有限元分析 图解COSMOSWorks(Simulation)

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)就是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟仿真。目前，有限元法己经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研宄等各个领域得到了广泛使用，使设计、研发水平发生了质的飞跃。
本书以近期新版本SolidWorks 2018/2017为蓝本，从基础知识出发，用丰富的实例详细介绍了Simulation的有限元分析，包括零件和装配体的静态应力分析、频率分析、振动分析、掉落测试分析、接触分析、非线性分析等。介绍了各种不同的载荷和约束，例如，各种接头、力、压力、远程载荷等，并提供了应力图解、应变图解和位移(包括方向位移和合力位移)图解等多种结果分析。
本书适合使用AutoCAD，Pro/ENGINEER，SolidEdge，CAM等机械设计、产品设计、模具设计、结构设计和结构分析的用户阅读，也适合工业、企业的产品开发和技术部门工程师阅读，同样适于作为高等院校的同类专业的教材供本科高年级学生和研究生阅读。

刘国良，男，1958年出生，河南省洛阳市人。1982年毕业于郑州大学物理系无线电专业，学士学位，洛阳理工学院教授级高级工程师。出版著作10部，其中：专著7部，本科教材3部，100万字以上2部，获"河南省自然科学优秀学术著作二等奖”1部。发表论文11篇，其中5篇获EI检索，1篇SCI检索。专利14项：发明5项，实用新型9项。计算机软件著作权15项。

第1章 Simulation基础 1
1.1 关于有限元分析 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 FEA是CAE的主体 3
1.1.3 CAE的发展趋势 4
1.1.4 Simulation(COSMOSWorks)的优势 5
1.2 关于Simulation(COSMOSWorks) 5
1.2.1 什么是Simulation(COSMOSWorks) 6
1.2.2 Simulation的功能、特点 8
1.2.3 Simulation界面 9
1.2.4 Simulation算例属性管理器 10
1.2.5 Simulation工具栏 12
1.2.6 设定Simulation普通选项 13
1.2.7 Simulation使用的单位 15
1.2.8 坐标系 17
1.3 Simulation分析基础 18
1.3.1 有限元法及其基本构成 18
1.3.2 Simulation的应力和应变 19
1.3.3 Simulation解算器 21
1.4 “有限元分析FEA”的一般步骤 23
1.4.1 建立数学模型 23
1.4.2 建立有限元模型 26
1.4.3 有限元求解 27
第2章 生成“算例” 29
2.1 算例 29
2.1.1 生成算例 29
2.1.2 删除“算例” 30
2.1.3 查看“算例” 30
2.2 “算例”类型 31
2.2.1 静态(应力)算例 31
2.2.2 频率算例 31
2.2.3 扭曲(屈曲)算例 31
2.2.4 热力算例 31
2.2.5 跌落测试算例 32
2.2.6 疲劳算例 32
2.2.7 压力容器设计算例 32
2.2.8 优化算例(设计算例) 32
2.2.9 子模型算例 33
2.2.10 非线性算例 34
2.2.11 线性动力算例 34
2.3 使用“2D简化”算例 35
2.3.1 “2D简化”算例概述 35
2.3.2 定义“2D简化”算例 36
2.3.3 创建2D截面 37
2.3.4 查看结果 38
2.3.5 “2D简化”分析时的 40
2.4 算例树特征 40
2.4.1 “夹具”与“载荷” 41
2.4.2 连接 41
2.4.3 其他特征 41
第3章 材料模型与材料属性 42
3.1 关于材料 42
3.1.1 “结构”和“热力”算例使用的模型 43
3.1.2 “非线性”算例使用的模型 43
3.1.3 “跌落测试”算例使用的模型 44
3.2 定义材料 44
3.2.1 定义材料属性 44
3.2.2 使用SolidWorks中定义的材料 44
3.2.3 从材料库中指派材料 46
3.2.4 材料属性 46
3.3 弹性模型 47
3.3.1 “弹性模型”与“本构关系” 47
3.3.2 线性弹性材料模型的假设 47
3.3.3 “同向性”材料和“正交各向异性”材料 48
3.3.4 线性弹性同向性模型 49
3.3.5 线性弹性正交各向异性模型 50
3.3.6 非线性弹性材料模型 56
3.4 塑性模型 56
3.4.1 塑性von Mises模型 56
3.4.2 塑性Tresca模型 57
3.4.3 塑性“Drucker-Prager”模型 58
3.5 超弹性模型 58
3.5.1 超弹性“Mooney-Rivlin”与“Ogden”模型 58
3.5.2 超弹性Blatz-Ko模型59
3.6 蠕变模型 59
3.7 黏弹性模型 60
第4章 夹具与“约束” 61
4.1 概述 61
4.1.1 “约束”类型 61
4.1.2 防止刚性实体运动 62
4.1.3 实体模型的适当约束 63
4.1.4 “外壳”模型的约束 65
4.1.5 应用约束 66
4.2 标准“约束” 66
4.2.1 “固定”约束与“不可移动”约束 66
4.2.2 “滚柱/滑动”约束 69
4.2.3 “固定铰链”约束 69
4.3 “高级”约束 69
4.3.1 “对称”约束 69
4.3.2 周期性对称 73
4.3.3 使用参考几何体 75
4.3.4 “在平面上”约束 78
4.3.5 “在圆柱面上”约束 79
4.3.6 “在球面上”约束 80
第5章 载荷 82
5.1 “载荷”和“约束”的关系 82
5.1.1 “方向性载荷”与“位移”约束 83
5.1.2 用于“结构”算例的载荷类型 83
5.1.3 用于“热力”算例的载荷类型 84
5.2 “载荷/夹具”选项 85
5.3 “压力”载荷 85
5.3.1 设置“压力”载荷选项 86
5.3.2 定义均匀压力载荷 87
5.3.3 定义非均匀压力载荷 88
5.3.4 修改“压力”载荷 90
5.4 “力/力矩/扭矩”载荷 91
5.4.1 “力/扭矩”载荷概述 91
5.4.2 “力”属性管理器 91
5.4.3 定义均匀力载荷 93
5.4.4 定义非均匀力载荷 94
5.4.5 修改“力”载荷 96
5.5 “引力”载荷 96
5.5.1 指定“引力”载荷 97
5.5.2 修改“引力”载荷 98
第6章 网格化模型 99
6.1 设置“网格”选项 99
6.1.1 “网格化”综述 99
6.1.2 “网格品质”选项组 102
6.1.3 “网格设定”选项组 102
6.1.4 “兼容”和“不兼容”网格 103
6.1.5 “自动成环”选项 104
6.2 “实体”网格与“壳体”网格 104
6.2.1 “实体”网格 104
6.2.2 “壳体”网格 105
6.2.3 混合网格 107
6.3 模型网格化 107
6.3.1 网格化之前的检查 107
6.3.2 设置“网格控制” 108
6.3.3 应用“网格控制” 112
6.3.4 生成网格 113
6.4 用壳体网格建模 115
6.4.1 壳体管理器 115
6.4.2 用壳体网格建模 118
6.5 网格品质检查与失败诊断 121
6.5.1 网格品质检查 121
6.5.2 网格化失败的诊断 123
6.5.3 识别失败的零部件 125
6.5.4 网格化失败的处理 125
6.5.5 重建网格 126
6.5.6 更新零部件 127
6.5.7 增量网格化 127
6.5.8 重新网格化选定实体 128
第7章 运行“算例”、结果分析 129
7.1 运行“算例”、生成报告 129
7.1.1 运行“算例” 129
7.1.2 算例报告 130
7.1.3 设置结果图解 131
7.1.4 使用“设定”属性管理器 134
7.1.5 使用“图解”属性管理器 136
7.1.6 使用“选项”对话框 137
7.1.7 设置“轴”对话框 138
7.1.8 保存、复制、删除图解 139
7.2 “应力图解” 141
7.2.1 打开“应力图解” 141
7.2.2 “应力图解”属性管理器 142
7.2.3 绘制主要应力图解 143
7.2.4 编辑“接触压力”图解 144
7.3 “位移图解” 144
7.3.1 打开“位移图解” 144
7.3.2 编辑“位移图解” 145
7.4 “应变图解” 146
7.4.1 打开“应变图解” 146
7.4.2 编辑“应变图解” 146
7.5 制作图解动画 147
7.5.1 制作图解动画 147
7.5.2 播放动画 148
7.6 列举结果 148
7.6.1 列表应力 149
7.6.2 列表位移 151
7.7 生成“等曲面(Iso)剪裁” 152
7.7.1 设置“Iso剪裁”属性 152
7.7.2 生成等曲面图解 153
7.8 评估设计的安全性 154
7.8.1 安全系数定义 154
7.8.2 失效准则 155
7.8.3 使用“优选von Mises应力”准则 155
7.8.4 使用“优选抗剪应力准则” 157
7.8.5 使用“Mohr-Coulomb应力”准则 158
7.8.6 使用“优选正应力”准则 158
7.8.7 查看模型的“安全系数”图解 158
7.8.8 对装配体使用设计检查 159
7.9 探测结果、绘制结果图表 159
7.9.1 探测结果图解 159
7.9.2 探测剖面图解 160
7.9.3 探测网格图解 161
第8章 线性静态分析 163
8.1 线性静态分析的假设 163
8.1.1 线性假设 163
8.1.2 弹性假定 164
8.1.3 静态假定 164
8.2 基本量的定义 165
8.2.1 应变 165
8.2.2 应力 165
8.2.3 应力分量 165
8.2.4 主应力 166
8.2.5 等量应力 166
8.3 应力的计算 167
8.4 静态分析的选项 167
8.4.1 设定“缝隙/接触”选项 167
8.4.2 “大型位移”选项 169
8.4.3 设定“解算器” 169
8.5 静态分析的自适应方法 170
8.5.1 静态分析的自适应 170
8.5.2 “h-方法” 171
8.5.3 “p-方法” 172
8.6 静态分析的步骤 173
8.6.1 线性静态分析需要的输入内容 173
8.6.2 执行静态分析的步骤 174
8.6.3 线性静态分析的输出内容 175
8.7 “p-自适应”方法的使用 177
8.7.1 分割零件 177
8.7.2 生成静态分析 178
8.7.3 设定“p-自适应”选项 178
8.7.4 应用约束 179
8.7.5 应用压力 181
8.7.6 网格化模型、运行分析 182
8.8 “h-自适应”方法的使用 183
8.8.1 生成算例并定义“h-自适应”分析 183
8.8.2 采用“h-自适应”方法时网格化模型 184
8.9 运行算例、分析结果 185
8.9.1 运行分析 185
8.9.2 显示“自适应”转换后的网格 185
8.9.3 观阅整体X-方向的正应力 186
8.9.4 观看“收敛图表” 187
8.9.5 比较结果 187
第9章 零件的静态应力分析 189
9.1 实体零件的静态分析 189
9.1.1 打开零件、指派材料 189
9.1.2 生成静态分析算例 190
9.1.3 添加约束 191
9.1.4 添加载荷 192
9.1.5 生成网格 192
9.1.6 运行算例 193
9.1.7 分析结果 193
9.2 钣金零件的静态应力分析 196
9.2.1 生成静态算例1 196
9.2.2 在“算例1”中应用约束 197
9.2.3 在“算例1”中应用“压力”载荷 197
9.2.4 网格化零件、运行算例 198
9.2.5 生成静态“算例2” 201
第10章 装配体的静态分析 202
10.1 生成静态分析 202
10.2 定义材质 203
10.3 应用约束、添加载荷 204
10.3.1 设定约束 204
10.3.2 添加载荷(应用方向性力) 205
10.4 网格化装配体 206
10.4.1 设定网格化选项 206
10.4.2 网格化装配体 206
10.5 运行静态分析 206
10.6 分析结果 206
10.6.1 分析von Mises应力 206
10.6.2 观察“合力位移” 207
10.6.3 对等要素“应变” 208
10.7 压缩零部件、重新分析 208
10.7.1 压缩零部件 208
10.7.2 约束新模型 209
10.7.3 重新网格化新模型、运行“分析” 209
10.7.4 列举“反作用力” 210
10.7.5 生成von Mises应力图解的剖面图解 211
10.7.6 控制剖面图解 212
10.7.7 探测剖面图解上的应力结果 213
第11章 “接头”的应用 214
11.1 接头 214
11.1.1 “连接”与“接头” 214
11.1.2 “接头” 215
11.2 “螺栓”接头 216
11.2.1 关于“螺栓”接头 216
11.2.2 “螺栓”接头属性管理器 217
11.2.3 “类型”选项组 218
11.2.4 “紧密配合”复选框 220
11.2.5 螺栓接头的分析 223
11.2.6 定义载荷和约束 226
11.2.7 定义局部接触条件 227
11.2.8 网格化模型、运行分析 228
11.2.9 分析von Mises应力 229
11.3 “刚性”接头 229
11.3.1 生成“刚性”接头的静态算例 229
11.3.2 定义“刚性”接头 229
11.3.3 约束模型 230
11.3.4 定义载荷 231
11.3.5 网格化模型和运行分析 231
11.4 “销钉”接头 232
11.4.1 “销钉”接头的特点 232
11.4.2 生成静态分析 234
11.4.3 定义销钉接头 236
11.4.4 定义接触条件 237
11.4.5 网格化零件、运行算例 238
11.4.6 列出每个销钉的力 239
11.4.7 销钉接头的其他选项 239
11.5 “弹簧”接头与“弹性支撑” 241
11.5.1 “弹簧”接头 241
11.5.2 “弹性支撑”接头 244
11.5.3 生成“弹性支撑”的静态算例 245
11.5.4 设定约束、接触条件和载荷 246
11.5.5 定义全局接触条件 247
11.5.6 定义压力载荷 248
11.5.7 网格化模型、运行分析 248
11.6 “点焊”接头 249
11.6.1 定义装配体外壳 250
11.6.2 生成参考点 251
11.6.3 对外壳边线应用约束 252
11.6.4 定义“点焊”接头 253
11.6.5 定义接触 254
11.6.6 定义载荷(应用方向性力) 254
11.6.7 网格化模型、运行分析、分析结果 255
11.7 其他接头 256
11.7.1 边焊缝接头 256
11.7.2 “连接”接头 258
11.7.3 “轴承”接头 259
第12章 频率分析 262
12.1 频率分析的概念 262
12.1.1 概述 262
12.1.2 频率分析中载荷的影响 263
12.1.3 动态载荷 263
12.1.4 频率分析的输入、输出 263
12.1.5 运行频率分析 264
12.1.6 频率分析的几个概念 266
12.1.7 频率分析选项 267
12.2 共振分析 268
12.2.1 生成“频率”分析算例 268
12.2.2 指派材料 269
12.2.3 添加约束 269
12.2.4 定义默认图解 270
12.2.5 网格化模型和运行算例 271
12.2.6 结果分析 271
12.3 无规则振动分析 273
12.3.1 生成“无规则振动”分析算例 274
12.3.2 设定“无规则振动”算例的属性 275
12.3.3 定义统一基准激发 276
12.3.4 设定阻尼属性 278
12.3.5 设定“结果”选项 278
12.3.6 网格化装配体和运行分析 279
12.3.7 查看结果 279
第13章 “远程载荷”“离心力”的分析 282
13.1 “远程载荷”与“离心力”载荷 282
13.1.1 远程载荷 282
13.1.2 “离心力”载荷 284
13.2 应用“远程载荷”的静态分析 286
13.2.1 生成参考坐标系 286
13.2.2 生成“远程载荷分析1”算例、指派材质 287
13.2.3 应用制约 287
13.2.4 应用远程载荷(直接转移) 288
13.2.5 网格化模型、运行分析 290
13.2.6 显示“von Mises应力”和安全系数 290
13.3 应用“离心力”载荷的静态分析 291
13.3.1 定义模型的“离心力”载荷 291
13.3.2 应用制约 292
13.3.3 网格化模型、运行分析 293
13.3.4 分析“离心力”载荷的“von Mises应力” 293
第14章 “跌落测试”分析 295
14.1 计算机硬盘“跌落测试” 295
14.1.1 定义“跌落测试”算例 295
14.1.2 设置跌落测试算例 296
14.1.3 设定“结果选项” 299
14.1.4 定义硬盘驱动器和泡沫间的接触 299
14.1.5 网格化模型和运行算例 301
14.1.6 查看应力结果 301
14.1.7 动画应力图解 302
14.2 铝杆件的跌落冲击测试 302
14.2.1 生成跌落测试算例 302
14.2.2 设置跌落测试算例 303
14.2.3 设定“结果”选项 304
14.2.4 网格化模型、运行算例、查看结果 305
14.2.5 绘制位移图解 306
第15章 压力容器的静态分析 308
15.1 对实体模型应用对称约束 308
15.1.1 生成楔块 308
15.1.2 生成具有实体网格的静态分析 311
15.1.3 为实体指派材料 311
15.1.4 应用“对称”制约 312
15.1.5 在内部应用“压力”载荷 313
15.1.6 稳定模型 313
15.1.7 网格化零件并运行分析 314
15.2 对外壳模型应用对称约束 314
15.2.1 生成具有外壳网格的静态分析 315
15.2.2 定义模型为外壳模型 315
15.2.3 运行抽壳分析 316
15.3 实体模型与外壳模型的对比 316
15.3.1 实体模型的对等应力 316
15.3.2 外壳模型的对等应力图解 317
15.3.3 实体模型与外壳模型的对比 318
15.4 非均匀压力分析 318
15.4.1 生成分割线 319
15.4.2 生成参考坐标系 320
15.4.3 生成外壳分析 320
15.4.4 指派材料 321
15.4.5 应用约束 321
15.4.6 应用流体静力学压力 322
15.4.7 网格化模型 324
15.4.8 观察底部的对等(von Mises)应力 324
第16章 接触分析 325
16.1 概述 325
16.1.1 关于“接触”问题 326
16.1.2 接触分析的应用范围 327
16.2 定义接触 329
16.2.1 零部件接触 329
16.2.2 局部接触 330
16.2.3 冷缩套合 334
16.3 小型位移的接触分析 335
16.3.1 生成眼杆装配体 335
16.3.2 生成并定义静态算例 339
16.3.3 定义“接触”条件 341
16.3.4 网格化模型和运行算例 342
16.3.5 观察主要应力 343
16.3.6 “接触压力”图解 343
16.3.7 “合力位移”图解 345
16.3.8 查看安全系数 346
16.4 应用“冷缩套合” 346
16.4.1 生成静态算例 347
16.4.2 设定“惯性卸除”选项 347
16.4.3 指派材料属性 348
16.4.4 定义“冷缩套合”接触 348
16.4.5 网格化模型和运行算例 349
16.4.6 探测径向应力结果 350
16.4.7 观察径向位移 352
16.5 “大型位移”接触 354
16.5.1 “大型位移”选项 354
16.5.2 生成静态算例 354
16.5.3 应用约束 355
16.5.4 应用规定位移 356
16.5.5 定义带摩擦力的当地接触 357
16.5.6 激活“大型位移”选项并运行算例 358
16.5.7 观察“大型位移”的“von Mises应力” 359