solidworks有限元分析(solidworks有限元分析教程)

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solidworks有限元分析

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摘要：本文以建筑上常用的石材材料——石材罗马柱作为研究对象。首先，分别对光面型、线条型和波纹型的三种柱身罗马柱进行三维实体建模，并总结出了一套石材罗马柱的建模方法；然后，分别建立三种柱身罗马柱结构的有限元仿真模型，通过对比其有限元分析数据，总结出了三种柱身的承载能力。本文探索出了石材罗马柱的三维建模方法和不同柱身的仿真分析方法，能够准确、有效的预测其承载。根据该研究，可以快速构建出石材罗马柱的三维实体模型，并迅速选出不同强度下要求的石材罗马柱的柱身，节约了研制时间和减少了材料浪费，具有一定普遍性，可应用到其他类型的石材罗马柱分析的问题中。

关键词：石材罗马柱；三维建模；强度分析；研究方法

1 前言

石材罗马柱，作为建筑上常用的石材材料，基本组成单位是柱和檐，而其中的柱又可细划分为柱础、柱身、柱头（也就是柱帽）三部分。另外，由于各部分尺寸、比例、形状的不同，加上柱身处理和装饰花纹的各异，又可将柱身分为光面型柱身、线条型柱身和波纹型柱身[1]。

光面型的柱身，在建筑上会给人一种明朗、大气的感觉，显得大方；而线条型的柱身，其特有的罗马柱般的装线条线简洁明快，流露出古老的文明气息，给人一种错落有致的感觉；波纹型的柱身，则给人一种优容华贵的感觉，在现代人的审美观念中，大量使用了波纹型的构件的建筑。但是波纹型的柱身要比光面型和流线型的柱身加工难度都大，也一定程度限制了波纹型柱身的大范围使用[2]。

随着石材罗马柱越来越多的使用在建筑工程中，成为现代建筑支撑的首选材料。所以，如何实现石材罗马柱三维实体建模设计的效率，以及降低石材罗马柱强度分析的成本，是影响大规模推广使用石材罗马柱的重要原因，是亟需解决的一项关键技术。

利用Solidworks软件对石材罗马柱进行参数化三维实体建模，不仅能够记录所有的操作步骤和模型参数，还能够实现在FeatureManager中的特征和模型上的结构一一对应，所以可以按照实际需要对石材罗马柱的尺寸和形状进行任意修改，并且利用Solidworks软件对石材罗马柱进行三维实体建模效率高、成型好，可直接输出加工三视图，大大提高了石材罗马柱概念设计的效率 [3]。

为准确预测石材罗马柱的承载能力，传统的方法是在已有经验和工艺试验的基础上对小比例石材罗马柱进行反复的调整和重复试验，耗费大量的人力和物力，且研制迭代效率较低，周期较长。

目前，利用有限元数值仿真模拟方法来进行石材罗马柱的强度分析，继而进行概念设计，能够有效提高设计的效率，节省材料，降低成本，同时改善石材罗马柱的设计方案，实现石材罗马柱结构的设计制造一体化[4]。

2 石材罗马柱的三维实体建模

目前，建筑上常用的石材罗马柱的种类繁多，但是大体上均可分为柱础、柱身、柱头（也就是柱帽）三部分，而柱身又可根据形状的不同划分为光面型柱身、线条型柱身和波纹型柱身。

2.1 柱础的设计

在设计柱础时，可把柱础分为两部分，即：带有曲面的上半部分，圆柱形型的下部分。具体操作步骤是：先绘制出模型的平面草图，然后利用“旋转凸台/基体”命令，完成初步的柱础设计。

平面草图绘制：

选择前视基准面，以整体坐标系下的坐标原点为起点，利用草图工具栏中的“直线”和“圆弧”命令绘制草图，标注好尺寸，如图1所示。

图1 柱础平面草图

图2 柱础三维实体模型示意图

三维模型创建：

在退出草图界面后，利用工具栏中的“旋转凸台/基体”，以图1中左侧直线为旋转轴，旋转角度为360°，其它选项依然为默认值，点击确定，完成柱础基体的创建，如图2。

2.2 柱头的设计

选择前视基准面进行草图绘制，选择“直线”和“圆弧”命令绘制草图，标注好尺寸。然后退出草图，在特征中选择“旋转凸台/基体”命令，给定深度，旋转角度设置为360°，其它选项默认不变，点击确定，完成柱头部分基体的创建。

图3 柱头三维实体模型示意图

2.3 柱身的设计

本文构建的罗马柱柱身有光面型柱身、线条型柱身和波纹型柱身，三种柱身的最外层直径尺寸完全相同。

光面型柱身：

选择上视基准面，以整体坐标系下的坐标原点为起点，选择草图工具栏中的“圆”命令绘制草图，标注好尺寸。然后退出草图，选择“拉伸凸台”命令，选择给定深度，保持其他选项默认不变，点击确定，完成光面型柱身创建。

线条型柱身：

在光面型柱身表面的基础上，选择顶部平面进行草图绘制，以x轴与圆的交点为圆心，选择“圆”命令，绘制一个圆，选择“圆周草图阵列”命令，“实例数”为所需要的线条数，“要阵列的实体”选择刚刚画好的圆，点击对号。退出草图，选择特征命令中的“拉伸切除”命令，选择给定深度，点击确定，完成线条型柱身创建。

波纹型柱身：

在光面型柱身表面的基础上，选择顶部平面进行草图绘制。首先需绘制螺旋线，选择柱身顶部为基准面，绘制一个与柱身顶端同等大小的圆，然后退出草图，在特征命令中单击“曲线”，再单击“螺旋线/涡状线”。按需输入“螺距”和“圈数”， “起始角度”为270°，螺旋线高度为实际两天螺旋线之间的距离，点击确定。最后，点击前视基准面，进行草图绘制，在顶部以螺旋线与圆的交点为圆心，绘制一个圆。退出草图，在特征中点击“扫描”路径选择螺旋线，点击确定，完成波纹型柱身创建。

将以上所构建的柱础、柱头和柱身的三维实体数模分别导入装配体文件，进行装配，确保所有位置均能重合，并进行渲染，如图4所示。

图4 三种柱身三维实体模型示意图

利用Solidworks建模软件对石材罗马柱进行三维实体建模，操作过程简单明了，易于操作，并且建模效率高、成型好且直观、渲染效果真实，另外可直接输出加工三视图，有利于设计加工，大大提高了石材罗马柱概念设计的效率。

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立

分别对光面型柱身罗马柱、线条型柱身罗马柱和波纹型柱身罗马柱进行有限元仿真建模，均采用三维实体单元，使得所构建的模型具有更高的真实性和可行性[5]，如图5所示。在计算之前，必须要对有限元模型进行静力检查，确保模型能够进行计算。

图5 三种柱身罗马柱有限元模型

对三种柱身罗马柱的柱础位置进行全自由度的约束，以模拟罗马柱平放在地面上。同时，分别对柱头施加相同压缩载荷进行有限元仿真计算。

3. 2 仿真模型的分析

分别对光面型柱身罗马柱、线条型柱身罗马柱和波纹型柱身罗马柱进行有限元仿真分析，提取各自柱身部分的位移云图，如图6、图7、图8所示。

图6 光面型柱身罗马柱位移云图

图7 线条型柱身罗马柱位移云图

图8 波纹型柱身罗马柱位移云图

由三种柱身的位移云图可以清晰看出，当罗马柱柱身最外层直径尺寸完全相同时，在相同的压缩载荷作用下，光面型柱身罗马柱承载能力最强，波纹型柱身罗马柱承载能力次之，线条型柱身罗马柱承载能力最弱，但是三者的承载能力差异性并不大，最大差值也就5%左右。三种模型的有限元分析结果与实际结果趋势一致，说明了所构建的有限元仿真模型与其真实情况有较高的逼近性，证明了计算分析模型的合理性和可行性为进一步研究普通石材罗马柱奠定了基础[6]。

根据本文的有限元分析结果可知，在实际的工程应用中，对于具有相同最外层直径尺寸的石材罗马柱，如果建筑物对石材罗马柱的承载能力要求较严格，且对柱身的外形、花纹没有什么要求，那么建议采用光面型柱身罗马柱；如果建筑物更看重石材罗马柱的外形和花纹，更想要其装饰作用，不用其承载主要载荷，那么可以考虑线条型柱身罗马柱和波纹型柱身罗马柱。

4 结论

本文以建筑工程中常用的石材罗马柱为研究对象，通过利用Solidworks建模软件对石材罗马柱进行三维实体建模，并且总结出了三维实体建模的一般流程、注意事项及通用操作，能够快速实现对石材罗马柱的三维实体建模。

另外，利用有限元数值仿真的方法去模拟三种柱身石材罗马柱在压缩载荷下的承载能力的过程是合理有效的，该方法对于石材罗马柱的柱身形状的选择具有一定的指导意义。

综上所述，本文的研究简化了石材罗马柱的设计过程，缩短了开发周期，减少了石材罗马柱承载能力的试验次数，削减了研发成本。同时改善了试验环境，提高了石材罗马柱承载能力测量的准确性，对于石材罗马柱的设计与使用有着重要的指导借鉴作用。

参考文献：

[1] 侯建华，晏辉. 石材圆柱之美 [J]. 石材，2019,08：55-61.

[2] 赵民. 石材三维设计及加工技术[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 赵晓旭，张静，赵民，等. 基于Solidworks石材罗马柱三维模型设计 [J]. 石材，2012,07：32-35.

[4] 张修路，杜芳静，赵民，等. 干挂石材板弯曲强度有限元分析方法研究 [J].石材，2019,12：30-32.

[5] 杜芳静，张修路，葛园昊，等. 基于ADAMS仿真的金刚石框架锯机分析 [J].石材，2020,02：14-16+19.

[6] 张修路，姚国凤，韩春杨，等.汽车排气系统的悬挂点对减振效果的仿真分析[J].系统仿真学报，2014,26（4）:796-801.

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