如何进行实体零部件分析：精度、边界条件与分析方法

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：本章着重讲述对单个零部件作应力和固有振动分析时应注意的事项。对于第二条，妥当的边界条件是分析结果正确性的首要保证。首先，精度是指将实际的设计模型转化成有限元分析的数值模型时而造成的误差。有限元的理论告诉我们，网格越密，精度越高。在本篇中，讲述了线性领域应力和变形的静应力分析、求解固有频率的固有振动分析和动态响应分析三种实体零部件的分析方法。

本章着重讲述对单个零部件作应力和固有振动分析时应注意的事项。设计人员在作CAE分析时，常不知如何着手。例如，应该是先作振动分析还是先作应力分析。在这里，简单归纳了如下三条原则：

1）设计方案的确认要遵循先振动后静强度分析的顺序。静强度要先观察变形再观察应力。

2）检查是否已定义边界条件。如果分析的是装配件，还需要检查是否已定义零部件间的连接条件。

3）注意精度问题。

对于第一条，在设计产品时，首先要考虑设计对象是否要在会发生振动的环境中工作。如果是，就要先考虑有没有发生共振的危险性。例如，设计一个电动机的支架，就要考虑电动机的质量确定后，支架结构的固有频率会不会和电动机的频率相近而发生共振。一般支架结构（考虑了电动机的质量以后）的固有频率和电动机的频率在上下相差25％以上就没有共振的危险性。进行了固有振动分析后，再考虑支架会不会因不能负荷电动机的质量而破坏的静强度问题和失稳的问题等。

对于第二条，妥当的边界条件是分析结果正确性的首要保证。如果分析的是装配件，妥当的零部件间的连接条件和边界条件同等重要。要尽量周全地分析各种不同工况，不得遗漏。很多召回事件都是源于设计时工况考虑不周，进而造成直接经济损失。从某种意义上说，设计人员应该比任何人都更明白自己所设计对象的工作情况，让设计人员自己从事CAE分析并用CAE分析的结果来指导设计具有更重要的意义。(https://www.chuimin.cn)

对于第三条，精度有两重意义。首先，精度是指将实际的设计模型转化成有限元分析的数值模型时而造成的误差。有的分析人员，常要求设计人员把“不需要”或者说“计算上不重要的”圆角、倒角（制造上为方便出模具用的斜角）、空洞去掉，为的是追求漂亮的网格，比如六面体网格。但实际上，常常不知道哪些圆角、倒角、空洞是“不需要”或者说“计算上不重要的”。换句话说，CAE分析有时就是为了确定哪里需要圆角、倒角和空洞。这种“理想化”所造成的精度问题也时常为人忽视。其次，精度是有限元计算时的误差。对设计人员要求做到如下几点：

1）计算时先用一阶单元做计算，来检查是否有定义妥当的边界条件。如果分析的是装配件，还需要检查是否有定义妥当的零部件间的连接条件。可以用动画来检查变形是否和预期的一致。如不一致，就要考虑是不是边界条件和连接条件不对。这一步完成后，再用二阶单元做计算。因为二阶单元要比一阶单元精度要求高。另外，要灵活运用误差表示的指标，如显示误差太大，在用了二阶单元的前提下，可以加密网格来提高精度。有限元的理论告诉我们，网格越密，精度越高。

有一个例外是，橡胶一类的超弹性材料，网格过密，会发生体积自锁的现象，导致不正确的结果，一般可以用杂交单元来避免这种问题。

2）要注意模型里是否有奇异性，如点载荷、尖角等。如果这些奇异性可以忽略，那么可以不予考虑。如果这些奇异性发生在自己需要注意的地方，就要避免使用有奇异性的定义，如修改尖角、加上圆角，修改点载荷使其成为与实际情况相近的载荷等。

在本篇中，讲述了线性领域应力和变形的静应力分析、求解固有频率的固有振动分析和动态响应分析三种实体零部件的分析方法。

如何进行实体零部件分析：精度、边界条件与分析方法

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