SIMSOLID精度校验与实际分析案例应用

一、SIMSOLID精度校验

以力学拉伸试样件为载体，将simsolid软件计算结果与实验结果进行比较，仿真分析时建立模型同实验样品一致，建立应变片相应的几何区域，在simsolid中查看相应区域应力值，与实验数据进行对比，验证simsolid软件计算的精度。

试验材料使用12Cr2Mo1的韧性材料进行试验，首先根据尺寸进行车间加工，将试样件的相关区域粘贴应变片，粘贴完成后连接相关线路将试样件在万能试验机上进行试验，加载过程为20KN、30KN………80KN，加载到相对应数值时，试验机在相应拉力下停止两分钟，能够让应变仪记录准确的微应变数据。试样尺寸和应变片位置如下如所示

 

图1：实验样品几何尺寸

 

图2：实验样品

采用相同的边界条件对试样件进行建模用simsolid软件进行分析计算，边界条件为一端固定、一端拉伸，计算后相应位置处的等效应力云图如下：

1、20KN时五个应变片处等效应力

 

 

 

2、30KN时五个应变片处等效应力

 

3、40KN时五个应变片处等效应力

 

4、50KN时五个应变片处等效应力

 

5、60KN时五个应变片处等效应力

 

 

6、70KN时五个应变片处等效应力

 

7、80KN时五个应变片处等效应力

 

在实验时应变仪数据变化灵敏，采用多记录求平均值方法计算。实验应变片平均数据如下表：

表1  对应应变片微应变数值

	应变片1	应变片2	应变片3	应变片4	应变片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

根据微应变数据计算出该应变片处的应力值，同仿真数据进行对比分析，如下表：

表2：实验数据与仿真数据对比分析

	应变片1（应力值MPa）	应变片2（应力值MPa）
力/KN	试验	ABAQUS	simsolid	误差	试验	ABAQUS	simsolid	误差
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%

 

应变片3（应力值MPa）	应变片4（应力值MPa）
试验	ABAQUS	simsolid	误差	试验	ABAQUS	simsolid	误差
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%
应变片5（应力值MPa）
试验	ABAQUS	simsolid	误差
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%

 上表中误差分析为实验值和simsolid软件计算值比较，通过表中数据可得，试验数据与仿真数值相近，误差在5%左右，通过应变片的实际试验数据很好的验证了仿真数据，说明simsolid软件在线性静力学中计算结果可靠、精度与实验结果相仿。将该模型导入Abaqus中计算后与simsolid计算结果相比较，两者差值更小，同时可说明无网格技术在线性静力学分析计算中的准确性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、案例应用

   采用有限元计算软件ANSYS和无网格计算软件simsold，在边界条件相同状态下，对车轴矫直机进行静力学分析。工况为：当油缸压力为27.5MPa时，矫直机大小钳臂的受力情况以及位移；同时对比两个软件应力和形变数值，为后续结构设计过程中采用simsolid进行结构分析提供依据和保证。 

1. 几何模型

   车轴矫直机几何模型如下图所示，主要部件有大小钳臂、钳口、油缸、模具等部件，工作时大小钳臂为主要受力部件，进行分析时采用整机分析。为验证simsolid软件的计算结果，在simsolid和ANSYS中导入完全一样的几何模型。

    

   车轴矫直机几何模型

2. 材料、边界条件、载荷相关设定

   车轴矫直机各部件的材料如表1, 底座底面为约束面，油缸内部压力为27.5MPa,接触根据实际情况分为绑定接触和摩擦接触两类，其中摩擦系数为0.3。

                                 表1：各部件材料属性

名称	材料	弹性模量	泊松比	密度	屈服强度
底座主板	Q345B	206GPa	0.3	7850	345MPa
底座	ZG310-570	206GPa	0.3	7850	345MPa
钳臂	Q345B	206GPa	0.3	7850	345MPa
钳口	45	206GPa	0.3	7850	355MPa
模具	42CrMo	206GPa	0.3	7850	930MPa

 

      边界条件                                载荷条件

 

      接触对显示

1. HyperMesh前处理有限元模型

    

2. 计算结果对比

    

   图1：Simsolid整机等效应力云图

    

   图1-1：Ansys整机等效应力云图

    

   图2：Simsolid整机位移变形云图

    

   图2-2：Ansys整机位移变形云图

    

   图3：Simsolid大钳臂等效应力云图

    

   图3-3：Ansys大钳臂等效应力云图

    

    

   图4：Simsolid大钳臂位移变形云图

    

    

   图4-4：Simsolid大钳臂位移变形云图

    

    

   图5：simsolid小钳臂等效应力云图

    

    

   图5-5：Ansys小钳臂等效应力云图

    

    

   图6：simsolid小钳臂位移变形云图

    

    

   图6-6：Ansys小钳臂位移变形云图

3. 结果分析对比

                               表2：应力值大小比较

	整机应力（MPa）	大钳臂应力（MPa）	小钳臂应力（MPa）
simsolid	123.26	79.15	70.65
ANSYS	136.27	87.26	76.37
误差	-9.5%	-9.29%	-7.4%

根据上表结果可知：以ANSYS计算结果为标准值时，simsolid计算应力值都处于偏小状态，最大偏差在9.5%。

表3：位移变形量大小比较

	整机位移量（mm）	大钳臂位移量（mm）	小钳臂位移量（mm）
simsolid	1.7	1.52	1.61
ANSYS	1.80	1.63	1.59
误差	-5.5%	-0.67%	1.2%

根据上表结果可知：以ANSYS计算结果为标准值时，simsolid计算位移量处于偏小状态，最大偏差在5.5%。

计算结果数值有差距，根据应力分布和位移变形量云图可知，两个软件在应力值、位移变形量的分布趋势是相近的。说明simsolid计算结果具有一定的准确性。

1.  结论和建议：

1、操作便捷。SimSolid软件与HyperMesh相较，在模型处理、网格划分、接触设置方面操作简洁快捷，SimSolid的快速校验功能具有明显的优势。

2.计算速度快。SimSolid在计算性能方面相比ANSYS，计算速度快、计算机内存消耗少。以本案例为例，采用SimSolid计算耗时小于10min，采用ANSYS计算时，因为网格数量大，占用内存多，计算耗时大于12h。

3、计算结果准确、精度高具有很好的参考价值。SimSolid线性静力学计算结果同实验结果、Abaqus计算结果相同，误差在5%之内。采用simsolid接触非线性时计算结果同ANSYS计算结果误差在10%之内，可能是由于两款软件中接触算法不一致导致。个人认为SimSolid软件特别适用于结构设计前期，具有方便、快捷的优势，还能提供有效的可行性方案和结果。设计后期可用SimSolid和传统有限元分析软件进行计算对比，进行精细化设计。

     建议将SimSolid与Solidthinking、OptiStruct等结构优化软件联合，完善结构优化建模功能，从而实现产品设计前期结构优化设计的目的。为机械行业新产品研发提供有效的技术支持。