SOLIDWORKS Simulation工程實例詳解：靜力、疲勞、優化（簡體書）

本書主要從工程應用角度介紹有限元分析的應用問題，以仿真思路的講解為核心，結合軟件功能、操作流程以及模型簡化等內容進行展開，力求還原學習者和工程師在實際項目過程中可能遇到的問題。本書主要內容包括力學建模、零件靜力學分析基礎、網格劃分、一般裝配體的連接及接觸問題、邊界條件和聖維南原理的應用、單元和自由度、金屬疲勞強度分析、優化設計。
本書提供了豐富的案例模型，並且配備了電子版彩色云圖以及有聲教學視頻，以幫助讀者更好地理解本書內容。本書適合從事工程應用的工程技術人員以及高等院校、職業技術院校的師生使用。

本書以仿真思路的講解為核心，結合軟件功能、操作流程以及模型簡化等內容進行展開，
力求還原學習者和工程師在實際項目過程中可能遇到的問題。例如，本書將讀者比較熟知的有
限元分析軟件操作流程 [數學模型修正、分析類型選擇、材料加載、邊界條件（固定、載荷和接觸）、網格劃分、求解、後處理 ]中的幾個部分改為數學模型修正思路、邊界條件加載思路、網格劃分思路以及後處理思路。
本書在一些內容上進行了重新的構建和剖析。例如：對數學模型的步處理習慣上稱為數學模型簡化，但是實際上簡化只是模型處理的一部分，有些時候也可能因為分析需求修改模型尺寸、調整裝配位置等，這部分工作並不能歸納為模型簡化，因此本書將分析流程的步改為數學模型修正；第 3章在網格劃分部分重點介紹網格劃分中的錯誤排查方法；第 5章從工程應用的角度對聖維南原理進行剖析和解釋，糾正目前一些概念理解上的偏差和簡化上的誤用；
第 7章從企業應用的角度講解有限元分析疲勞模塊等。
讀者在使用本書的過程中要特別注意 SOLIDWORKS Simulation軟件和有限元分析技術的區別，尤其是在介紹某種方法時，如果定義為有限元分析，則說明該方法是針對所有有限元分析軟件，而非僅僅針對 SOLIDWORKS Simulation軟件。
本書充分考慮到讀者學習的需求，除配有原始三維模型、操作視頻外，還配有電子版彩色
云圖和設置完整的仿真算例，方便讀者學習。本書案例計算時間所對應的計算機配置如無特別說明見下表。
CPU 內存 顯卡 主板
i7-10700 32GB P2200 華碩 B460M-N

本書的模型經過精心篩選，複雜程度處於中上水平，部分模型的計算需要花費一些時間，對讀者掌握實際複雜模型的分析方法具有一定幫助。本書的適用群體不是某一類學歷的讀者，也不是某一款軟件的使用者，而是針對現在或者未來需要從事結構設計的人員，尤其是希望將有限元分析作為一項技能以幫助自身提升設計研
發能力的工程師群體。
感謝前達索系統 SOLIDWORKS大中國區技術總監，現華天軟件技術總監胡其登先生為本書出版提供的幫助，並親自為本書寫序！感謝 SOLIDWORKS仿真產品技術經理彭軍先生對本書的指導和協助！感謝王聰先生為本書插圖提供的幫助！感謝廣大同行在本書寫作期間給予的支持！
基於當前有限元分析的整體環境，以及作者本人的行業局限性，書中某些觀點可能會引起爭論，但是很多技術方法的進步總是在不斷的爭論和探討中迸發而出的，所以非常希望讀者能夠保持熱情，以及辯證客觀的學習態度，若發現書中的不足之處，歡迎大家指正！

序
前　言
1.1　力學建模的基本概念1
1.2　有限元分析流程2
1.2.1　可行性方案制定3
1.2.2　數學模型假設6
1.2.3　數學模型的修正及迭代6
1.3　定性分析和定量分析6
1.3.1　錯誤和誤差6
1.3.2　數值解和解析解7
1.3.3　定性分析和定量分析的區分7
1.3.4　誤差來源8
1.4　有限元分析的價值8
1.5　仿真工程師的職責9
1.6　有限元分析技術的發展史以及 SOLIDWORKS Simulation介紹9
1.6.1　有限元理論的發展史9
1.6.2　有限元分析軟件的發展史10
1.6.3 SOLIDWORKS Simulation及設計仿真一體化12
2.1　學習前的準備工作16
2.1.1　模型下載16
2.1.2　插件激活17
2.1.3　SOLIDWORKS Simulation的設置18
2.2　零件靜應力分析的基本操作22
2.2.1　分析案例：吊具 22
2.2.2　分析操作流程說明22
2.2.3　案例操作22
2.2.4　後處理29
2.3　材料力學的相關概念及結果解讀32
2.3.1　分析案例：傳動鏈支撐法蘭32
2.3.2　案例操作32
2.3.3　材料力學的相關概念36
2.3.4　安全系數和屈服準則41
2.3.5　材料參數對計算結果的影響44
2.3.6　載荷對計算結果的影響47
2.4　小結與討論49
3.1　有限單元法的離散化思想50
3.1.1　離散化數學思想50
3.1.2　割圓術51
3.1.3　有限元分析中的單元類型52
3.2　網格精度的判定及控制54
3.2.1　分析案例： T型推臂 54
3.2.2　案例操作54
3.2.3　網格無關性檢查59
3.2.4　應力集中60
3.2.5　局部網格控制62
3.2.6　位移結果和網格密度的關係66
3.3　應力奇異 66
3.3.1　分析案例： T型支架66
3.3.2　案例操作67
3.3.3　應力奇異的三種常見情況 70
3.3.4　網格質量檢查75
3.4　網格劃分報錯77
3.4.1　分析案例：踏板78
3.4.2　網格錯誤排查方法79
3.4.3　基於曲率的網格83
3.5　自適應網格技術 84
3.5.1　自適應網格技術介紹84
3.5.2　分析案例： T型推臂自適應分析 84
3.5.3　自適應網格技術的局限性 87
3.6　小結與討論：關於結構仿真中四面體單元和六面體單元的討論 87
4.1　接觸和接頭形式介紹 90
4.2　複雜裝配體分析92
4.2.1　分析案例：電機支架 92
4.2.2　分析思路整理 92
4.2.3　案例操作93
4.2.4　後處理103
4.2.5　位移結果的網格無關性檢查107
4.3　螺栓簡化 108
4.3.1　螺栓接頭的數學模型 108
4.3.2　緊密配合的設置 110
4.3.3　實體螺栓的簡化方法111
4.3.4　地腳螺栓的簡化方式—固定 114
4.3.5　虛擬壁和地腳螺栓的應用 116
4.3.6　預緊力設置 118
4.3.7　案例思路總結 120
4.4　靜應力分析 120
4.4.1　“靜”的概念120
4.4.2　分析案例：三點彎實驗121
4.4.3　剛體運動 126
4.4.4　微小力的處理方法 127
4.4.5　零件之間的間隙及穿透問題 131
4.5　實體焊接 134
4.5.1　分析案例：焊接立柱134
4.5.2　全局接觸136
4.5.3　兼容網格和不兼容網格 137
4.5.4　接觸優先級問題 140
4.6　小結與討論：複雜裝配體分析思路梳理 141
5.1　均布載荷問題 42
5.1.1　分析案例：工作臺載荷簡化142
5.1.2　模型簡化方案 146
5.2　聖維南原理 152
5.2.1　一般對稱問題 152
5.2.2　分析案例：輪轂153
5.2.3　聖維南原理介紹 161
5.3　赫茲接觸和平面問題 162
5.3.1　赫茲接觸 162
5.3.2　分析案例：圓柱體擠壓 163
5.3.3　平面問題164
5.3.4　結果統計及案例小結 167
5.4　彈簧計算及子模型 168
5.4.1　分析案例：拉伸彈簧 168
5.4.2　結構非線性 171
5.4.3　子模型174
5.4.4　不確定因素的處理177
5.5　大轉動177
5.6　小結與討論：解算器及其性能測試 179
6.1　桿梁、殼及實體單元 181
6.1.1　分析案例：簡支梁181
6.1.2　殼單元 184
6.1.3　桿梁單元189
6.2　約束和自由度194
6.2.1　自由度的概念194
6.2.2　殼單元及桿梁單元的約束形式 196
6.2.3　簡支梁的實體單元約束形式200
6.3　遠程位移的應用202
6.4　混合單元分析問題207
6.4.1　分析案例：控制柜 207
6.4.2　三向重力檢查法213
6.4.3　殼單元和梁單元應力結果的說明 216
6.5　小結與討論：有限元分析結果的驗證 217
7.1　金屬疲勞失效理論 218
7.1.1　金屬疲勞發展簡史 218
7.1.2　金屬疲勞的基本知識 219
7.1.3　SOLIDWORKS Simulation疲勞模塊220
7.2　周期性疲勞事件220
7.2.1　分析案例：彈簧周期性疲勞事件 221
7.2.2　S-N曲線225
7.2.3　疲勞結果說明 228
7.2.4　疲勞分析的“悖論” 232
7.2.5　周期載荷組合工況234
7.3　非周期載荷疲勞235
7.3.1　雨流計數法235
7.3.2　分析案例：彈簧非周期變幅載荷疲勞 236
7.3.3　平均應力修正對計算結果的影響 239
7.4　裝配體疲勞分析241
7.4.1　分析案例：三點彎實驗 241
7.4.2　疲勞仿真的企業現實問題 243
7.5　小結與討論：雨流計數法和雨流計數箱的工作原理 243
8.1　優化設計介紹 246
8.2　尺寸優化 247
8.2.1　SOLIDWORKS的參數化建模 248
8.2.2　分析案例：絞龍 249
8.2.3　分析案例：絞龍優化256
8.2.4　響應曲面設計法 263
8.3　拓撲優化264
8.3.1　分析案例：帶孔板拓撲優化 265
8.3.2　案例操作265
8.4　小結與討論：設計仿真一體化 271