会使分析模型的结果严重 偏离实际结果本文重点讲解边界条件中分析模型边界的确定方法分析模型边界定义得越大，被关注对象的分析结果就越接近真实 情况但是，这也造成分析模型中包含的零部件数量过多，计算困难、 成本过高、消耗的时间也越多;分析模型的边界定义得越小，边界条 件的定义就越困难，与实际产品的偏差就越大，分析产生误差的概率 越大本文主要讨论SolidWorks Simulation中三种确定分析模型边界 的方法：包裹法、工程分析法和圣维南原理法图1有限元分析误差的主要因素二、包裹法包裹法，首先，单独取出被关注的零部件，确定其最合理的边界条件，进行分析计算;然后扩大零部件的范围，即增加 一层零部件，添加合理的边界条件后再次分析计算;对比两次计算的 结果，如果结果偏差很大，说明第一次分析定义的边界太小，需要再 次扩大边界重新计算，和第二次的结果对比。
循环进行, 析的结果基本不再发生变化，就找到了最合适的边界该方法适用于 所有分析类型，具体分析流程如图2所示T确窗C许斥詈惮弗则*1 莊:Mil仲例如，我们关注某轨道车底板一个零件“C型槽”的力学性能， 如图3所示的黄色零件绿色部位是和其余零部件的接触面利用包 裹法确定其分析边界的步骤如下⑴孤立关注的零部件：分析模型仅选取C型槽零件自身2) 添加边界：将C型槽与其他零件的接触面分割出来，如图3 所示的绿色面对绿色面采用固定约束，如图4所示3) 添加其他相关参数，分析计算，结果如图5所示，固定约束 的区域没有任何变形4) 扩大分析模型的边界至连接C型槽的槽钢，如图6所示5) 添加边界，固定槽钢的端面6) 再次分析计算，结果如图7所示，C型槽零件与槽钢接触部 位有较大的变形7) 对比两次分析的结果，C型槽的变形和应力分布差别非常大， 所以第一次定义的边界不正确，需要继续扩大边界，直至得到满意的 结果SB t?芷柚分浙結杲 才丸边菲包裹法确定边界的方法很简单，但是也笨拙，经常会导致重复计 算和参与分析的零部件数量过多、计算量过大的情况例如，对于C 型槽，当继续扩大边界条件时，我们是否需要将整个轨道车都添加进 来尽量进行分析。
这样做的时间和计算代价会太大，往往难以接受 实际应用过程中，通常我们采用第二种方法，工程分析法三、工程分析法工程分析法，首先判断零部件之间的相互作用，然后再决定是否 向被分析模型中添加与之接触的零部件，分析流程如图8所示判断 的标准如下1) 如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度大一个数 量级，使用载荷代替零部件间的相互作用2) 如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度小一个数 量级，使用约束代替零部件间的相互作用3) 如果被关注零部件比与它相互作用的零部件的刚度差别不大 或相当，使用包裹法判断边界工程分析法确定边界比较依赖于分析者的经验，丰富的经验直接 影响分析的结果是否正确图8工程法流程在对板凳进行受力分析时，确定边界是否要把人体的模型添加进 来很显然，板凳的刚度远远大于人体的刚度，所以根据工程分析法, 人体模型对板凳的相互作用，使用载荷进行替代，等效载荷施加在人 与板凳的接触面上如图9所示，粘接在钢板上的塑料件，钢板材料为普通碳钢，塑 料件的材料为尼龙采用工程分析法是：尼龙的刚度远远低于钢板的 刚度，所以，钢板与塑料件的相互作用就可以用固定约束代替，固定 约束定义在塑料件与水泥板的相互接触面处。
图10为钢板与塑料件 一起分析的结果，钢板底面为固定约束图11是塑料件单独分析的 结果，接触面为固定约束两次分析的结果基本相同，说明钢板与塑 料件的相互作用完全可以用固定约束等效替代如图12所示，液压支架顶梁柱窝的力学性能分析该柱窝焊接 在顶梁底板上，如图13所示，将柱窝与顶梁的接触面定义为边界， 使用固定约束，分析的结果如下012国寰ii討采用工程分析法进行分析，柱窝的刚度和顶梁的刚度相近，那么 柱窝与顶梁的相互作用就不能简单地使用约束或载荷进行替代，需要 采用包裹法进行分析包裹法分析结果如图14、图15所示，显然柱 窝、顶梁整体分析的结果是正确的E14 理寓厚命新结录團15桩厲顶蜒薑虬聲持四、圣维南原理法根据圣维南原理，当作为边界的零部件距离被分析零部件的关注 点或危险点足够远时，边界可以缩小或者用等效的方式加载，如果分 析零件的关注点或危险点靠近边界，那么边界必须扩大该方法是包 裹法和工程法的补充，用于判断是否需要扩大或缩小边界例如健身器轮组受力分析，如图16所示，人蹬车的力作用在脚 踏板上，由脚踏板传递到曲轴上，那么分析的时候，是否将脚踏板添 加到分析模型中呢？首先，不添加脚踏板，将载荷直接等效作用在曲轴上，进行有限 元分析，分析结果如图17所示，应力最大点离脚踏板零部件足够远， 所以根据圣维南原理，脚踏板可以不作为分析模型的边界。
1517悽酣犁曲牲蛆□处天氏假设如果应力的最大点在靠近脚踏板的紫色轴上一点，若关注这 一点应力的话，边界必须扩大，需要将脚踏板模型添加到分析模型中五、结语实际工程应用中，通过采用包裹法、工程分析法和圣维南原理法 相互结合，可以帮助分析工程师快速、合理地确定分析模型的边界， 在保证分析结果正确的前提下，减少分析模型中零部件的规模，减少 分析时间和计算成本，及时为企业提供正确的分析结果。