1 問題描述

 

要分析的扳手模型如圖，模型由前后兩部分組成，一部分為不銹鋼管，管前端與各類接頭相連，后部為7075鋁合金，具有電子設備倉，手握后部把手處施力。需要通過受力分析，確定該把手結構手握處能允許的最大受力。

由于有結構復雜的電子設備倉，用傳統有限元方法在網格劃分時會遇到幾何處理難和網格數量大的困難，這在很多有限元分析問題中都是常見的問題。使用SimSolid無網格法分析，輕松避免了這些問題，提升了產品設計效率。

 

2 分析過程

首先，導入幾何模型、建立材料數據并賦予材料屬性。

SimSolid在幾何導入時能根據用戶設置的間距值自動建立接觸約束。這里接觸類型都選擇默認的綁定約束。

因為要分析的問題是一個靜力問題，所以建立結構線性分析步。

在圓管的外端面建立固定約束。

在手握處根據實際情況施加軸承載荷（bearing load）。軸承載荷會在圓柱面上建立非均勻的壓力分布。SimSolid施加軸承載荷非常方便，可以通過矢量方向定義力的方向，并且可以通過角度來設置圓柱面上受力的范圍。

手握處一共有四個圓柱面，給每個圓柱面施加一個x軸正向的、作用角度60°的一個軸承載荷。因為最大受力是未知的，所以將每個圓柱面的受力大小先假定為25N進行試算，即四個圓柱面總受力為100N。

四個圓柱面的軸承載荷均已設置完。這時幾何、材料、分析類型、邊界條件和載荷都已經設置完成，可以進行運算了。

不到10秒鐘，結果已經計算出來了。在受力100N的情況下，可以看到把手處變形為1.4mm，最大應力為圓管側面處的45MPa。

 

因為不銹鋼的屈服強度低于7075的屈服強度，最大應力也發生在不銹鋼圓管上，所以以不銹鋼的屈服強度207MPa進行校核，即載荷引起的不銹鋼管應力不能超過207MPa。又因為這是線性分析，所以載荷可以根據應力情況線性放大，計算得載荷最大為460N。也就是說，在把手受力不超過460N的情況下，該扳手不會發生塑性變形。

將4個軸承載荷均改為115N進行驗證。再次分析得到最大受力情況下把手處變形為6.5mm，最大應力為207MPa。以上結論得到了驗證。

 

同時，使用ANSYS對該問題在相同的輸入條件下也進行了分析，得到在最大受力時，把手最大變形為6.4mm，最大應力為218MPa。SimSolid的結果的誤差為5%，驗證了SimSolid無網格法結果的可信度。

3 總結

通過對扳手結構的結構線性分析，SimSolid展示出力學仿真分析中無網格方法省去幾何處理、網格劃分和單元類型選擇所帶來的效率的巨大提升，同時，SimSolid還提供了各種常用的約束和載荷形式和簡單易用的設置方式。通過與傳統有限元軟件計算結果的對比，也驗證了無網格法計算結果是可信的。