SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации

SolidWorks 
Simulation

ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ 
ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ: 
ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ, 
РЕКОМЕНДАЦИИ

Алямовский А. А.

Москва, 2023

2-е издание, электронное

УДК [62-112+624.01]:004.9SolidWorks Simulation
ББК 30.4с515
А60

А60
Алямовский, Андрей Александрович.
SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, 
рекомендации / А. А. Алямовский. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 564 с. — Москва : ДМК 
Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-316-5
Книга развивает тему практического использования инструментов инженерного анализа 
SolidWorks для решения задач прочности, устойчивости, динамики, механики композитов, гидродинамики и теплопередачи. Подобраны актуальные примеры, потребовавшие использования 
большей части функционала программ, а также разработки специфических приёмов. Изложение 
ведётся последовательно: постановка задачи, подготовка геометрической модели, её преобразование в расчётную, наложение граничных и контактных условий, получение рациональной сетки, 
настройка вычислительного процесса, анализ и интерпретация результатов, выводы и рекомендации. Все этапы сопровождаются комментариями, описывающими мотивацию действий автора, 
анализируются разнообразные подходы к решению, как методические, так и технические.
Некоторые задачи решаются с использованием нормативной базы, регламентирующей соответствующие эксперименты. Результатом являются расчётные модели и методы их использования, 
воспроизводящие эти эксперименты.
В первую очередь книга предназначена для практикующих инженеров, занимающихся расчётами профессионально или эпизодически. Также она будет полезна преподавателям и студентам, 
чтобы оценить перспективы овладения инструментами расчётов в среде SolidWorks. Те, кто занимается повышением квалификации на уровне аспирантуры, надеемся, найдут полезную информацию о том, как внести элементы исследования в обыденные, на первый взгляд, ситуации.
На сайте издательства dmkpress.com содержатся цветные иллюстрации, которые будут полезны для анализа результатов расчётов, а также изрядная часть моделей, как в формате SolidWorks, 
так и eDrawings.

УДК [62-112+624.01]:004.9SolidWorks Simulation 
ББК 30.4с515

Электронное издание на основе печатного издания: SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации / А. А. Алямовский. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 562 с. — ISBN 
978-5-97060-140-2. — Текст : непосредственный.

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.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-316-5
© Алямовский А. А., 2014
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2015

Оглавление

Об авторе .....................................................8

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

Глава 1. SolidWorks Simulation – статика, 
параметрические расчёты, усталость 
и композиты ...............................................11
1.1. Параметрический анализ модели зажимного 
приспособления ...........................................................................12
1.1.1. Постановка задачи ..................................................................... 13
1.1.2. Расчётная модель ....................................................................... 13
1.1.3. Результаты статического анализа и их интерпретация ................ 20
1.1.4. Исследование отклика соединения на изменение крутящего 
момента  .............................................................................................. 22
1.1.5. Выводы ...................................................................................... 30
1.2. Прочностной расчёт сосуда с учётом объёмного 
расширения содержимого, имитирующего фазовый переход .......31
1.2.1. Постановка задачи ..................................................................... 31
1.2.2. Расчётная модель ....................................................................... 32
1.2.3. Результаты и их интерпретация  ................................................. 42
1.2.5. Выводы ...................................................................................... 46
1.3. Прочность горизонтальной ёмкости в грунте ..........................47
1.3.1. Постановка задачи ..................................................................... 47
1.3.2. Подбор эквивалентной упругой среды, моделирующей 
нелинейную сыпучую среду ................................................................. 49
1.3.3. Пространственная задача прочности и устойчивости ................. 61
1.3.4. Выводы ...................................................................................... 71
1.4. Построение диаграммы свинчивания резьбовых 
соединений труб ...........................................................................71
1.4.1. Постановка задачи ..................................................................... 71
1.4.2. Расчётная модель ....................................................................... 73
1.4.3. Результаты для крутящего момента 2500 Н·м  ............................. 77
1.4.4. Исследование отклика соединения на изменение крутящего 
момента  .............................................................................................. 80
1.4.5. Анализ возможности использования симметрии ........................ 83

Оглавление
4

1.4.6. Выводы ...................................................................................... 86
1.5. Расчёт жёсткости трёхлистовой рессоры ...............................86
1.5.1. Постановка задачи ..................................................................... 86
1.5.2. Расчетная модель  ...................................................................... 88
1.5.3. Результаты и их интерпретация .................................................. 96
1.5.4. Выводы .................................................................................... 104
1.5.5. Корректировка модели применительно к версии 2014 года ...... 105
1.5.6. Многоцикловая усталость рессоры .......................................... 112
1.5.7. Построение геометрической модели листов рессоры .............. 117
1.6. Многоцикловая усталость вала мешалки ..............................123
1.6.1. Постановка задачи ................................................................... 123
1.6.2. Расчётная модель и результаты статического анализа ............. 125
1.6.3. Расчётная модель и результаты многоцикловой усталости ....... 133
1.6.4. Результаты усталостного расчёта модифицированной 
конструкции ....................................................................................... 140
1.6.5. Выводы .................................................................................... 142
1.7. Прочность перфорированных конструкций ...........................142
1.7.1. Постановка задачи ................................................................... 143
1.7.2. Отработка упрощений расчётной модели ................................. 144
1.7.3. Расчётная модель ..................................................................... 158
1.7.4. Выводы .................................................................................... 171
1.8. Расчёт эффективных характеристик жёсткости сотового 
заполнителя ...............................................................................172
1.8.1. Постановка задачи ................................................................... 172
1.8.2. Выбор расчётной модели ......................................................... 173
1.8.3. Прогнозирование свойств в различных направлениях .............. 175
1.8.4. Результаты по совокупности упругих характеристик ................. 187
1.9. Моделирование многослойных композитных конструкций 
с сотовым заполнителем ............................................................187
1.9.1. Постановка задачи ................................................................... 188
1.9.2. Выбор рациональной модели ................................................... 190
1.9.3. Эффективные характеристики сот ............................................ 191
1.9.4. Расчётная модель при действии силы тяжести 
и избыточного давления .................................................................... 191
1.9.5. Расчётная модель при действии силы тяжести 
и локальных нагрузок ......................................................................... 198
1.9.6. Выводы .................................................................................... 205
1.10. Расчёт объектов на гибком подвесе ...................................205
1.10.1. Постановка задачи ................................................................. 205
1.10.2. Расчётная модель для симметричной системы ....................... 205

Оглавление

1.10.3. Результаты для несимметричных систем  ............................... 214
1.10.4. Выводы .................................................................................. 223
1.11. Прочность и жёсткость композитной рамки на подвесе 
с нагружением податливыми объектами ..........................................224
1.11.1. Постановка задачи ................................................................. 224
1.11.2. Выбор расчётной схемы ......................................................... 226
1.11.3. Геометрическая модель .......................................................... 227
1.11.4. Расчётная модель ................................................................... 228
1.11.5. Результаты и их интерпретация .............................................. 234
1.11.6. Выводы .................................................................................. 237
1.12. Жёсткость и прочность автомобильного 
прицепа-цистерны ......................................................................238
1.12.1. Постановка задачи ................................................................. 240
1.12.2. Построение расчётной геометрической модели ..................... 240
1.12.3. Построение расчётной модели ............................................... 251
1.12.4. Приведение расчётной массы к реальной ............................... 260
1.12.5. Результаты и их интерпретация .............................................. 263
1.12.6. Выводы .................................................................................. 270
1.13. Устойчивость тонкостенной сборной стойки .......................272
1.13.1. Постановка задачи ................................................................. 272
1.13.2. Расчётная модель ................................................................... 274
1.13.3. Результаты для линейной модели  .......................................... 279
1.13.4. Результаты для нелинейной модели ....................................... 281
1.13.5. Выводы  .................................................................................. 286

Глава 2. SolidWorks Simulation – резонанс 
и динамика ............................................... 289
2.1. Расчёт резонансных характеристик антенны ........................290
2.1.1. Постановка задачи ................................................................... 291
2.1.2. Подготовка эффективной модели подшипников ....................... 294
2.1.3. Подготовка эффективной модели привода ............................... 307
2.1.4. Расчётная модель антенны ....................................................... 311
2.1.5. Вычислительная модель ........................................................... 323
2.1.6. Результаты и их интерпретация ................................................ 331
2.1.7. Выводы .................................................................................... 335
2.2. Прочность и собственные частоты шиберной задвижки .......336
2.2.1. Постановка задачи ................................................................... 336
2.2.2. Расчётная модель для статики .................................................. 338
2.2.3. Результаты для статики ............................................................ 352
2.2.4. Особенности модели и результаты для закрытой задвижки ...... 356

Оглавление
6

2.2.5. Расчётная модель для собственных частот ............................... 357
2.2.6. Результаты для собственных частот ......................................... 363
2.2.7. Выводы .................................................................................... 365
2.3. Динамика светофора ...........................................................366
2.3.1. Постановка задачи ................................................................... 366
2.3.2. Расчётная модель и результаты для статического анализа ....... 367
2.3.3. Расчётная модель и результаты для собственных частот .......... 377
2.3.4. Расчётная модель и результаты для модального анализа ......... 381
2.3.5. Расчётная модель и результаты для гармонических колебаний ... 390
2.3.6. Выводы .................................................................................... 395
2.4. Динамические испытания аппаратуры .................................395
2.4.1. Постановка задачи ................................................................... 395
2.4.2. Расчётная модель ..................................................................... 397
2.4.3. Результаты и их интерпретация ................................................ 405
2.4.4. Анализ влияния параметров демпфировании и его модели 
на состояние системы ....................................................................... 413
2.4.4. Вибрационный анализ  ............................................................. 416
2.4.5. Выводы .................................................................................... 419

Глава 3. SolidWorks Flow Simulation – 
гидрогазодинамика и теплопередача ........... 421
3.1. Исследование сопротивления теплопередаче оконного 
блока в тепловой камере ............................................................423
3.1.1. Постановка задачи ................................................................... 423
3.1.2. Методика реальных испытаний................................................. 424
3.1.3. Методика виртуальных испытаний ............................................ 428
3.1.4. Расчётная модель ..................................................................... 440
3.1.5. Результаты и их интерпретация ................................................ 448
3.1.6. Влияние условий эксперимента на состояние системы ............ 456
3.1.7. Оценка теплового сопротивления посредством модели 
без течения в SolidWorks Simulation .................................................... 458
3.1.8. Выводы .................................................................................... 462
3.2. Моделирование заполнения выработки продуктами 
сгорания .....................................................................................463
3.2.1. Постановка задачи ................................................................... 463
3.2.2. Расчётная модель ..................................................................... 464
3.2.3. Результаты и их интерпретация  ............................................... 472
3.2.4. Оценка влияния настроек модели и вычислительного 
процесса на результат ....................................................................... 476
3.2.5. Выводы .................................................................................... 477

Оглавление

3.3. Расчёт параметров перетока воды между ванными 
градирни самотёком ...................................................................478
3.3.1. Постановка задачи ................................................................... 478
3.3.2. Расчётная модель ..................................................................... 479
3.3.3. Результаты и их интерпретация ................................................ 481
3.3.4. Параметрический анализ зависимости расхода от разницы 
уровней ............................................................................................. 483
3.3.5. Выводы и перспективы ............................................................. 487
3.4. Тепловой расчёт модуля с гофрированными 
теплообменниками .....................................................................487
3.4.1. Постановка задачи ................................................................... 488
3.4.2. Стратегия решения задачи и упрощения геометрической 
модели .............................................................................................. 489
3.4.3. Построение модели гофрированного теплообменника 
как виртуальной пористой среды ....................................................... 491
3.4.4. Расчётная модель для одного модуля – сравнение моделей ..... 507
3.4.5. Расчётная модель для всей конструкции .................................. 512
3.4.6. Выводы .................................................................................... 517
3.5. Гидравлический расчёт трёхступенчатого центробежного 
насоса ........................................................................................518
3.5.1. Постановка задачи ................................................................... 518
3.5.2. Расчётная модель ..................................................................... 520
3.5.3. Результаты для модели без кавитации ...................................... 536
3.5.4. Выводы .................................................................................... 539
3.6. Аэродинамические характеристики радиального 
вентилятора ................................................................................540
3.6.1. Постановка задачи ................................................................... 540
3.6.2. Расчётная модель ..................................................................... 541
3.6.3. Результаты и их интерпретация ................................................ 556
3.6.4. Выводы и перспективы ............................................................. 559

Об авторе

Алямовский Андрей Александрович, кандидат технических наук, специалист в 
области численных методов в механике. В настоящее время сотрудник фирмы 
SolidWorks Russia. Автор книг на тему использования методов компьютерного 
моделирования для решения инженерных задач. 

Введение

Последние несколько лет (книга издана в 2014 году) происходит своего рода ренессанс в распространении и использовании численных методов компьютерного 
анализа в инженерной деятельности. Собственно геометрическое моделирование 
в пространственной постановке и оформление документации на базе моделей стало стандартом там, где оно востребовано реально, а иногда и субъективно. Развитие же инструментов инженерного анализа вышло на уровень, когда интерфейсы перестали требовать больших усилий на освоение, а функционал, доступный 
через эти интерфейсы, охватил многие типовые вопросы и сферы деятельности. 
Одной из основных тенденций стал перенос специфических методик в категорию 
«общедоступных». Так, например, нелинейные и динамические модели – в прочности, имитация течения среды в тепловых задачах стали вполне решаемыми на 
инженерном уровне, а не только прикладными специалистами.
Перераспределение сфер деятельности предприятий, выход на рынок новых 
фирм, «импортозамещение» в стиле, когда заказ уже принят, а методик и, зачастую, подготовленных специалистов ещё нет, создают объективную потребность 
внедрения соответствующего программного обеспечения, обучения персонала, 
создания условий для его деятельности. На это накладывается отсутствие преемственности, когда традиционные, в общем, вопросы приходится решать как бы 
заново. Такая ситуация весьма благоприятна для поставщиков программ, когда 
необходимость в них (программах) вполне объективна, и вопрос только в разумном выборе, гарантирующем, при разумных затратах, не только достаточность 
функционала, но и способность, исполнителей его реализовать.
Понятно, что эта книга непредвзято агитирует за семейство модулей SolidWorks, 
но одновременно решается и цель довести до реального пользователя подробности решения конкретных задач, а «обдумывающему житьё» – оценить перспективы 
будущей деятельности. Задачи отбирались так, чтобы они содержали особенности, отличающие их от типовой постановки, или же в процессе решения проявились проблемы – разного свойства: методические, алгоритмические, технические. 
В ряде случаев акцентируется внимание на неоднозначностях в постановке задачи, 
подготовке расчетной модели, интерпретации результатов. Известно мнение, что 
«плюрализм в одной голове называется шизофренией», однако на этапе обучения 
широта кругозора должна приветствоваться. Мотивация тех или иных действий 
выносится на обсуждение, что отличает эту книгу от присутствующих в данном 
сегменте учебных пособий и рекламных материалов, где преподносятся готовые 
решения без расшифровки их источников.
Если это возможно, привлекаются нормативы и стандарты и делается попытка реализовать их в расчётной модели. Поскольку автор не является конкретным 
специалистом в некоторых областях, то изложение не претендует на окончатель

Введение
10

ную истину, но полезным станет демонстрация функционала программ и методов 
его использования. Однако универсальная рекомендация, если некая задача возникает впервые, и нет аналогов или консультантов, состоит в том, чтобы принять 
установку на имитацию подходящего стандарта. Творческим, и весьма полезным 
этапом, может быть выработка упрощений, позволяющая воспроизвести стандарт 
с минимальной трудоёмкостью и вычислительными затратами. Эти моменты также обсуждаются в книге.
Поскольку материал собирался в течение нескольких лет, то различные задачи решались в соответствующих версиях программы – 2012, 2013, 2014. Поэтому 
интерфейсные элементы на иллюстрациях и доступный функционал могут отличаться. В необходимых случаях эти изменения описаны. Например, версия Flow 
Simulation 2014 года приобрела русскоязычный интерфейс и справочную систему, 
но ряд иллюстраций и текст содержат элементы предыдущих версий, снабжённые 
переводом.
Иногда, при описании последовательности действий, какая-то информация 
повторяется для некоторых задач. Это сделано для сохранения цельности изложения, поскольку частые отсылки на расположенные выше тексты, затрудняют 
понимание.
Практически весь материал основан на задачах пользователей программ семейства SolidWorks. Автор благодарен тем, кто предоставил эти материалы, и напоминает, что информация о конструкциях является собственностью организаций. В реальные модели конструкций внесены изменения, поэтому некритическое 
воспроизведение их не рекомендуется.
Также автор благодарен своим коллегам по фирме «SolidWorks Russia» за помощь в работе над книгой и за создание достойных условий для реализации не 
слишком выгодного, с коммерческой точки зрения, проекта. Одним из основных 
побуждений для этой работы является искренняя заинтересованность клиентов 
и – шире – читателей в информации, связанной с практикой решения инженерных задач.