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任何专业机械工程师都知道，有限元分析（FEA）是基于不同荷载条件的设计中分析应力（挠度、FOS等）的基本工具。进行有限元分析的很大一部分是围绕研究展开的。当你开始这个过程时，你还不知道你不知道什么．您需要开始这个过程，以验证或重新规划您的假设，并最终证明您的决策是正确的，所有训练有素的工程师都应该这样做。

在这篇文章中，我将在Solidworks中使用一个简单的有限元分析，一步一步地介绍我用来验证VirtualTV的面罩项目设计的过程。

这包括使用适用于材料应力-应变曲线线性部分的胡克定律。材料有一个弹性区域，这些区域的斜率是弹性模量或杨氏模量。使用这种线性关系可以在FEA分析中应用胡克定律。使用这种方法可以节省您的时间，帮助您快速缩小分析范围，同时（似乎）不知道足够的信息。

如何进行有限元分析（FEA）：从哪里开始

我已经在Solidworks中完成了我的设计，所以我可以直接跳到模拟中。应用材料；应用一些边界条件；然后求解。好吧，你可能马上就会想，”哇，哇，哇，说到有限元分析，垃圾输入等于垃圾输出是的，但做一点功课，设计一些事情，然后自己弄清楚，这真的很重要。

对于有限元分析，您需要：

  • 模型
  • 材料
  • 边界条件
  • 不会失效的网格


对于简单的单个部分，从一个表开始，如下面的表1，以捕获您正在做的事情。

表1:FEA分析所需的部件

包括零件号和版本号，如果有的话。

同时，写下原因：你做这件事的目的是什么？当你开始时，保持简单。你正在一条学习的道路上。你可能会学到更多，并成为一个超级书呆子关于你的具体问题的过程中。

粗体文本是我开始的内容（我的目的），然后我添加了其余内容（如我所知）：

本研究的目的是分析面罩头带的强度。该分析将确定第5百分位女性（最小尺寸）或第95百分位男性（最大尺寸）头部尺寸引起的最大应力，并将确定根据其条件预测的安全输出系数和最大应力。此外，我们还将确定头部束带保持面罩贴在用户脸上所需的总作用力。

记笔记，写一份报告，记录你的工作。这不会花那么长时间，而且可以在你需要回头看看你当时在想什么（或者你的老板问：“你一直在做什么？”）的时候进一步使用。

接下来，我添加我的材料，这可以在Solidworks中做，通过更改Solidworks中的参数相当容易。如果你不知道怎么做，有很多有抱负的youtuber会帮助你。我有我的CAD模型吗?检查。我申请材料了吗?检查。

边界条件决定FEA的成败（双关语）

接下来，我建立了边界条件。我去谷歌搜索95%男性头部的人体测量数据。当我开始搜索时，我知道这是95%吗？不，我没有。但是当你的第一个搜索结果来自美国宇航局，并且他们在95%的男性头部尺寸上停止时，你知道你不需要继续搜索。（随机数规则第28条）(婚礼崩溃）工程趣闻:NASA是一个很好的标杆。)一般来说，如果你能找到可靠的信息来源，如学术文章或军事规格，你就可以假设信息是正确的，并暂停进一步澄清的请求。

我现在有了我要解决的第一个方程/问题：这个95%的男性头部将在多大程度上延伸出拟议的设计？

思维过程:

头带宽度–头带宽度=头带需要伸展多少的负数！

巴兹:我错了。我做了计算，得到了许可(见下文):

这意味着对于第95百分位男性头部，总膨胀/收缩需要：

场景1：总间隙=168.6-165=3.3 mm

我立刻想到，好吧，开枪，如果它足够宽，它需要收缩，那么对于一个小的女性头部，它需要收缩得更多!回到微积分，回到NASA的表格。同时，回到了我的学习之巅，扩大了学习范围。

按照同样的指导方针，我添加了第二个场景:

对于第5百分位女性头部，头部总宽度为144毫米。

场景2：总间隙=168.6-144=12.3 mm

这部分是对的。这个设计将不得不缩小更多。现在我有了一个完全的间隙，我决定假设每一边都是平等的弯曲，人们的头部主要是对称的。我把我的总间隙除以2，以知道头带的每一边需要弯曲多远。

(如果你已经做到了这一点，我将向你展示一些技巧，让你更快地到达你需要的地方。)

为了完全设置边界条件，我将模型一分为二，并假设它是对称的（这就是我在上面除以2的原因）。然后，我在FEA分析中修复了切割部分（见绿色箭头）。然后我在头带固定区域增加了1N的负荷（见下图）。

粗略地说，我有一个更奇特的悬臂梁场景的简单边界条件。因为我不知道我的负载力，我知道我的目标偏转。因为我在Solidworks上有简单、廉价的FEA，所以我用一个简单的1N负载运行了我的分析。我得到了我的结果：

对于Taipro PP K1011，在1 N的单位荷载下，B面报告的最大应力为5.633*10^5 Pa。

相同1 N单位荷载的挠度为0.1695 mm。


为什么我要花时间来得到挠度和应力？将这两个结果与单位荷载一起使用时，可以得到应力与位移的比率。

利用胡克定律进行有限元分析

利用胡克定律，我们知道应力是线性的，只要材料属性没有屈服（意味着你必须检查这个假设）. 所以现在，我可以使用Solidworks有限元分析中快速得到的两个值，通过基本数学计算出完全挤压头带所需的力/应力！（另外，你现在实际上是在设计通往成功的道路——为自己感到骄傲！）

使用1 N单位荷载的位移，并求解6.15 mm位移引起的应力。求解等效应力：

根据我所选材料的屈服率来评估，这低于材料的屈服强度34 mPa。这种条件不可能产生产品。

估计获得该挠度所需的力为：

使用这些值，我们重新进行模拟，最大应力为25.2MPa，第5百分位女性的安全系数为1.37。（注意：这些应力可能不同于您的计算值，并且可能是由建模项目引起的。这有助于您更快地获得最终条件，就像以前一样，您可以猜测导致偏转的载荷是什么）。

按照同样的方法，我能够确定织带所需的最大载荷，即大头和小头极限处的应力不会破坏头带。我也没有陷入在有限元分析中进行无数次迭代的陷阱。

表2:结果总结

就这样（针对这个问题）。我做的最后一件事是检查应变能，把它写得漂亮整洁。然后我睡了一个好觉，知道我的设计会做它需要做的事情，因为我设计了我的方式。