Creo Simulation理论基础

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仿真分析类型

“结构”(Structural) ：通过结构仿真，可以计算和查看模型或装配在指定载荷和约束作用下所产生的变形和应力。

“热”(Thermal)：通过热仿真，可以根据规定温度和/或对流条件来计算和查看对热载荷的热响应。

“模态”(Modal) ：通过模态仿真，可以计算和查看模型的固有频率和振型

强度与应力

材料强度是材料的一个固有属性。零件或元素的强度取决于元素的材料以及材料的处理与加工工艺。

在上图中，当对诸如铁之类的材料进行加热时，该材料会经历退火过程，其材料属性会在此过程中发生变化。

另一方面，应力是指材料本身对施加于其上的外力所作出的反应。

在上图中，当将载荷施加到透明塑料上时，会产生应力，实际上，您可以根据出现的不同色带来查看其不同级别。移除外力后，只有在零件未发生永久变形的情况下，零件中的应力才会恢复为零。对于图中所示的塑料，如果移除载荷，应力即会恢复为零，色带也会随之消失。零件强度仍将保留为其属性之一，因为强度是材料和工艺的一个固有属性。

材料属性通常包括材料的极限抗拉强度和屈服强度。极限抗拉强度和屈服强度通过测试材料的样本来确定。

当零件或装配出现过度变形或断裂以致无法再执行其预期功能时，会发生失效现象。施加的应力不应超过零件的极限抗拉强度和屈服强度，这一点很重要。与强度和应力相关的一般方法是使用安全因子。

安全因子

安全因子 (有时称为设计因子) 的定义为材料强度除以材料中的应力。

N = 强度/应力

在下图示例中，铝合金杆末端悬挂了 5000 lbf 的重量 (本示例中也包括重力)。铝合金的抗拉屈服强度为 42,000psi。

杆直径为 0.5 英寸，杆上产生的最大应力为 35890psi。这种情况下，所得安全因子为 1.2。

为了增加所需的安全因子，杆直径增加到 1 英寸，如下图 所示。由此产生的最大应力为 10371psi，因此安全因子约为 4

安全因子的值具体由工程师或设计者来决定。以下是做出此决定时需要注意的一些事项：

·规范和标准 - 目前正在设计的零件或装配可能符合设计过程中必须满足的各种规范和标准中所述的条件。

·材料强度 - 极限强度或屈服强度可用于安全因子。用于安全因子的值通常根据所用的强度而有所不同。

·材料类型 - 材料可以是延性材料，也可以是脆性材料。延性材料会给出即将失效的预警，而脆性材料则是突然失效。安全因子的值应反映出这一点。已发布的材料属性的置信度也将发挥作用。

·载荷类型 - 载荷可分为静态载荷、疲劳载荷和冲击载荷。所选安全因子应反映出这一情况。

·零件用途 - 应考虑零件的意外过载或滥用情况。

·分析难度 - 如果零件或装配的几何及其上所施加的载荷非常复杂，则所得分析结果的置信度可能会有所降低。

·环境 - 在某些类型的环境中，材料可能会分解。

·质量控制 - 如果质量控制不佳，所得安全因子可能会更大。

·失效结果 - 失效是否会造成灾难性后果？失效会对人员造成危害吗？这些问题应有助于选择适当的安全因子。

·成本 - 通常，安全因子越大，制造成本就越高。需要在安全与成本之间进行权衡。

应力、应变和胡克定律

在设计中，您需要确定某个零件的尺寸，以便该零件能够安全经受住因零件上所施加载荷而产生的最大应力。作用在零件上的载荷可以是弯曲载荷、扭转载荷、轴向载荷或横向载荷的任意组合。

我们接下来将考察图中所示的常规三维应力元素。此元素显示三个法向应力：σx、σy和 σz，以及六个剪切应力：τxy、τyx、τyz、τzy、τzx、τxz，这些应力均采用传统的应力符号约定在正方向上示出。

法向应力是由垂直作用于切割平面的力分量引起的。剪切应力是由平行作用于切割平面的力分量引起的。

为了实现零件的安全设计，我们需要确定因对零件施加载荷而在其中产生的最大应力的大小和方向。

元素中产生的最大法向应力称为主应力，其所作用的平面即为主平面。类似地，元素中还存在作用于其上的最大剪切应力。

零件在受到载荷作用时会发生形状改变。考虑一个受到轴向载荷作用的杆，如下图所示。

杆会在载荷的轴向方向上变长。这种延长称为变形。变形量与原始长度 (L) 的比率称为应变。

轴向尺寸也会相应减小。横向应变与轴向应变的比率称为泊松比。

如果某个元素受到剪切应力的作用，则会产生剪切应变。

线性分析假定材料不会在施加的载荷作用下屈服。换句话说，一旦移除载荷，零件即会恢复其原始形状和尺寸。这是材料属性的弹性区域，其中应力与应变成正比。这种关系称为胡克定律。

比例常数 E 即材料的弹性模量。遵守胡克定律的材料即为弹性材料。

如果某个元素受到剪切载荷的作用，即会存在一种对应关系，其中将剪切弹性模量 G 作为比例常数。

许多零件都会受到垂直作用于零件横截面的法向应力与平行作用于零件横截面的剪切应力的组合。例如，简单轴同时受到弯曲和扭转载荷的作用就属于这种情况。在这种情况下，分析的目标是确定最大法向应力、主应力和最大剪切应力。

应力集中

在设计机器零件时，横截面通常会发生变化。上述零件可以是键槽、轴肩、孔等。应力基本方程假定正在分析的横截面大小不变且具有规则的形状。只要构件存在不连续，不连续处周围的应力就会上升，此时应力方程无法再准确地描述零件此区域中的应力状态。为了解释这种应力上升，采用理论因子 K 将实际应力与公称应力相关联。

应力集中因子通常使用基于零件几何的实验技术来确定。

在下图 中，梁的右侧是固定的，同时在顶部曲面上施加一个载荷。

整个梁上的应力呈线性变化。

在下图中，在梁上添加了一个方形切口，现在您可以看到，该切口的拐角处存在应力集中。

在拐角处添加倒圆角将有助于降低这些区域的应力。类似地，在下图中，对于横截面存在瞬时变化的模型，其拐角处存在应力集中。

向该尖角处添加倒圆角或倒角会降低该区域的应力。

失效理论

失效理论 是预测外部载荷操作下实体材料失效条件的科学。

材料的失效通常分为脆性失效 (断裂) 或延性失效 (屈服)。

根据条件 (如温度、应力状态、加载速率) 的不同，大多数材料可能会以脆性和/或延性的方式失效。但是，在大多数情况下，材料可分为脆性或延性材料。使用这些理论时，安全因子通常适用于材料的极限或屈服强度。

最大法向应力理论

最大法向应力理论指出，当最大法向应力 (最大拉伸或压缩应力) 大于材料的极限强度时，会发生失效现象。这种情况下的失效现象称为断裂。此失效理论通常用于经受单轴拉伸或压缩作用的脆性材料。

畸变能理论

畸变能理论也称为 Von Mises 理论。此理论通常用于经受静态载荷或组合应力作用的延性材料。此理论中采用的应力称为 Von Mises 应力。Von Mises 应力通过零件中的主应力来计算。Von Mises 理论指出，当 Von Mises 应力超过材料的屈服强度时，会发生失效现象。这种情况下的失效现象称为屈服。下图中，延性材料已断裂，但在每一半的断裂点下方，您都可以看到材料拉伸的位置。随着材料长度的拉伸，该位置的直径将会缩小。当然，在某个特定点处材料会断裂。

使用这些理论时，安全因子通常适用于材料的极限或屈服强度。

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学习了  讲的真好 谢谢