SolidWorks进行CAE分析的几种方法

  随着经济的发展，装备制造业正面临越来越激烈的竞争，如何使企业的产品在市场上保持领先地位；如何改进复杂的产品设计、减少重新设计；如何进行前期问题检测与纠正；如何使产品质量更高、问题更少，是从事装备制造业每个设计者必须正视的问题，从而给产品的设计者提出了挑战。正是在这样的前提下，三维软件得到巨大的发展，企业依靠三维设计软件，使用强大的CAD／CAM／CAE功能，使得设计效率得到了大大的提高。目前，主要的三维软件有SolidWorks、UniGraphics(UG)、Pro／Engineer、Inventor、CATIA等。

    SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于windows的机械设计软件，它不仅有强大的三维实体建模和二维工程图生产功能，而且还拥有丰富的第三方支持软件，可以实现加工、分析、仿真、逆向工程等工程应用，由于其优越的性价比，广泛的应用在中小企业中。

    ANSYS是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，软件主要包括了3部分，前处理模块、分析计算模块、后处理模块，并且开发了与cad软件的数据接口，其缺点为自身很难建立复杂的三维模型。

    Workebench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。Workbench的仿真环境有3点与传统仿真环境有所不同：①客户化：Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境，而且用户自主开发的脚与ANSYS已有的API等。这一特点也称为“实施性”；②集成性：Workbench把求解器看作一个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用；③参数化：Workbench对CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。Workbench由4个模块组成：DS、DM、DX、FE Modeler。

l SolidWorks与ANSYS的数据转换

    ANSYS软件提供了各种CAD软件的专用接口，它可以识别IGES、ParaSolid、CATIA、SAT、CIF、Pro／E、UG等标准格式。SolidWorks与ANSYS进行有限元分析的数据交换主要有3种格式，即IGES、ParaSolid和ACIS格式：①ICES(初始化图形交换规范)是一种三维绘制软件与CAE软件之间交换的通用交换格式，ANSYS本身内置了IGES交换过滤器，它支持IGES格式文件的输入。在SolidWorks的三维建模中，将已经建好的三维模型另存为IGES格式，通过这样的方法可以实现两种软件的数据交换；②ParaSolid同样可以在SolidWorks中采用另存为的方式得到，所以SolidWorks中建好的模型可以通过这个方法导人ANSYS中；③SolidWorks能很容易生成ACIS格式，同时，ANSYS提供了与ACIS的接口，因此，通过ACIS格式可以实现SolidWorks与ANSYS的数据交换。用SolidWorks建模时输出的格式应避免使用IGES和ACIS格式，因为在实际的应用工程中，导入的模型因为结构复杂或三维建模的基准等问题产生一些元素丢失，经常出现一些错误，所以对于初学者不建议采用此方法进行数据交换，除非有特殊要求才选用这两种方法进行数据转化。一般装配体和零件的数据输出使用ParaSolid格式，在使用ParaSolid格式时要注意SolidWorks与ANSYS的数据相匹配的问题。根据经验，在选择PAPA版本时尽量选择PAPAl4或更低的版本，ANSYS则使用ANSYS6．0以上的版本，同时，在SolidWorks与ANSYS的数据转换中还应注意单位设置保持一致。

2 COSMOSXpress、COSMOSworks功能

    SolidWorks不但提供与其它CAE软件的数据接口，而且自身也提供了有限元分析模块，即COSMOSXpmss和COSMOSworks功能。COSMOSXpress是COSMOSworks入门版本，可以对三维模型进行线性静态分析，分析后可以得到模型的应力分布图、位移分布图和模型的变形图。而COSMOSworks可以进行线性静态分析、频率分析、线性扭曲分析、热力分析、非线性分析、掉落测试分析和疲劳分析，其中，在线性静态分析中可以绘制出各个方向上的位移、反作用力、接触压力、应力和应变。在线性静态分析中，COSMOSXpress分析的结果和COSMOSworks分析的结果是一致的，所以在随后的分析中，文中只给出了COSMOSXpress分析结果。

3 实例分析

    如图所示，用SolidWorks绘制的模型为一固定支架，它有两块钢板焊接而成，其中，固定板上开有4个规定孔，水平托盘承受4000Pa的均布压力，计算支架的位移和应力，已知材料的弹性模量为2．1×Pa，泊松比为0．28，材料的密度为7．8 x kg/.

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3．4结果对比

    表1为各CAE软件的分析结果，通过分析可以看出各个结果比较接近，但SolidWorks的分析不如ANSYS和workbench精确，对于简单的结构分析，可以采用SolidWorks自带的分析模块，而对于复杂的结构，它只有一定的使用和参考价值，建议使用ANSYS和workbench进行分析。

图6 workbench的应力分布图

图7 workbench位移分布图

表1计算结果统计表

4结论

    介绍了通过SolidWorks软件进行CAE仿真的几种方法，并对软件之间的数据交换问题进行了一定的阐述，通过COSMOSXpress、ANSYS和workbench对三维模型进行相应的有限元分析，对比分析结果，从而进一步了解Solidworks软件的CAE功能，结合其它分析软件的优点发挥其自身的优势，为广大工程设计人员提供更好的帮助。