内容简介
《Solid Works2 012有限元、虚拟样机与流场分析从入门到精通》包含S01idWorks2012建模设计和高级分析两大部分,以机械工程设计与分析为中心,贯穿从初级建模到高级分析的工程实践全过程。《Solid Works2 012有限元虚拟样机与流场分析从入门到精通》包括草图设计技术、零件造型技术、装配技术、基于装配的关联设计技术和有限元分析技术、多体动力学虚拟样机技术和流场分析技术。为了方便广大读者更加形象直观地学习此书,随书配赠多媒体光盘,包含全书实例操作过程录屏讲解AVI文件和实例源文件,以及额外赠送的solidWorks工业设计相关操作实例的录屏讲解AvI电子教材。《Solid Works2 012有限元虚拟样机与流场分析从入门到精通》适合自学用户,包括制造类企业的工程技术人员、并可作为高校机械专业的课程设计用书及CAD,/CAE课程教材。
内页插图
目录
前言
第1章 SolidWorks 2012概述
1.1 初识SolidWorks 2012
1.1.1 启动SolidWorks 2012
1.1.2 新建文件
1.1.3 打开文件
1.1.4 保存文件
1.1.5 退出SolidWorks 2012
1.2 SolidWorks用户界面
1.3 SolidWorks工作环境设置
1.3.1 设置工具栏
1.3.2 设置工具栏命令按钮
1.3.3 设置快捷键
1.3.4 设置背景
1.3.5 设置实体颜色
1.3.6 设置单位
第2章 草图相关技术
2.1 创建草图平面
2.2 草图的创建与约束
2.2.1 几何关系的约束
2.2.2 驱动尺寸的约束
2.2.3 草图的绘制
2.3 草图CAGD的功能
2.4 利用AutoCAD现有图形
2.5 综合实例——底座草图
第3章 零件造型和特征相关技术
3.1 定位特征
3.1.1 基准面
3.1.2 基准轴
3.1.3 坐标系
3.1.4 参考点
3.2 基于草图的特征
3.2.1 拉伸
3.2.2 旋转
3.2.3 扫描
3.2.4 放样
3.3 基于特征的特征
3.3.1 倒角
3.3.2 圆角
3.3.3 抽壳
3.3.4 筋
3.3.5 拔模
3.3.6 圆顶
3.3.7 比例缩放
3.3.8 镜像
3.4 孔特征
3.4.1 简单直孔
3.4.2 柱形沉头孔
3.4.3 锥形沉头孔
3.4.4 通用孔
3.4.5 螺纹孔
3.4.6 旧制孔
3.4.7 在基准面上生成孔
3.5 特征阵列
3.5.1 线性阵列
3.5.2 圆周阵列
3.5.3 草图阵列
3.5.4 曲线驱动阵列
第4章 典型零件的创建实例
4.1 管接头类零件的创建
4.2 法兰类零件的创建
4.3 轴类零件的创建
4.4 全切削加工零件的创建
4.5 铸、锻毛坯类零件的创建
4.6 齿轮类零件的造型
4.7 叉架类零件的创建
4.8 操作件类零件的创建
4.9 螺母紧固件的创建
4.10 钣金零件设计
4.11 趣味零件造型
第5章 装配和基于装配的设计技术
5.1 零部件的插入
5.2 零部件的约束关系
5.3 零部件阵列
5.4 零部件镜向
5.5 子装配
5.6 零件顺序
5.7 基于装配约束的关联设计技术
5.7.1 利用装配约束设计零件的参数
5.7.2 基于已有零件轮廓投影进行关联设计
5.8 爆炸视图
5.8.1 生成爆炸视图
5.8.2 编辑爆炸视图
5.9 干涉检查
5.9.1 动态干涉检查
5.9.2 静态干涉检查
5.10 综合实例——传动装配体
5.10.1 创建装配图
5.10.2 创建爆炸视图
第6章 动画制作
6.1 模型的外观效果
6.1.1 配置颜色和光学效果
6.1.2 赋予零件材质
6.2 模型分析
6.2.1 测量
6.2.2 截面属性
6.2.3 质量特性
6.3 运动算例
6.3.1 新建运动算例
6.3.2 运动算例MotionManager‘简介
6.4 动画向导
6.4.1 旋转
6.4.2 爆炸/解除爆炸
6.5 动画
6.5.1 基于关键帧动画
6.5.2 实例——创建茶壶的动画
6.5.3 基于马达的动画
6.5.4 实例——传动装配体动画
6.5.5 基于相机橇的动画
6.5.6 实例——传动装配体基于相机的动画
6.6 保存动画
第7章 有限元法与SolidWorks SimulationXpress
7.1 有限元法
7.2 有限元分析法(FEA)的基本概念
7.3 SolidWorks SimulationXpress应用——手轮应力分析
第8章 SolidWorks Simulation 2012的使用
8.1 SolidWorks Simulation 2012功能和特点
8.2 SolidWorks Simulation2012的启动
8.3 SolidWorks Simulation 2012的使用
8.3.1 算例专题
8.3.2 定义材料属性
8.3.3 载荷和约束
8.3.4 网格的划分和控制
8.3.5 运行分析与观察结果
第9章 工程用有限元分析技术实例
9.1 简单拉压杆结构
9.1.1 问题描述
9.1.2 建模
9.1.3 分析
9.2 梁的弯扭问题
9.2.1 问题描述
9.2.2 建模
9.2.3 分析
9.3 杆系稳定性计算
9.3.1 问题描述
9.3.2 建模
9.3.3 分析
9.4 实体振动分析
9.4.1 问题描述
9.4.2 建模
9.4.3 分析
9.5 轴承载荷下的零件应力分析
9.5.1 问题描述
9.5.2 建模
9.5.3 分析
9.6 压力容器的应力分析设计
9.6.1 问题描述
9.6.2 建模
9.6.3 分析
9.7 板中圆孔的应力集中问题
9.7.1 问题描述
9.7.2 建模
9.7.3 分析
9.8 温度场分析
9.8.1 问题描述
9.8.2 建模
9.8.3 分析
9.9 掉落测试
9.9.1 问题描述
9.9.2 建模
9.9.3 分析
9.10 疲劳分析
9.10.1 问题描述
9.10.2 建模
9.10.3 分析
9.11 综合分析
第10章 SolidWorks Motion 2012技术基础
10.1 虚拟样机技术及运动仿真
10.1.1 虚拟样机技术
10.1.2 数字化功能样机及机械系统动力学分析
10.2 Motion分析运动算例
10.2.1 弹簧
10.2.2 阻尼
10.2.3 接触
10.2.4 引力
10.3 用SolidWorks Motion分析曲柄滑块机构
10.3.1 SolidWorks Motion 2012的启动
10.3.2 曲柄滑块机构的参数设置
第ll章 SolidWorks Motion 2012仿真分析实例
11.1 冲压机构
11.1.1 调入模型设置参数
11.1.2 仿真求解
11.2 阀门凸轮机构
11.2.1 调入模型设置参数
11.2.2 仿真求解
11.2.3 优化设计
11.3 挖掘机运动
11.3.1 调入模型设置参数
11.3.2 仿真求解
11.4 自卸车斗驱动
11.4.1 调入模型设置参数
11.4.2 仿真求解
1l.4.3 顶杆受力分析
第12章 SolidWorks Flow Simulation 2012技术基础
12.1 计算流体动力学基础
12.1.1 连续介质模型
12.1.2 流体的基本性质
12.1.3 作用在流体上的力
12.1.4 流动分析基础
12.1.5 流体运动的基本概念
12.1.6 流体流动及换热的基本控制方程
12.1.7 边界层理论
12.2 SolidWorks Flow Simulation基础
12.2.1 SolidWorks Flow Simulation的应用领域
12.2.2 SolidWorks Flow Simulation的使用流程
12.2.3 SolidWorks Flow Simulation的网格技术
12.3 球阀设计实例
第13章 SolidWorks Flow Simulation 2012分析实例
13.1 电子设备散热问题
13.2 非牛顿流体的通道圆柱绕流
13.3 管道摩擦阻力
前言/序言
《机械设计与仿真:从概念到产品实现》 本书致力于为读者提供一套全面、系统的机械设计与仿真方法论,涵盖了从概念构思、详细设计到性能验证与优化等全流程。我们将带领您深入探索现代机械工程领域的核心技术,帮助您掌握将创新想法转化为切实可行、高性能产品的关键能力。本书旨在培养读者严谨的工程思维,以及利用先进仿真工具解决复杂工程问题的实践技能。 第一部分:机械设计基础与方法论 本部分将奠定坚实的机械设计基础,并介绍现代设计理念与流程。 第一章:机械设计原理与流程回顾 工程设计的目标与原则: 探讨机械设计的核心目标——可靠性、经济性、易于制造、易于维护、美观等,并介绍通用的设计原则,如标准化、模块化、集成化等。 机械设计流程详解: 详细阐述从需求分析、概念设计、方案设计、技术设计、制造图设计到后期评估的完整设计周期。重点讲解各阶段的关键活动、输出成果以及在整个流程中的作用。 创新思维与问题解决: 介绍激发设计灵感的技巧,如头脑风暴、类比思维、逆向思维等。讲解如何识别和定义设计问题,并运用系统化方法寻找创新的解决方案。 工程伦理与可持续设计: 强调在机械设计过程中应遵循的工程伦理规范,以及如何将环保、节能、可回收等可持续发展理念融入设计过程。 第二章:机械零部件设计与强度分析基础 典型机械零部件设计: 深入讲解轴、齿轮、轴承、联轴器、弹簧、螺纹连接件等常见机械零部件的设计要点、计算方法和选型原则。 材料选择与应用: 介绍金属材料、高分子材料、陶瓷材料等常见工程材料的性能特点、适用范围及失效模式。讲解如何根据设计要求和受力条件选择合适的材料。 静强度与疲劳强度分析: 系统介绍静强度分析的基本概念、应力应变关系、许用应力法和安全系数法。重点讲解疲劳失效的机理、S-N曲线、应力集中效应以及疲劳寿命的估算方法。 刚度与稳定性分析: 讲解构件的变形与刚度概念,介绍不同载荷和边界条件下杆件、梁、板的刚度计算方法。阐述屈曲失稳的现象、原因及稳定性校核的原理。 几何参数化建模与工程图绘制: 强调参数化建模在现代设计中的重要性,介绍基本建模技巧。同时,回归工程图的本质,讲解投影原理、基本视图、剖视图、断面图、尺寸标注、公差配合及表面粗糙度等工程图的标准规范。 第三章:现代机械设计方法与工具 面向对象的设计思想: 介绍如何以零部件或组件为对象进行模块化设计,提高设计效率和可维护性。 设计规范与标准体系: 讲解国内外常见的机械设计标准(如GB、ISO、ASME等)的应用,以及如何在设计中遵循相关规范。 设计自动化与智能化: 探讨如何利用脚本、宏命令等技术实现设计过程的自动化,以及人工智能在设计优化中的初步应用前景。 设计文档管理与版本控制: 强调设计过程中文档的重要性,介绍版本控制工具和管理方法,确保设计数据的安全与追溯。 第二部分:多物理场仿真技术应用 本部分将聚焦于先进的仿真技术,使读者能够定量评估设计方案的性能,发现潜在问题,并进行优化。 第四章:有限元分析(FEA)基础与应用 有限元分析基本原理: 详细阐述有限元法的离散化思想、单元类型(杆单元、梁单元、壳单元、实体单元等)、插值函数、单元刚度矩阵的建立、整体刚度矩阵的组装、边界条件的施加以及方程的求解。 静态结构分析: 讲解在恒定载荷作用下的位移、应力、应变等分析。重点关注如何对模型进行网格划分,选择合适的单元类型,施加载荷与约束,并解读分析结果。 模态分析: 介绍结构的固有频率与振型,分析其对动力学响应的影响。讲解如何进行模态分析,预测结构的振动特性。 屈曲分析(Buckling Analysis): 深入分析在压缩载荷作用下结构的失稳现象,讲解屈曲载荷的计算与分析。 热应力分析: 探讨温度变化对结构产生的应力和变形的影响,讲解如何耦合热载荷与结构分析。 前处理、求解与后处理的流程: 系统化介绍进行FEA分析的完整流程,包括几何模型的准备、材料属性的定义、网格的生成、载荷与约束的施加、求解器的选择、结果的提取与可视化,以及对结果的解读与验证。 第五章:多体动力学仿真(MBD)与运动学分析 多体动力学基本概念: 介绍刚体、柔体、关节、驱动等概念,以及牛顿-欧拉法、拉格朗日法等动力学方程的建立。 运动学分析(Kinematics): 重点讲解无惯性力、无外部载荷作用下的位移、速度、加速度等运动学参数的计算。 动力学分析(Dynamics): 讲解在惯性力、外部载荷(如力、力矩、重力、摩擦力)作用下的力、力矩、功、能等动力学参数的计算。 典型机构的运动学与动力学仿真: 通过连杆机构、凸轮机构、齿轮传动机构、液压缸、气缸等典型机械系统的仿真案例,展示MBD的应用。 柔性体动力学: 介绍在MBD中考虑构件的柔性对系统动力学行为的影响。 虚拟样机(Virtual Prototyping)的应用: 强调MBD作为虚拟样机技术的核心,如何通过仿真在设计早期验证机构的运动功能、碰撞检测、驱动力需求等。 第六章:计算流体动力学(CFD)基础与应用 流体力学基本方程: 介绍Navier-Stokes方程、连续性方程、能量方程等描述流体运动的基本方程。 CFD数值方法: 讲解有限体积法、有限差分法、有限元法在CFD中的应用。 流体流动分析: 针对内部流(管道、通道)和外部流(翼型、车辆)进行速度场、压力场、流动模式的分析。 传热分析(Heat Transfer): 讲解对流、传导、辐射等传热机制,以及在流体流动过程中伴随的热量传递分析。 多相流与湍流模型: 介绍如何处理多相介质的流动,以及选择合适的湍流模型(如RANS、LES)来模拟复杂湍流现象。 CFD模型的建立与求解: 讲解几何模型的简化、网格的生成、物理模型的选择(如粘性模型、传热模型)、边界条件的设定、求解器的配置以及结果的后处理与可视化。 CFD在机械设计中的应用案例: 如散热器设计、风扇性能优化、流体密封设计、泵阀流动特性分析等。 第三部分:集成仿真与优化设计 本部分将引导读者如何将多物理场仿真技术进行集成,并运用优化算法提升设计性能。 第七章:多物理场耦合仿真 流固耦合(Fluid-Structure Interaction, FSI): 讲解流体载荷对固体结构的影响,以及结构变形对流场的影响,实现流体与固体之间的双向耦合分析。例如,风力作用下的桥梁振动,水流作用下的阀门变形。 热固耦合(Thermo-Mechanical Coupling): 讲解温度变化对材料性能和结构应力的影响,以及变形和应力对温度场的影响。例如,电子器件散热设计、发动机部件的热应力分析。 流热耦合(Fluid-Thermal Coupling): 讲解流体流动对传热过程的影响,以及温度变化对流体性质的影响。例如,换热器设计、发动机冷却系统分析。 多物理场仿真平台介绍: 介绍能够实现多物理场耦合分析的集成仿真软件平台及其工作流程。 第八章:仿真结果的验证与可靠性评估 实验验证的重要性: 强调仿真结果需要通过物理实验进行验证,以确保其准确性。 模型误差与数值误差: 分析仿真模型建立过程中可能引入的简化误差、离散化误差、数值求解误差等。 敏感性分析: 探讨输入参数变化对输出结果的影响程度,识别关键影响因素。 不确定性量化(Uncertainty Quantification): 介绍如何在仿真中考虑材料参数、载荷等的不确定性,评估结果的可靠性范围。 第九章:参数化优化与设计迭代 优化目标与约束的定义: 明确设计优化的目标(如减重、提高强度、降低成本、提高效率等)和需要满足的约束条件。 优化算法介绍: 介绍梯度下降法、遗传算法、粒子群优化算法等常见的优化算法。 参数化研究与响应面法: 讲解如何通过改变设计参数,观察性能变化,建立参数与性能之间的关系模型。 自动化设计优化流程: 构建仿真软件与优化算法的接口,实现设计参数的自动调整与仿真分析的循环迭代,直至达到最优设计。 设计空间探索与创新: 利用优化工具探索更广阔的设计空间,发现非传统但性能优越的设计方案。 第四部分:案例分析与实践指南 本部分将通过具体的工程案例,展示本书所介绍的技术如何应用于实际问题。 第十章:综合工程案例分析 案例一:汽车零部件的轻量化与强度优化。 结合FEA与参数化优化,分析某一汽车结构件(如副车架、悬架臂)在满足强度要求的前提下,如何通过材料选择、结构优化实现轻量化。 案例二:机器人机构的运动学与动力学性能分析。 利用MBD仿真,对工业机器人或仿生机器人的特定动作进行运动学与动力学分析,评估其运动精度、速度能力及驱动力需求。 案例三:电子产品散热系统的CFD分析与优化。 运用CFD技术,分析电子设备内部的温度分布,优化散热器设计、风道结构,提高散热效率,确保设备稳定运行。 案例四:泵或阀门的流固耦合分析。 结合CFD与FEA,分析流体作用在泵叶轮或阀门上的载荷,以及流体冲击对结构产生的影响,评估其可靠性。 第十一章:仿真工具的选型与高级应用 主流仿真软件的功能对比与选型建议: 介绍市面上常见的CAE软件(如ANSYS, Abaqus, COMSOL, MSC Nastran, SolidWorks Simulation, Fusion 360 Simulation, OpenFOAM等)的优势、劣势及适用领域。 定制化仿真工具与二次开发: 介绍如何利用API接口或脚本语言扩展仿真软件的功能,实现特定问题的定制化分析。 云仿真与高性能计算(HPC): 探讨利用云计算平台和高性能计算资源加速复杂仿真的方法。 仿真结果的可视化与报告撰写: 强调如何有效地呈现仿真结果,撰写清晰、专业的仿真报告。 附录 常用机械设计手册与规范列表 材料性能数据库查询指南 常用工程单位换算表 本书的编写力求理论与实践相结合,通过详细的原理讲解、丰富的应用案例和操作指导,帮助读者建立起扎实的机械设计理论基础,熟练掌握现代仿真分析工具,并能够将这些技能融会贯通,高效地解决实际工程问题,最终实现从概念到成功产品的飞跃。