SIMSOLID对四旋翼无人机的结构仿真分析
本案例用SIMSOLID对四旋翼无人机进行了三种常用的结构分析仿真：
模态分析；
静力加载；
瞬态冲击响应（模态叠加法）。
并且用Abaqus对计算结果进行了对比，结果表明，SIMSOLID对于这类典型的结构分析，其效率是远远高于传统有限元软件的（几分钟vs 大半天），且计算结果也能很好的反映实际的物理现象，但精度方面仍需更多验证。
但由于其易用性和高效率，很容易被普通设计师（并非专业仿真工程师，甚至无需具备仿真基础）掌握，因此用来作为一个设计早期结构的快速验证、寻找薄弱点、对不同设计方案进行对比，这都是一个非常高效实用的工具。
无需网格划分—减少80%工作量
如图1所示，是一个典型的四旋翼无人机，之所以选择这个模型，是想考察SIMSOLID是否能够处理这么复杂的几何。
可以看到模型上细节特征还是比较多的，面板上凹凸不平的小台阶和凹槽和镂空的悬臂，都给网格划分带来麻烦，如图2所示，在传统的有限元软件中这些区域必须进行几何清理，否则会有错误提示。
比较麻烦的是，有时候错误提示是在计算过程中才出现的，必须折返回去修改模型，对于没什么经验的工程师来说，可能直接在这步就放弃治疗了。
图1 四旋翼无人机3D模型（右图是分别导入到SIMSOLID与ABAQUS中）
图2 在传统有限元软件中，必须进行几何清理，否则会出现错误提示
而导入SIMSOLID直接略过了网格划分的步骤，并且在导入时就会询问是否需要对未连接区域建立Connection, 直接勾选Yes, 就可以建立螺钉的连接了（如图3所示），确实很省心~
图3 SIMSOLID中自动创建Bonded Connection连接螺钉
当然，在建立连接时，有时候会把一些只是恰好挨着的面也设定为bonded——例如，面板和悬臂之间的接触面——这时候，只要到模型树中，再删除这些connection就可以了（因为是高亮显示在模型中，所以选中connection的时候就很清楚看到是否是我们想删除的）。
也有另外一种方式，即可以通过指定螺钉为bolt，这样，在设定connection的时候，直接选择只对bolt建立bonded connection即可。
而传统的有限元软件，即便有自动搜索接触对的功能，实际使用起来也不是太方便，最终还是手工定义为主。
简易的操作步骤
SIMSOLID整个操作步骤可以说是傻瓜式操作，总结起来，就是：
导入模型
SIMSOLID对导入几何模型的格式特别宽容，试了好多种类型，几乎毫无限制，只要是个3D就行，像传统有限元软件最难搞定的STL都能直接分析，这一点确实省去了许多的麻烦。
选择分析类型(Analysis)
SIMSOLID和大型通用仿真软件不一样，目前只能求解以下几种类型。但已能满足大部分结构分析的需求，好处是选择的时候，简单明了，基本能看懂英文就能选。
材料设置
SIMSOLID提供了一个材料库（线性材料为主），如果不关心材料的非线性，用库里的材料应该足够了。但如果要考虑材料的非线性，可新建材料，需要自己输入材料参数。
SIMSOLID并未提供丰富多种的材料本构模型供选择，因为这对无基础的工程师来说是非常困难的。
因此，只需要输入材料单轴拉伸的应力应变曲线去进行弹塑性的拟合即可，也不需要做实验数据与真实应力应变的转换，直接输入实验得到的工程应力应变。
在四旋翼的仿真中，对悬臂和面板分别采用了ABS和加玻纤的PC材料，是非线性的工程塑料，所以需要自己定义材料，SIMSOLID可以显示出应力应变曲线，这样也方便更直观的对照，以免手滑输错数值。
图4 SIMSOLID中利用应力应变曲线自定义非线性材料
定义约束
如果在导入模型时就勾选了自动定义约束，这一步就可以省略了。
加载/边界条件设置
然后就可以直接提交计算，查看结果了，这个时候可以去喝一杯茶，过几分钟就能查看结果了。
SIMSOLID提供的选项确实不多，和传统有限元软件相比，可以说是美图秀秀和photoshop的区别。但这种简易的模式，对一些产品设计师其实足够用了，而更专业的分析，还是留给仿真工程师去做吧!
SIMSOLID与其说是做分析，不如说更像玩一样轻松，即便是像四旋翼无人机这个看似较为复杂的模型，实际上我只花了几分钟就把设置完成了，下面就来看看计算的结果吧。
模态分析
振型
下图展示了前三阶模态振型，其中左边是SIMSOLID的结果，右边是ABAQUS的结果，可见振型是相当一致的：
固有频率
SIMSOLID和ABAQUS计算的前十阶固有频率如下：
SIMSOLID的频率整体偏高十几个HZ, 并且随着频率的增加，差异有逐渐增大的趋势。
当然，ABAQUS的计算结果实际上和网格划分及单元选择有关，这里我们划分了较为密集的网格，且单元类型采用的是2阶单元（C3D10M）, 网格数量总计157904，节点数总计249827，因此对应的计算时间和占用的内存是远远大于SIMLAB的，如果电脑性能不够，此时完全无法进行其他工作。
实际上，如果在ABAQUS中换用更粗糙的网格，或者选用一阶单元，计算的频率也会比当前高，从而更接近SIMSOLID的结果，因此，从效率的角度出发，SIMSOLID的确非常高效的给出了一个精度尚可的结果，在计算时，也完全不影响电脑性能，从而仍能顺畅的进行其他的工作。
静载强度分析
固定底部面板，悬臂末端加载10N的竖直方向的静力荷载，如下图所示：
SIMSOLID和ABAQUS的位移及Mises应力云图如下图所示：
从位移来看，SIMSOLID悬臂顶端最大位移为8.6mm, 而ABAQUS的计算结果为11.75mm；从应力来看，ABAQUS的应力值也略高于SIMSOLID的计算结果。
虽然并不清楚SIMSOLID的算法，但从本算例的计算结果来看，SIMSOLID的刚度是偏大的，因此同样加载下，位移比ABAQUS要小，导致应变小，从而在同样的材料模型下，对应的应力也小，这也与模态分析的结果相吻合，根据固有频率的计算公式，刚度越大，对应的固有频率越高，因此SIMLAB计算的频率值比ABAQUS高。
实际上，如前所述，计算结果的精度和付出的计算成本是分不开的。为做进一步的验证，在ABAQUS中对不同网格密度、不同单元类型计算的结果进行了对比，可见，当网格加密或使用了高阶单元时，最大位移的结果逐渐增加至~12mm。
而SIMSOLID的计算结果更接近网格尺寸相对不那么密时的一阶单元的计算结果，若是综合考虑效率来说，SIMSOLID的精度结果是可接受的。
当然，并不能通过此例就说明SIMSOLID所有计算结果就一定刚度偏大，这是和具体模型具体问题相关的，实际上对一个特别简单的悬臂梁进行对比（ABAQUS中单元类型为C3D8R）,SIMSOLID和ABAQUS的分析结果几乎是无差别的（最大位移分别为0.964mm和0.973mm）：
瞬态冲击响应（模态叠加法）
在SIMSOLID中进行瞬态冲击响应的分析，过程很简单：只需设置力作用的位置和大小（这里是悬臂末端100N）、幅值曲线（如下图为总计1s的一个三角形的幅值曲线），并设置总的计算时长即可（这里设置为5s），该计算是基于模态计算的结果通过线性叠加得到的。
由上图可以看到，在这样的瞬态冲击力作用下，悬臂根部已经出现了较大面积的屈服应力，这对设计有一定的指导意义，而整个计算过程却不过数秒钟。
总结
整个过程下来，感觉SIMSOLID真心方便快捷，三个不同工况从导入模型开始到计算结束，总计也不过花了十几分钟的时间，这对于传统的有限元软件而言，是基本不可能的，尤其是这样一个小特征较多的复杂模型—实际上，为了用ABAQUS来做对标，我花了大半天的时间在模型的设置和计算当中。
此外，最中意SIMSOLID的一点是它对3D模型的格式毫不挑剔，我尝试了许多不同格式，都能导入，并且神奇的是可以直接计算！
而许多传统有限元软件，因为需要划分网格以及兼容性的问题，所以对3D格式都有所限制，例如STL格式就无法直接划分网格计算，SIMSOLID的这个优点，让我看到未来对于3D扫描的结果可以直接进行一些有限元分析（而不需要模型的重建或转换），这是一个很有意义的领域。
当然，作为一个较新的软件，也还有不足之处，例如：
显而易见的，十分有限的分析类型和材料模型，目前还无法同时考虑“可分离的接触”、“几何非线性”、“材料非线性”，只能三选二；
和ABAQUS相比，SIMSOLID无法通过加密网格或选用高阶单元去提升计算精度，因此目前的计算精度还存在一定的改善空间；
目前的材料库可能仅作为示意，有一些参数还存在问题，例如某些材料的密度信息不太对，实际使用时，工程师还应当仔细核对材料参数。
当然，以上的前面两点不足，我觉得也很难说完全是缺点，毕竟通过这样的一些牺牲，简化了功能，提高了效率，可以让许多原本对有限元仿真望而生畏的机械工程师分分钟体验仿真的乐趣和作用，并且，在设计的早期，这样的一些仿真结果，实际上已可以起到设计上的指导作用。
作为一名仿真工程师，是由于担心饭碗不保所以来体验SIMSOLID的，虽然目前来看，传统仿真有限元软件的地位仍然是不可替代的，因为其能分析更多复杂的工况，解决技术难题，并且提供更为精确的结果。
但类似SIMSOLID这一类的软件的出现，将会使仿真变得更为普及，且随着软件和技术的进步，不同软件之间的优点得到有机的结合，仿真的门槛必然会越来越低，但这也给我们仿真工程师提供了更多自由，可以把精力投入更深入的分析和创新设计中，因此还是希望未来有越来越好的工具出现吧！
完结
