SOLIDWORKS 碰撞（冲击）仿真全解析

当你的产品（或其内部零件）发生相互碰撞、与地面撞击，或是被高速飞行物击中时，会产生怎样的后果？这一问题对产品的质量和安全性而言至关重要，因此虚拟测试（即冲击有限元分析）成为工程设计流程中极为关键的一环。要开展这类高精度的仿真分析，你需要一款契合产品复杂程度且符合预算的有限元分析软件。本文将全面梳理 SOLIDWORKS 生态体系中的各类有限元分析工具，重点聚焦冲击仿真的应用场景，助力你充分了解各类工具的适用场景，做出最优选择。

撞击、冲击发生时会产生哪些物理现象？

首先，我们来探讨弹性波的生成原理。当物体受到冲击作用时，会从冲击位置产生弹性波，并沿物体的几何结构进行传播，这一过程如同将石块投入水中后，水波向四周扩散的现象。受冲击物体的材料质量和刚度这两个属性，会直接影响冲击所产生弹性波的传播速度和频率。三款不同的仿真软件对音叉受冲击后的仿真结果显示，弹性波在音叉中的传播规律基本一致，这是因为三款软件中设置的音叉质量分布和刚度参数完全相同。

简言之，在冲击分析这类振动相关的仿真中，物体的质量大小及其分布方式，还有构成受冲击构件材料的刚度，都会对弹性波的生成以及在设计模型中的传播规律起到关键性作用。

理解质量与刚度这两个属性之间的相互作用，是理解冲击物理现象以及解读仿真软件分析结果的关键。以研究振动问题最基础的模型 —— 单自由度质量 - 弹簧模型为例，该模型假定所有质量都集中在质量块上，所有刚度都由弹簧提供。掌握这一模型的仿真原理，能帮助我们更好地理解实际工程中的冲击现象。下方的动画展示了一根杆件撞击墙面的过程，以及如何通过一系列单自由度模型，分析弹性波在杆件中的传播规律。

在了解了冲击发生时的基本物理现象后，接下来我们对可用于冲击分析的各类 SOLIDWORKS 仿真工具进行对比分析。

SOLIDWORKS 系列冲击仿真工具对比

在对比不同仿真软件的冲击分析能力时，我们将从基础款工具开始，逐步介绍高阶工具的功能特点。

基于 SOLIDWORKS Simulation Xpress 的冲击分析

SOLIDWORKS SimulationXpress 仅适用于单实体零件的仿真分析，无法直接执行冲击分析运算。该工具为线性仿真工具，仅能施加恒定载荷，受限于这些功能短板，其能为用户提供的最大价值，就是对单实体零件的冲击效果进行估算，并分析零件的弯曲刚度。用户可利用该工具输出的已知力载荷和位移结果，通过以下公式计算零件的刚度：刚度 (k)= 力 (F)/ 位移 (d)

结合该公式与 Excel 表格，我们可将音叉近似视为单自由度振子，估算出使音叉产生指定位移所需的作用力，进而推算出音叉受冲击后的应力分布情况，以及最大应力的位置。

SimulationXpress 的主要缺陷在于，无法对多实体零件或装配体进行仿真，且仅能施加力载荷和压力载荷，有限元建模的可选功能也十分有限。总体而言，借助 SOLIDWORKS SimulationXpress，用户仅能对零件受冲击后的位移、应力大小和峰值应力位置做出经验性估算；而如果选用更高阶的仿真软件，你能实现的分析效果远不止于 “估算”，后续内容将为你详细说明。

基于 SOLIDWORKS Simulation Standard 的冲击分析

若你使用 SOLIDWORKS Simulation Standard，可开展运动仿真和线性静力学仿真分析。我们先来看运动分析功能：在 SOLIDWORKS Motion 中，可对刚体运动学进行求解，例如模拟音叉的跌落过程，但该仿真中音叉为刚体，不会产生变形。正因如此，我们无法通过该分析得到应力、应变等关键力学参数，但可以获取冲击最大作用力、音叉从指定高度跌落至地面的时间等参数，这些数据能为后续更高精度的音叉冲击仿真提供更准确的应力评估依据。

在线性静力学分析中，可在仿真中引入部分非线性因素，例如接触非线性和大位移引发的几何非线性，但仍无法模拟材料非线性和部分几何非线性。因此，该分析可求解零件的应力、位移、应变、刚度等参数，但求解范围仅局限于材料的屈服点之前。

设计师可通过该分析找到零件的最大应力位置，并判断该位置的最大应力是否超过材料的屈服强度。若超过屈服强度，则需要对零件的几何结构进行优化，将最大应力降至屈服强度以下。借助 SOLIDWORKS 线性静力学分析，设计师可通过多次结构修改和仿真迭代，将产品优化至受冲击时，模型各位置的应力均不超过材料屈服强度的状态。

基于 SOLIDWORKS Simulation Professional 的冲击分析

跌落测试分析是 SOLIDWORKS Simulation Professional 自带的功能模块，借助该模块，可模拟物体从指定高度跌落，或以指定速度撞击地面、其他刚性表面的过程，本文中的音叉冲击仿真即属此类场景。

跌落测试分析采用非线性时间步求解器，能精准模拟真实的冲击工况。通过该分析，我们既可以像运动分析中那样模拟音叉的跌落过程，又能观察到音叉撞击后产生的变形，以及后续弹性波在其内部的传播规律。同时，无需像使用 SimulationXpress 时那样，额外施加力载荷或借助表格进行推算，就能直接得到音叉受冲击后的最大应力值。

SOLIDWORKS 跌落测试分析兼具 SOLIDWORKS Motion 的刚体运动模拟功能，以及 SOLIDWORKS 线性静力学分析的变形求解能力，且获取仿真结果的前期设置工作大幅简化。该分析方法的缺点在于，运算量极大，会在较长时间内占用大量计算机资源。因此，通常建议在跌落测试分析中仅使用高度简化的模型；若需对复杂模型进行跌落仿真，可选用更高阶的仿真软件，这类软件经合理配置后，能在相近的时间内完成精度更高的仿真分析。

基于 SOLIDWORKS Simulation Premium 的冲击分析

更高阶的 SOLIDWORKS Simulation Premium 包含三款不同的冲击分析工具，其中两款属于线性动力学分析范畴，即模态时程分析和响应谱分析。与 SOLIDWORKS 线性静力学分析不同，线性动力学分析是纯线性的仿真分析，借助这类工具开展的仿真，不允许零件间存在接触，也不支持大位移分析。但正因舍弃了所有非线性分析的功能，该类仿真的运算速度极快。

SOLIDWORKS Simulation 中的模态时程分析，可用于研究振动事件随时间变化对设计模型的影响，能直接通过时域输入参数，计算出应力、位移、应变、加速度等仿真结果。针对无法直接模拟接触的冲击场景，可将跌落测试分析与模态时程分析相结合开展仿真：先通过跌落测试分析对简化的 CAD 模型进行仿真，估算出冲击作用力；再将该力载荷结果施加到完整的 CAD 模型上，开展模态时程分析。这一工作流程既能捕捉模型的精细几何特征，又不会让仿真模型的复杂程度过高，导致运算无法进行。

冲击载荷下的另一类线性动力学分析方法是响应谱分析，其与模态时程分析的核心区别在于：模态时程分析的输入参数为时域数据，而响应谱分析需要将输入参数转换为基于频率的冲击响应谱。响应谱分析的优势在于，其聚焦于指定时间段内的参数峰值，相比完整的模态时程曲线，能得到更清晰、噪声更少的仿真结果。

相较于传统的跌落测试分析，模态时程分析和响应谱分析能更快速、高效地预测冲击载荷下的应力、位移和加速度，且均支持阻尼设置，可有效减少仿真中的混沌响应现象 —— 这一功能在跌落测试分析中是不具备的。

SOLIDWORKS Simulation Premium 中还提供了非线性的冲击分析解决方案，即非线性动力学分析。借助该模块，我们可为音叉施加初始速度，该速度与音叉从指定高度跌落撞击地面时的速度一致；仿真中可准确模拟音叉撞击地面时的接触行为，以及所有其他非线性因素，还能求解材料屈服后塑性阶段的应力、大变形，以及弹性波在音叉材料内部的传播规律。

非线性动力学冲击分析的主要缺点是，运算耗时极长、运算量巨大，且生成的结果文件体积庞大，会占用大量磁盘存储空间。正因如此，该分析方法通常仅适用于前文中的线性分析工具无法处理的、非线性因素较多的冲击仿真场景。例如，若需要研究材料屈服点之后的力学行为，就必须采用非线性动力学分析。

基于 Abaqus 或 3DEXPERIENCE STRUCTURAL 的冲击仿真分析

接下来我们介绍机械有限元分析软件中的顶级工具 —— 功能远超 SOLIDWORKS Simulation Premium 的 Abaqus，以及 3DEXPERIENCE STRUCTURAL 仿真工具（其底层求解器为 Abaqus）。这类仿真软件具备更强大的功能，能在冲击分析中得到更精准的结果，其中最核心的优势是，可对装配体甚至整台产品进行冲击仿真，精准模拟任意数量的零件之间的连接、碰撞、分离行为，无论零件采用何种材料，其力学行为都能得到准确的仿真。

首先，Abaqus 提供通用接触功能，用户仅需点击几个按钮，就能为整个模型开启自动接触检测功能，且分析过程中每个时间步都会重新计算接触关系。在其他有限元分析软件中，用户需要在仿真前预判并设置所有可能的接触副相互作用，这一过程既耗时又容易出现误差；而在 Abaqus/3DEXPERIENCE 中，这一工作将由软件自动完成。

其次，Abaqus 的材料建模功能极为强大，能精准模拟材料屈服后的力学行为、累积损伤过程、超弹性特性、时间和温度相关性，以及其他复杂的材料力学特性。

同时，Abaqus 的求解器对并行计算的支持性极佳，能高效利用数百个 CPU 核心进行运算，达索官方还提供了云计算服务，所有客户均可付费使用（需要使用的客户可以联系我们智诚科技ICT）。正因如此，Abaqus 可模拟整辆汽车撞击电线杆的复杂冲击场景 —— 这一功能是 SOLIDWORKS Simulation 无法实现的。

此外，Abaqus 还提供了更多高级的单元特征，例如六面体网格划分功能，相比 SOLIDWORKS Simulation 中仅有的四面体网格，六面体网格能更精准地捕捉高频振动行为；Abaqus 的单元还支持损伤和破坏行为的仿真，若零件在冲击过程中发生断裂、撕裂，这款高阶软件能精准捕捉到这一物理现象。

总体而言，若你需要仿真的物体处于极高的冲击速度下（例如子弹撞击），即便是低速冲击场景（例如冰球撞击有机玻璃），都需要借助 Abaqus 开展仿真分析。

本质上，理解结构的冲击行为，需要将基础物理原理与先进的仿真工具相结合。无论使用 SOLIDWORKS系列的任意一款仿真软件，还是高阶的 Abaqus 统一有限元分析软件，核心目标都是精准预测冲击对设计模型产生的复杂影响，并采取措施降低这种影响，最终将产品推向市场。这些仿真工具和分析方法，能帮助设计师和工程师打造出更安全、更具抗冲击性的产品，这也是所有设计从业者的共同追求。

无论你是首次接触仿真分析，还是希望帮助团队工程师实现更高效的设计工作，智诚科技ICT的专业团队都能为你提供支持，欢迎联系我们了解更多详情电话：400-886-6353。