第三章 SAMCEF基本分析过程

3.5.1  问题描述

    图3-34所示为一厚度为0.7mm 的薄壁座椅结构。分析此结构在压力作用下的变形和应力分布。此结构的模型由CAD模型导入。

 

图3-34  薄壁座椅的几何模型

3.5.2  导入几何模型

    导入几何模型的步骤如下。

    （1）启动SAMCEF Field软件。

    （2）选择File菜单。

    （3）选择New命令打开一个新的作业界面。

    （4）选择Import Geometry命令。

    （5）单击图标，直接进入example目录。

    （6）进入brep目录，浏览并选择文件benne.brep。

    （7）单击“Open”按钮，导入几何模型。   

    读入的几何模型如图3-35所示。SAMCEF Field可以直接读取Catia V4和V5的几何模型，或者通过Step、Iges和Brep格式输入其他CAD软件的几何模型。

 

图3-35  读入的几何模型

    单击鼠标右键，弹出几何特性对话框，单击“Modeler”选项卡，对话框中列出几何模型特性（如图3-36所示）。

 

图3-36  几何特性对话框

    “Properties”对话框提供的信息是当前模块下的，这里是Modeler 模块的特性。

3.5.3  导入和修补几何模型

1．几何面的缝合处理

    下面的任务是学会缝合模型中的几何实体（这里是面）。事实上，导入的几何由点、线或面组成。不同的面是独立的，即它们之间没有公共边。“缝合操作”就是将这些面装配在一起，如图3-37所示。

 

图3-37  缝合操作

    （1）在数据树中选中几何对象benne，单击鼠标右键弹出快捷菜单。

    （2）选择Shape Repair Mode下的Sew 命令。

    （3）选择Sew all faces选项。

    （4）几何公差Tolerance设置为0.3mm。

    （5）单击“OK”按钮，几何面缝合在一起。

    （6）在快捷菜单中选择几何炸开命令Explode。

    （7）选择First Level选项。

    （8）单击“OK”按钮。

    数据树中会出现两个壳面（Shell）。如果查看它们的特性，可以看到它们是两个开放的壳面（Opened Shell）。第一个是寄生的几何体，可以通过单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Delete命令删除。

2．填孔

    在此步中应学会如何使用“Fill Holes”命令“修补”模型。我们注意到，在线框状态有两组绿色线：模型的外边缘线和方形孔边。这里的绿色线表示自由边。

    （1）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Shape Repair Mode下的Fill Holes 命令，如图3-38所示。

 

图3-38  填孔目录

    （2）单击方形孔的一个边，如图3-39所示，被选择边的颜色变为粉红色。

    （3）单击“Auto search”按钮，方形孔的四条边均变为蓝色。

    （4）单击“OK”按钮，修补后的几何模型如图3-40所示。

 

图3-39  选择孔边线

 

图3-40  修补后的几何模型

3.5.4  数据定义

    在此节中将演示如何在结构上定义分析数据。为赋予数据，必须在Analysis Data模块中定义：

    模型的属性和材料。

    边界条件。

    载荷工况。

    装配单元。

    SAMCEF Field 允许在几何体，或者单元组和（或）节点组上定义属性。SAMCEF Field软件提供一些专门的快捷图标，可以使用这些快捷图标或者单击鼠标右键，通过弹出的快捷菜单进入对话框。

1．定义模型的属性

    （1）单击 Behavior图标。

    （2）如图3-41所示，在Behavior 对话框中选择壳定义 Shell 选项。

 

图3-41  定义模型的属性

    （3）选择Neutral Fiber，输入壳单元厚度为0.7 mm，然后按〈Enter〉键，“Apply”按钮变亮。或者使用鼠标左键在屏幕上拾取几何模型选择几何体，“Apply”按钮变亮。

    （4）单击“Apply”按钮确认上述操作。

    定义的信息在数据树的Used Data 目录中都留下一个记录。我们可以双击这些记录来编辑它们，或者单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择相应的操作命令。

2．定义模型的材料特性

    （1）单击Material图标。

    （2）如图3-42所示，在材料对话框中定义如下材料特性：

    1）弹性模量（Young modulus）：210000 N/mm2。

    2）泊松比（Poisson ratio）：0.3。

    3）质量密度（Mass density）：7800 kg/m3。

    （3）单击“Apply”按钮确认上述操作。

 

图3-42  定义材料特性

    如果进行热应力分析，必须定义热膨胀系数参数。弹性极限（Elastic Limit）是后处理时的可选参数，在此分析中不是必需的。

3．定义边界条件

    （1）单击Constraint图标。

    （2）如图3-43所示，选择固定约束Clamp。

    （3）选中底部的4个面，并单击“Apply”按钮。

    （4）重复以上操作，上部的4条边也是固定约束。施加约束后的图形如图3-44所示。

 

图3-43  定义边界条件

 

图3-44  施加约束的几何模型

4．定义载荷

    （1）单击Load图标。

    （2）选择合力Resultant Force。

    （3）输入幅值100 N，选择Z方向。

    （4）单击座椅侧面的两个斜面。

    （5）单击“Apply”按钮确认，如图3-45所示，载荷标记显示出来。

 

图3-45  载荷

3.5.5  生成有限元网格

    在Mesh 模块中可以使用如下工具创建有限元网格：

    单元平均长度（Average Length）。

    网格类型（Mesh Type）。

    编辑网格（Edit Mesh）。

    检查网格（Check Mesh boxes）。

    （1）单击 Length 图标。

    （2）如图3-46所示，输入平均网格长度：8mm。

 

图3-46  网格尺寸定义

    （3）单击“Apply”按钮确认。

    应注意到网格分布出现在几何模型上，节点的分布随单元长度值而变化。

    （4）单击Element Type图标。

    （5）选择Triangle-quadrangle 线性单元。

    （6）选择 Pavor 方法。

    （7）单击“Apply”按钮确认。

    应注意到有两个记录出现在数据树的Mesh Constrains目录下。

    （8）单击Generate图标，生成的有限元网格如图3-47所示。

    （9）单击“Apply”按钮确认。

    应注意到网格记录出现在数据树的Mesh Model目录下，可以进行编辑或者修改网格。

 

图3-47  有限元模型和有限元网格

3.5.6  求解

    网格生成之后，就可以进入Solver模块中。

    （1）单击Convert and Launch 图标。

    （2）如图3-48所示，定义工作路径（一个临时的工作目录），浏览选择工作目录，如C:\temp。

 

图3-48  求解参数单元

    （3）设置求解使用的计算机内存，如100 MB（不能超过实际物理内存大小）。

    （4）单击Convert and Launch 按钮提交作业，执行计算。显示执行状态的监视窗口，如图3-49所示。

    （5）当计算完成后，单击“Close”按钮，关闭Solver Monitoring对话框。

    （6）结果显示在数据树中（如图3-50所示），以便后续进行后处理分析。

    在计算过程中，与分析有关的信息出现在监视窗口中，如模型的自由度数、硬盘空间大小和计算大致需要的硬盘空间、模型的表面积、体积和质量等特性参数。计算完成后，可以编辑结果文件，例如.dat、.res等文件，这些都是ASCII的输出文件。

 

图3-49  求解过程显示

 

图3-50  结果数据树

3.5.7  后处理

    本节介绍在SAMCEF Field软件中如何进行后处理以及各种结果的显示方式，例如图形显示和结果列表等。

1．位移和应力云图

    （1）单击Result 图标，进入结果显示菜单。选中数据树结果目录中的项目后，单击鼠标右键，弹出如图3-51所示的快捷菜单。可以在此菜单中进行不同方式的后处理。

    （2）分别选中结果数据树中的Model、Used Data和Mesh Model目录，隐藏这些目录中的所有目标对象。

    （3）在结果数据树中选择Nodal displacements项目。

    （4）如图3-52所示，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Criteria选项，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择标量结果Scalar。

 

图3-51  快捷菜单

 

图3-52  选择Criteria选项

    （5）单击“Apply”按钮确认。

    （6）在数据树中选择Nodal displacement项目，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Result Display Attribute项下的Deformed命令。结果的位移云图如图3-53所示。

    （7）在数据树中选择Von-Mises equivalent stress（upper skin）项目，Von-Mises当量应力云图显示在图形区中（如图3-54所示）。

 

图3-53  位移云图

 

图3-54  应力云图

    （8）在数据树中选择位移或者应力项目，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Drawing Mode命令，弹出如图3-55所示的对话框。

    （9）单击播放按钮，图形区域显示出位移或者应力云图动画。

    （10）单击录制动画按钮，输入动画名称，如Movie-disp和Movie-stress。单击“OK”按钮，生成位移或者应力动画文件，并在数据树的Pictures分支目录中留下相应的记录。

    （11）单击图形区上面的图标，弹出如图3-56所示的对话框。

 

图3-55  动画显示对话框

 

图3-56  保存图片对话框

    （12）输入图片名称，如Picture-disp或者Picture-stress。

    （13）取消Add Border选项。

    （14）单击“OK”按钮，生成位移或者应力图片文件，并在数据树的Pictures分支目录中留下相应的记录（如图3-57所示）。

 

图3-57  显示Pictures分支目录中的记录

    （15）双击数据库Pictures分支目录下的记录Picture-disp或者Picture-stress，系统显示如图3-58所示的图形的位移和应力结果。

 

图3-58  位移和应力结果

    （16）单击图形下部的按钮，可以将图形复制到剪贴板中，进而可以粘贴到Word文件或者其他文件中。

2．结果列表

    （1）在数据树中选择Von-Mises equivalent stress（upper skin）项目，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Listing命令。

    （2）Von-Mises当量应力的结果列表如图3-59所示。

    只要单击左下角的输出图标，表中列出的结果就可以输出到文本文件或者Excel文件中。

图3-59  结果列表