SIMSOLID精度校驗與實際分析案例應用

一、SIMSOLID精度校驗

以力學拉伸試樣件為載體，將simsolid軟件計算結果與實驗結果進行比較，仿真分析時建立模型同實驗樣品一致，建立應變片相應的幾何區域，在simsolid中查看相應區域應力值，與實驗數據進行對比，驗證simsolid軟件計算的精度。

試驗材料使用12Cr2Mo1的韌性材料進行試驗，首先根據尺寸進行車間加工，將試樣件的相關區域粘貼應變片，粘貼完成后連接相關線路將試樣件在萬能試驗機上進行試驗，加載過程為20KN、30KN………80KN，加載到相對應數值時，試驗機在相應拉力下停止兩分鐘，能夠讓應變儀記錄準確的微應變數據。試樣尺寸和應變片位置如下如所示

 

圖1：實驗樣品幾何尺寸

 

圖2：實驗樣品

采用相同的邊界條件對試樣件進行建模用simsolid軟件進行分析計算，邊界條件為一端固定、一端拉伸，計算后相應位置處的等效應力云圖如下：

1、20KN時五個應變片處等效應力

 

 

 

2、30KN時五個應變片處等效應力

 

3、40KN時五個應變片處等效應力

 

4、50KN時五個應變片處等效應力

 

5、60KN時五個應變片處等效應力

 

 

6、70KN時五個應變片處等效應力

 

7、80KN時五個應變片處等效應力

 

在實驗時應變儀數據變化靈敏，采用多記錄求平均值方法計算。實驗應變片平均數據如下表：

表1  對應應變片微應變數值

	應變片1	應變片2	應變片3	應變片4	應變片5
20KN平均值	309	319	326	309	320
30KN平均值	463	477	465	470	466
40KN平均值	625	640	617	623	645
50KN平均值	765	790	764	777	798
60KN平均值	916	970	912	959	983
70KN平均值	1064	1104	1052	1098	1136
80KN平均值	1227	1263	1216	1266	1311

根據微應變數據計算出該應變片處的應力值，同仿真數據進行對比分析，如下表：

表2：實驗數據與仿真數據對比分析

	應變片1（應力值MPa）	應變片2（應力值MPa）
力/KN	試驗	ABAQUS	simsolid	誤差	試驗	ABAQUS	simsolid	誤差
20	63.6	65.6	65.32	2.70%	65.7	65.3	65.28	-0.64%
30	91.4	98.5	97.98	7.20%	98.3	97.9	97.93	-0.38%
40	128.7	131.3	130.62	1.49%	131.8	130.6	130.56	-0.94%
50	157.7	164.1	163.27	3.53%	162.8	163.2	163.22	0.26%
60	188.8	196.9	195.86	3.74%	199.8	195.9	195.87	-1.97%
70	219.1	229.7	228.48	4.28%	227.5	228.5	228.48	0.43%
80	252.8	262.6	261.06	3.27%	260.2	261.2	261.12	0.35%

 

應變片3（應力值MPa）	應變片4（應力值MPa）
試驗	ABAQUS	simsolid	誤差	試驗	ABAQUS	simsolid	誤差
67.2	65.4	65.32	-2.80%	63.6	65.4	65.38	2.80%
95.9	98.1	97.88	2.06%	92.5	98.1	98.05	6.00%
127.1	130.8	130.58	2.74%	128.3	130.8	130.76	1.92%
157.3	163.5	163.22	3.76%	159.9	163.5	163.44	2.21%
187.9	196.2	195.85	4.23%	197.6	196.2	196.13	-0.74%
216.7	229	228.54	5.46%	226.1	228.9	228.8	1.19%
250.6	261.7	260.98	4.14%	260.4	261.7	261.46	0.41%
應變片5（應力值MPa）
試驗	ABAQUS	simsolid	誤差
65.9	65.3	65.26	-0.97%
96	97.9	97.91	1.99%
132.8	130.6	130.52	-1.72%
164.5	163	163.16	-0.81%
202.4	195.9	195.78	-3.27%
234	228.5	228.4	-2.39%
270.1	261.2	261.06	-3.35%

 上表中誤差分析為實驗值和simsolid軟件計算值比較，通過表中數據可得，試驗數據與仿真數值相近，誤差在5%左右，通過應變片的實際試驗數據很好的驗證了仿真數據，說明simsolid軟件在線性靜力學中計算結果可靠、精度與實驗結果相仿。將該模型導入Abaqus中計算后與simsolid計算結果相比較，兩者差值更小，同時可說明無網格技術在線性靜力學分析計算中的準確性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、案例應用

   采用有限元計算軟件ANSYS和無網格計算軟件simsold，在邊界條件相同狀態下，對車軸矯直機進行靜力學分析。工況為：當油缸壓力為27.5MPa時，矯直機大小鉗臂的受力情況以及位移；同時對比兩個軟件應力和形變數值，為后續結構設計過程中采用simsolid進行結構分析提供依據和保證。 

1. 幾何模型

   車軸矯直機幾何模型如下圖所示，主要部件有大小鉗臂、鉗口、油缸、模具等部件，工作時大小鉗臂為主要受力部件，進行分析時采用整機分析。為驗證simsolid軟件的計算結果，在simsolid和ANSYS中導入完全一樣的幾何模型。

    

   車軸矯直機幾何模型

2. 材料、邊界條件、載荷相關設定

   車軸矯直機各部件的材料如表1, 底座底面為約束面，油缸內部壓力為27.5MPa,接觸根據實際情況分為綁定接觸和摩擦接觸兩類，其中摩擦系數為0.3。

                                 表1：各部件材料屬性

名稱	材料	彈性模量	泊松比	密度	屈服強度
底座主板	Q345B	206GPa	0.3	7850	345MPa
底座	ZG310-570	206GPa	0.3	7850	345MPa
鉗臂	Q345B	206GPa	0.3	7850	345MPa
鉗口	45	206GPa	0.3	7850	355MPa
模具	42CrMo	206GPa	0.3	7850	930MPa

 

      邊界條件                                載荷條件

 

      接觸對顯示

1. HyperMesh前處理有限元模型

    

2. 計算結果對比

    

   圖1：Simsolid整機等效應力云圖

    

   圖1-1：Ansys整機等效應力云圖

    

   圖2：Simsolid整機位移變形云圖

    

   圖2-2：Ansys整機位移變形云圖

    

   圖3：Simsolid大鉗臂等效應力云圖

    

   圖3-3：Ansys大鉗臂等效應力云圖

    

    

   圖4：Simsolid大鉗臂位移變形云圖

    

    

   圖4-4：Simsolid大鉗臂位移變形云圖

    

    

   圖5：simsolid小鉗臂等效應力云圖

    

    

   圖5-5：Ansys小鉗臂等效應力云圖

    

    

   圖6：simsolid小鉗臂位移變形云圖

    

    

   圖6-6：Ansys小鉗臂位移變形云圖

3. 結果分析對比

                               表2：應力值大小比較

	整機應力（MPa）	大鉗臂應力（MPa）	小鉗臂應力（MPa）
simsolid	123.26	79.15	70.65
ANSYS	136.27	87.26	76.37
誤差	-9.5%	-9.29%	-7.4%

根據上表結果可知：以ANSYS計算結果為標準值時，simsolid計算應力值都處于偏小狀態，最大偏差在9.5%。

表3：位移變形量大小比較

	整機位移量（mm）	大鉗臂位移量（mm）	小鉗臂位移量（mm）
simsolid	1.7	1.52	1.61
ANSYS	1.80	1.63	1.59
誤差	-5.5%	-0.67%	1.2%

根據上表結果可知：以ANSYS計算結果為標準值時，simsolid計算位移量處于偏小狀態，最大偏差在5.5%。

計算結果數值有差距，根據應力分布和位移變形量云圖可知，兩個軟件在應力值、位移變形量的分布趨勢是相近的。說明simsolid計算結果具有一定的準確性。

1.  結論和建議：

1、操作便捷。SimSolid軟件與HyperMesh相較，在模型處理、網格劃分、接觸設置方面操作簡潔快捷，SimSolid的快速校驗功能具有明顯的優勢。

2.計算速度快。SimSolid在計算性能方面相比ANSYS，計算速度快、計算機內存消耗少。以本案例為例，采用SimSolid計算耗時小于10min，采用ANSYS計算時，因為網格數量大，占用內存多，計算耗時大于12h。

3、計算結果準確、精度高具有很好的參考價值。SimSolid線性靜力學計算結果同實驗結果、Abaqus計算結果相同，誤差在5%之內。采用simsolid接觸非線性時計算結果同ANSYS計算結果誤差在10%之內，可能是由于兩款軟件中接觸算法不一致導致。個人認為SimSolid軟件特別適用于結構設計前期，具有方便、快捷的優勢，還能提供有效的可行性方案和結果。設計后期可用SimSolid和傳統有限元分析軟件進行計算對比，進行精細化設計。

     建議將SimSolid與Solidthinking、OptiStruct等結構優化軟件聯合，完善結構優化建模功能，從而實現產品設計前期結構優化設計的目的。為機械行業新產品研發提供有效的技術支持。