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【济南索迪技术分享】基于SolidWorks的马扎受力分析
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评论: |原作者: 席久恒|来自:
摘要: 上次是马扎的建模，这次一起来看看马扎的受力。首先确立分析目的。我们想了解马扎上做一个人，木质支撑腿和碳钢销轴的强度和应力分布。一般在有限元分析前我们要做这么几件事：1.模型理想化；2.边界条件模拟；3.装配 ...
上一次我们在SolidWorks中将马扎的模型已经建立完成，可以通过下面路径查看：
马扎建模（文章）：& .cn/article-691-1.html&&&
马扎建模（视频）：& /h-col-138.html
另外这里也附上这次的操作视频地址（源创汇一旦发表就不能修改，在发表此文章时视频还未上传，不要着急，两周内肯定上传）：
马扎分析（视频）： &/h-col-145.html
一．分析目标的确立
这次一起来看看马扎的受力。首先确立分析目的。我们想了解马扎上做一个人，木质支撑腿和碳钢销轴的强度和应力分布。一般在有限元分析前我们要做这么几件事：1.模型理想化；2.边界条件模拟；3.装配体干涉检查。以前发过类似文章，这里就不在赘述了，需要了解的可以查看这个帖子：
.cn/thread-.html
如下图所示，将我们不关心的尼龙绳坐面、两个装饰条和螺母去掉，只剩下内侧腿、外侧腿和螺栓销轴，还有那些无关紧要的圆角也压缩掉。
二．受力情况的分析
在添加载荷与约束之前，我们先一起看看马扎的受力过程。先是人的屁股坐在尼龙绳的椅面上，尼龙绳会变形下凹（箭头A），下凹后拉扯着木质小孔下边缘，使得上面有合拢的趋势（箭头B），由于中间铰链的作用，上面下压，下面就会有往外岔开的趋势（箭头C），最终达到力的平衡。如下图
上端细节处受力：整体看完了，我们再看看细节部分。先看上面部分。尼龙绳受拉力以后，直接作用在木质小孔的下半边缘，如下图
背面的尼龙绳是缠绕在两个孔之间的，因此两孔近端边缘之间受相向的拉力；还有沿着轴向的拉力
提示：分析细节受力固然重要，但是与我们的分析目标相悖，我们关心整体受力，这些局部受力对整体相对影响小，因此在整体分析时可以先忽略这些细节。如果关心局部受力，可以单独考虑。
中间铰链处的受力相对没有上面复杂了。不过需要注意的是，销轴与孔之间是有间隙的，装配当然可以最理想化的同心就行，但是分析时是需要有真实接触的。一般带有真实接触的分析计算时间较长，因此这里用分割线将销轴分割成几个部分，这样可以提高效率。
下面木质腿与地面受力最简单了，就是一个压力，但是压在哪里呢，难道要把地面也建立出来吗？当然不用，相信用过Simulation的工程师，肯定能想到利用“接触”里面的“虚拟壁”。不过这里我们分析的是稳态受力，因此用约束代替。
三．建立算例
材料定义：好了，准备工作做完了，下面该让Simulation亮个相了。打开Simulation插件、建立静态算例，添加材料…& 到这里停一下，需要交代一句，对于木材，横纹受力和纵纹受力是差别很大的，也就是木材是各向异性的材料，我们需要定义不同方向的弹性模量、泊松比、屈服强度等参数（如下图）。当然了，既然各向异性，那就得有方向，需要建立用户坐标系，坐标系的XYZ方向要与定义的材料参数一致。每一块木条的方向都不同，因此这里需要建立多个坐标系来定义方向。
约束定义 材料定义好了，下面就是约束与载荷了。上面我们已经分析过了，就是马扎上面坐人，人的重力压着马扎有合拢的趋势；下面支撑，由于摩擦力和压力角的存在，合拢到“死点”的位置达到静力平衡。我们就是要分析在平衡时的受力，但是如何添加约束呢？对于一个腿来说，上面受向下的力，中间有铰链连接，下面支撑有旋转的趋势，因此在这里可以给底部添加“固定铰链”的约束。
对于横向虽然不受力，但是由于离散化误差，也很容易引起模型不稳定的情况。因此这里找一个基本不变形、就是变形也不影响整体结果的点进行固定（如下图）。当然了我们这里有两个腿一个销轴，因此这三处都需要相同的约束，既约束轴向移动自由度。
载荷定义 约束好了，载荷呢，通过上面的分析我们知道，当有人坐在马扎上时，会使得马扎有合拢的倾向，接近“死点”时平衡。那问题来了，什么时候能平衡呢？尼龙绳椅面下凹到什么程度平衡呢？这是个很棘手的问题。不过不用担心，SolidWorks是设计仿真一体化解决方案平台。这里我们可以利用SolidWorks Motion功能得到这个死点。
在用Motion计算前，需要先建立零辅助零件，来模拟人坐在马扎上，尼龙绳椅面下凹的过程。辅助零件长度要达到椅面的一半，然后两部分铰接到一起（如下图）。
在两个辅助件之间加入线性马达，使其保持恒速下凹。底面马扎腿与地面的接触加入摩擦，在地面加入向上（力是相互的，加到哪端都行）的推力750N（一个150斤人体的重量）。不要忘记地面与马扎腿的接触，然后计算。
计算后得到马达力的时间曲线。观察下图我们会发现，在经过平稳上升后，力量急剧增加，这个拐点我们就认为是“死点”位置了。为了更精确得到这个锁死的位置，可以在Excel中得到精确的时间位置。这里我们就取出下图红线处为平衡点或“死点”（749约等于750，力和反力相等时平衡）。在这一时刻我们得到下凹角度为71.59°，凹点到中心销轴距离为104.06mm。将这种状态返回到Simulation进行应力计算。
人的坐骨是两侧对称的，施力点就在这两块突出的坐骨上，这里我们就假设人坐在马扎的正中间。这样我们就可以建立两个坐标系了（如下图）。这两个坐标系可以用于定义力的施加位置。
定义远程载荷，左边的12个孔施加750/2=375N，受力点在坐标5上；右侧同样的方式施加375N到坐标6上，如下图
还不能计算，中间销轴与马扎腿的接触的四个地方要定义为“无穿透”。下面就可以进行计算了。不过计算过程中有可能会出现提示，使用大位移计算还是小位移计算。这是由于销轴直径小于孔的直径，受力后位置发生了变化引起的。这里我们选择“否”进行小位移计算。下图是计算完的应力分布，调整显示最大图解为10MPa，如下图
只有调整到10MPa才能看到有颜色变化，否则绝大部分都是蓝色的。这说明整体的结构强度是足够的。
销钉的应力& 再看一下危险截面。销钉的应力最高了，单独显示他，发现在与孔接触的部分应力较高，这种情况是常见的应力集中问题。如果不关心此处的应力可以直接忽略，如果关心的话不能简单的直接读取。下图中探测出的曲线跳跃较大，说明网格还是较粗糙。如果网格足够小，可以看到较为均匀的曲线，看曲线整体走向确定最终的应力集中区域的数值水平。我们这个例子大约在185MPa左右。对于Q235来说，此处安全系数为1.27 。
只显示木质的马扎腿，从中心的孔处剖开（如下图）。边缘处应力较大是我们预期的，但是下图红圈处在中间，但是有应力突变的现象，这其实是由于接触与网格粗糙造成的，这种点的应力是不正确的，同销轴一样，也可以调整网格密度来提高局部精度。
沿着孔的轴向取点探测（如下图），发现应力集中非常的明显。仔细观察生活中的马扎，此处一般会有局部的变形的。通过上面的方法我们可以到的此处的计算应力在20MPa左右，也就是说此处也是安全的，但是此处是危险点。
1.SolidWorks Simulation可以非常有效的模拟马扎受力问题（用Motion找到死点和用Simulation计算应力）；
2.操作上Simulation秉承了SolidWorks的简单易用，但是要用其解决实际问题，还是需要有一定经验：力学基础、产品熟悉（马扎）和软件操作；
3.在对带有接触问题计算时，花费时间会更多；分步骤计算效率更高（马扎腿和螺栓分开计算）。限于篇幅没有做两种计算的对比，对于大的分析，分步骤计算效率尤其高。
最后，也请大家积极批评指正不当之处，共同进步！
北京市朝阳区建国路79号华贸中心2号写字楼707-709室，邮编：100025
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Dassault Systèmes - All rights reservedSolidWorks SimulationXpress中，不能选择材料的问题您是怎么解决的？我整了好多次 都不成功..._百度知道
SolidWorks SimulationXpress中，不能选择材料的问题您是怎么解决的？我整了好多次 都不成功...
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不知你什么版本，只能处理很简单的问题别研究这个xpress，直接用simulation
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出门在外也不愁solidworks 在simulation中受力分析出现“模型不稳定，约束可能不适当”，如何解决？？_百度知道
solidworks 在simulation中受力分析出现“模型不稳定，约束可能不适当”，如何解决？？
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这个不好解决，把所有约束检查一边看看有什么不妥
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出门在外也不愁solidworks焊接件simulation分析模型不稳定，约束可能不适当_百度知道
多实体吧，所以不稳定。试试看，组合成一个实体就稳定了
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模型不稳定，约束可能不适当（SolidWorks2009，横梁和实体的混合网格）
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我用SolidWorks2009做的模型 用simulation分析 用的横梁和实体的混合网格（由于实体网格通过不了） 出现模型不稳定，约束可能不适当 是怎么回事啊&&
模型.JPG (393 KB, 下载次数: 0)
16:48 上传
约束和载荷.jpg (414 KB, 下载次数: 0)
我加的约束和载荷
16:48 上传
顺便问下 我这模型全局接触和零部件接触 需要定义吗&&要的话怎么定义呢& &
& && && &角钢搭焊在钢板上&&怎么定义相触面组呢&&
& && && & 求助大侠&&多谢& &
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自己先顶下呵呵
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大侠&&快现身吧&&呵呵&&多谢了
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无奈啊& &怎么没人解决些呢&&哎
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问题没说清楚，你自己检查一下看模型在XYZ各方向是否都已经妥善约束了，还有，你说的零部件接触你自己是否已经设置了，如果已经设置了接触那上面的桁架就缺约束
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我就单纯桁架也出问题，开始没问题，但改了改横梁的粗细就不行了
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