Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation

Инженерные расчеты
в SolidWorks Simulation

Алямовский А. А.

Москва, 2019

Издание второе

УДК
004.4

ББК
32.973.26-018.2
А60

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было

форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических

ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

© Алямовский А. А.

   ISBN 978-5-97060-717-6 
© Оформление ДМК Пресс, 2019

Предметом книги является подробное рассмотрение реальных инженерных проблем, решенных по
средством модулей SolidWorks Simulation (COSMOSWorks, COSMOSMotion и COSMOSFloWorks).
Это задачи анализа прочности, кинематики, динамики, гидрогазодинамики и теплопередачи. 

Прочтя книгу, читатель получит полное представление о функциональности алгоритмов  и про
грамм, ознакомится с методиками использования численных методов, присутствующих в популярной
системе проектирования. Книга может быть полезна как начинающим специалистам для формирования мировоззрения в области инженерного анализа, так и опытным инженерам-расчетчикам для
углубления и конкретизации знаний применительно к современным реализациям расчетных модулей
SolidWorks.

Особенностью издания является обсуждение вопросов, связанных с совместным применением

нормативных расчетных методик и универсальных компьютерных моделей, на базе реальных инженерных задач. Прослеживается путь решения от постановки задачи до обсуждения результатов.

В качестве приложений предлагаются задачи Конкурса мастеров SolidWorks/COSMOSWorks, со
провождаемые результатами.

на базе которых построена книга. Многие модели включают результаты расчетов. Также на сайт изда
УДК 004.4
ББК 32.973.26-018.2

Алямовский А. А.

А60 
Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК Пресс, 2019. 464 с., 
ил. (Серия «Проектирование»).
ISBN 978-5-97060-717-6

Алямовский Андрей Александрович

Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation

Ãëàâíûé ðåäàêòîð 
Ìîâ÷àí Ä. À.

Ëèòåðàòóðíûé ðåäàêòîð
Ñòóêàëîâà Î. Ì. 

Âåðñòêà
Ñòàðöåâîé Å. Ì.

Äèçàéí îáëîæêè
Ìîâ÷àí À. Ã.

 
Ãàðíèòóðà «Ïåòåðáóðã». Ïå÷àòü îôñåòíàÿ.

Óñë. ïå÷. ë. 43,5. Òèðàæ 100 ýêç. 

Èçäàòåëüñòâî  ÄÌÊ Ïðåññ

На сайте w w w .dmkp re ss.c om выложены геометрические и расчетные модели большинства задач,

тельства помещены полноцветные иллюстрации, приведенные в книге.

dmkpress@gmail.com

Веб-сайт издательства: www.дмк.рф

Краткое содержание

Введение ...................................................................................  9  

Предисловие .......................................................................... 11

Глава 1
Расчет на прочность посредством 
COSMOSWorks (SolidWorks Simulation) ..................... 16

Глава 2
Кинематический и динамический анализ 
посредством COSMOSMotion 
(SolidWorks Motion) ........................................................... 334

Глава 3
Анализ гидрогазодинамики и теплопередачи 
посредством COSMOSFloWorks 
(SolidWorks Flow Simulation) ......................................... 375

Глава 4
Версия 2009 года – новые возможности ............... 436

Заключение .......................................................................... 459

Приложение.
Задачи конкурсов мастеров COSMOSWorks ........ 461

 

Содержание

Введение .................................................................................... 9

Предисловие .......................................................................... 11

Глава 1
Расчет на прочность посредством COSMOSWorks 
(SolidWorks Simulation) ...................................................... 16

1.1.  Особенности реализации контактных условий 
для оболочек с телами и с оболочками 
для несовместных сеток ...................................................... 17

1.2. Построение моделей сборок со сложными 
контактными условиями на примере гайковертов ............ 26
1.2.1.  Гайковерт с зубчатыми храповыми колесами ................. 26
1.2.2.  Гайковерт с храповым колесом и собачками .................. 43
1.2.3.  Выводы ......................................................................... 56

1.3.  Расчет сварных рамных конструкций, модели 
которых выполнены из листового металла и балок ........... 57

1.4. Расчет болтосварных конструкций, модели 
которых выполнены посредством твердых тел .................. 73

1.5.  Расчет строительных конструкций из дерева и металла .... 92
1.5.1.  Расчет ветровой нагрузки ............................................. 93
1.5.3.  Расчет ветровой нагрузки на базе СНиП  ..................... 106
1.5.4.  Прочность и жесткость ................................................ 106
1.5.5.  Расчет колонны ........................................................... 132
1.5.6.  Расчет на прочность с учетом ветровой нагрузки ........ 143
1.5.7.  Балочная модель  ........................................................ 145
1.5.8.  Выводы ....................................................................... 155

1.6.  Прочность механизма подключения ступицы 
переднего колеса с учетом контактной задачи 
с пластичностью ................................................................. 156

Содержание 5

1.7.  Расчет фланцевых соединений ......................................... 170
1.7.1.  Расчет посредством объемных конечных элементов ... 171
1.7.2.  Расчет на базе комбинированной сетки ....................... 184
1.7.3.  Выводы........................................................................ 193

1.8.  Расчет пружины .................................................................. 193
1.8.1.  Условия функционирования 
и геометрическая модель ............................................ 194
1.8.2.  Расчет по геометрически-нелинейной модели ............ 195
1.8.3.  Расчет по линейной модели ........................................ 203
1.8.4.  Выводы ....................................................................... 204

1.9.  Структурная модель железобетонной кессонной плиты .... 205
1.9.1.  Особенности структурной модели железобетона ........ 205
1.9.2.  Особенности конечно-элементной реализации 
армированной конструкции ......................................... 207
1.9.3.  Интерпретация результатов ........................................ 214
1.9.4.  Влияние схемы опирания на жесткость и прочность .... 217
1.9.5.  Влияние центрального отверстия ................................ 221
1.9.6.  Плита под нагрузкой .................................................... 221
1.9.7.  Выводы........................................................................ 223

1.10.  Особенности решения нетиповых задач 
многоцикловой усталости ................................................ 224
1.10.1.  Имитация «мертвой нагрузки» в сочетании 
со знакопеременной силой ....................................... 224
1.10.2.  Имитация «мертвой нагрузки» в сочетании 
с пульсирующей силой .............................................. 230
1.10.3.  Скользящая сила ....................................................... 231
1.10.4.  Усталость вращающегося вала при изгибе  ............... 237
1.10.5.  Усталость вращающегося диска при действии 
радиальной силы ....................................................... 237

1.11. Расчет колеса с диском из легкого сплава ..................... 237
1.11.1.  Определение сопротивления усталости колес 
при изгибе с вращением ........................................... 237

Содержание

1.11.2.  Определение сопротивления усталости 
при динамической радиальной нагрузке ................... 239
1.11.3.  Определение жесткости бортовых закраин обода ..... 240
1.11.4.  Определение сопротивления колеса удару 
под углом 30°  ............................................................ 244
1.11.5.  Определение сопротивления колеса удару – 
численная модель ..................................................... 245
1.11.6.  Выводы ..................................................................... 270
1.11.7.  Замечание ................................................................ 271

1.12. Расчет эффективных характеристик композитов .......... 272
1.12.1.  Базовый математический аппарат ............................. 272
1.12.2.  Отработка расчетных моделей  .................................. 275
1.12.3.  Расчет эффективных модулей для однонаправленного 
материала с гексагональной упаковкой арматуры ..... 288
1.12.4.  Структурная модель однонаправленного композита 
применительно к расчету эффективной прочности ..... 302
1.12.5.  Выводы ..................................................................... 309

1.13. Расчет металло-композитного баллона давления ........ 310
1.13.1.  Твердотельная модель анизотропной конструкции  ..... 310
1.13.2.  Использование многослойных анизотропных 
оболочек в сочетании с твердым телом ..................... 313
1.13.3.  Построение расчетной модели композитного 
баллона, армированного по геодезической 
траектории ................................................................ 315
1.13.4.  Использование многослойных анизотропных 
оболочек .................................................................... 317
1.13.5.  Интерпретация и анализ результатов ......................... 321
1.13.6.  Критерии прочности анизотропных материалов 
и их применение ........................................................ 329
1.13.7.  Выводы ...................................................................... 333

Содержание 7

Глава 2
Кинематический и динамический анализ 
посредством COSMOSMotion 
(SolidWorks Motion) ........................................................... 334

2.1. Динамический анализ 
и уравновешивание конусной дробилки  .......................... 335
2.1.1.  Постановка задачи ...................................................... 335
2.1.2.  Адаптация геометрической модели ............................. 339
2.1.3.  Подготовка динамической модели .............................. 344
2.1.4.  Динамический анализ ................................................. 347
2.1.5. Уравновешивание системы относительно сил ............. 353
2.1.6.  Уравновешивание системы относительно моментов ... 356
2.1.7.  Модель с податливыми втулками  ................................ 358
2.1.8.  Выводы ....................................................................... 362

2.2. Принудительное движение вдоль траектории ................. 363

2.3. Построение геодезической траектории 
поверхности вращения ...................................................... 368

Глава 3
Анализ гидрогазодинамики и теплопередачи 
посредством COSMOSFloWorks 
(SolidWorks Flow Simulation) ......................................... 375
3.1. Тепловое испытание радиатора отопления ..................... 376
3.2. Нестационарная тепловая задача для объекта, 
движущегося со сверхзвуковой скоростью ...................... 399
3.2.1.  Стратегия решения нестационарной тепловой 
задачи при наличии сверхзвукового течения ............... 400
3.2.2.  Стационарный расчет сверхзвукового течения ........... 401
3.2.3.  Нестационарный тепловой расчет – 
постановка задачи ...................................................... 410

Содержание

3.2.4.  Нестационарный тепловой расчет – 
управление процессом решения ................................. 413
3.2.5.  Выводы ....................................................................... 415

3.3. Расчет мачты на ветровую нагрузку .................................. 417
3.3.1.  Расчет по СНиП ........................................................... 418
3.3.2.  Стационарная модель ................................................. 419
3.3.3.  Нестационарная модель .............................................. 429
3.3.4.  Оценка резонансного вихревого возбуждения ............ 434
3.3.5.  Выводы ....................................................................... 435

Глава 4
Версия 2009 года – новые возможности ............... 436

4.1. SolidWorks Motion ................................................................ 438
4.1.1.  Общие усовершенствования ....................................... 438
4.1.2.  Функциональность ...................................................... 440

4.2. SolidWorks Flow Simulation .................................................. 444
4.2.1.  Общие усовершенствования ....................................... 444
4.2.2.  Физические модели .................................................... 445
4.2.3.  Препроцессор ............................................................. 447
4.2.4.  Постпроцессор ........................................................... 447

4.3. SolidWorks Simulation .......................................................... 449
4.3.1.  Общие усовершенствования ....................................... 449
4.3.2.  Интерфейс .................................................................. 450
4.3.3.  Граничные условия ...................................................... 452
4.3.4.  Сетка ........................................................................... 453
4.3.5.  Изменения в реализации анализов 
определенных типов.................................................... 453
4.3.6.  Соединители ............................................................... 455
4.3.7.  Контактные условия .................................................... 455
4.3.8.  Отображение и обработка результатов........................ 458

Заключение .......................................................................... 459

Приложение.
Задачи конкурсов мастеров COSMOSWorks ........ 461

Введение

Данная книга является продолжением двух книг: «SolidWorks/COSMOSWorks. 
Инженерный анализ методом конечных элементов» и «SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике»1, которые вышли двумя изданиями. 
Они отслеживают изменения как в непрерывно развивающихся программных 
продуктах, так и в понимании автором их идеологии и конкретного содержания. 
Если в предыдущих изданиях существовал определенный компромисс 
между изложением содержания программ, описанием их интерфейса, то особенностью данной книги является ориентация на задачи, возникшие непосредственно в инженерной практике. Причина здесь в том, что современные версии 
COSMOSWorks (начиная с версии 2009 года – SolidWorks Simulation), COSMOSMotion (SolidWorks Motion) имеют русскоязычный интерфейс, справочную систему и описание учебных примеров. При этом справочная система является вполне 
достаточной для овладения собственно программой, а также для понимания базовых принципов расчетных методик. COSMOSFloWorks (начиная с версии 
2009 года – SolidWorks Flow Simulation) имеет предельно подробное описание 
интерфейса и алгоритмов в совокупности с впечатляющей номенклатурой тестовых примеров. К сожалению, в силу объективных причин, COSMOSFloWorks до 
сих пор не локализован. Однако значительная часть этих материалов – в интерпретации непосредственных авторов-разработчиков программы – воспроизведена в одном из упомянутых изданий.
Помимо учебных материалов, входящих в стандартную поставку, существуют 
фирменные пособия, используемые в учебных центрах SolidWorks Corporation, 
 у официальных дилеров, в частности в SolidWorks Russia. Они охватывают практически весь диапазон настроек, инструментов, интерфейс как собственно SolidWorks 
на различных уровнях его применения, так и абсолютного большинства модулей, разрабатываемых непосредственно SolidWorks Corp. или во взаимодействии 
с фирмой. Кстати говоря, часть соответствующей документации доступна и на русском языке. К сожалению, пособия к курсам по расчетным модулям, по крайней 
мере, в 2009 году, имеются только в англоязычном варианте. В фирме SolidWorks 
Russia выполняется адаптация этих методик применительно к отечественной 
специфике, например, значительное внимание уделяется оформлению чертежей в соответствии с отечественными стандартами. Разумеется, разрабатываются 
и внедряются оригинальные учебные курсы. Следует отметить, что абсолютное 
большинство учебных программ одинаковы, как для коммерческих клиентов, так 
и для образовательных и научных учреждений. Для последних существуют специальные учебные и академические лицензии, абсолютно полные по функциональности (в частности, расчетные модули входят у них в максимально возможных 
конфигурациях), но радикально более дешевые. Это обеспечивает актуальность

1 Книга «SolidWorks. Компьютерное моделировании в инженерной практике» 
написана в соавторстве.

Введение

информации, предоставляемой образовательным учреждениям и, в какой-то мере, 
помогает им поддерживать современный уровень обучения.
Можно утверждать, что данная книга дополняет, как к официальные публикации и учебные материалы, так и те, которые являются частной инициативой. 
Первые – в большей степени, вторые – в меньшей ориентированы на освоение 
функциональности безотносительно конкретной сферы ее использования. Здесь 
же преследовалась цель – описать процесс решения реальных задач. При этом изложение имеет степень подробности, подкрепленную большим иллюстративным 
материалом, которая позволит улучшить технику работы с программами. Более 
того, книгу можно прочитать до знакомства с базовыми учебными материалами. 
Здесь, правда, рекомендуется сначала изучить основы соответствующих численных методов применительно к механике сплошной среды, динамике, гидрогазодинамике. Получив информацию о законченных решениях, можно с самого начала 
составить относительно полное представление о предмете. Такой путь более естествен для специалиста с хорошей инженерной эрудицией.
Одна из глав книги посвящена новым (на момент подготовки рукописи это 
была версия 2009 года) возможностям модулей Simulation. Здесь от общей идеологии допущено некоторое отступление, когда часть материала излагается на абстрактных примерах. Это связано с тем, что подобрать достойные общего внимания практические задачи просто не было возможности.