COSMOS兩種有限元數(shù)值分析

2013-06-21 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文作者通過對(duì)某開式壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的實(shí)例,對(duì)COSMOS Works中采用裝配體的有限元模型進(jìn)行了初步研究同時(shí)結(jié)合SolidWorks以及COSMOS Works的功能特點(diǎn).對(duì)裝配體和單一零件式有限元模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比.對(duì)兩種模型的如何使用提出了一些建議。

作者: 岳峰松來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 有限元建模分析比較 cosmos works

在傳統(tǒng)的有限元分析中,對(duì)于像產(chǎn)品部件這樣的,由各個(gè)零件組裝起來的裝配體或子裝配,大都是將部件視為一個(gè)零件,同時(shí)多數(shù)有限元程序也只支持單一零件的前處理。因而限制了技術(shù)人員對(duì)分析中細(xì)節(jié)的研究,比如,焊縫位置的研究、零件之間存在不同摩擦系數(shù)時(shí)的考慮等。

COSMOS Works不僅提供了對(duì)裝配體分析的支持,還可以設(shè)定不同零件之間,或者不同接觸面之間的接觸/間隙類型以及不同的摩擦系數(shù),使得分析結(jié)果與實(shí)際工況更為吻合,同時(shí)還可以將結(jié)果按照裝配體爆炸的方式顯示結(jié)果。利用分析結(jié)果,設(shè)計(jì)人員可以對(duì)于眾多焊縫位置進(jìn)行直觀的評(píng)估、研究。但是,對(duì)于同一結(jié)構(gòu)采用裝的有限元模型,目前還是采用單一零件式的有限元模型,并且沒有進(jìn)行過深人的研究。

作者在為某開式壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),首先在SolidWorks2003中分別建立了機(jī)身的裝配體三維模型和零件模型,然后利用COSMOS Workss2003有限元分析軟件對(duì)其分別進(jìn)行數(shù)值分析,并將兩種分析進(jìn)行對(duì)比,對(duì)上述問題進(jìn)行了初步研究,同時(shí)結(jié)合SolidWorks以及COSM05 Works的功能特點(diǎn),對(duì)裝配體和單一零件式有限元模型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)兩種模型的如何使用提出了一些建議。

    二、計(jì)算工況

根據(jù)企業(yè)提供的圖紙,我們?cè)赟olidWorks中先建立了三維裝配體的幾何模型.為保證幾何模型結(jié)構(gòu)的致性,我們將模型的三維裝配體(.SLDASM)另存為零件模型(.Sf.DPRT)。本文的計(jì)算工況是分析在壓力機(jī)60t沖壓力(設(shè)計(jì)允許的最大沖壓噸位)作用下,機(jī)身結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和最大位移。

1.載荷,加載位置為工作臺(tái)面,60t ,豎直向隊(duì)前后兩個(gè)導(dǎo)柱孔分別加載30t ,豎直向上;
2.約束,機(jī)身底座安裝面,豎直方向約束位移為零,4個(gè)地腳螺栓孔的位移約束為沿圓柱孔徑向位移為零,沿圓柱孔豎直方向位移為零,
3材料為Q235A鋼材,機(jī)身自重5,47t.其材料屬性見表1:
4.機(jī)身自重在本文的靜強(qiáng)度分析中沒有考慮。

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片1

    三、有限元網(wǎng)格模型的對(duì)比

兩個(gè)模型在COSM0S Works中進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí),采用同樣的網(wǎng)格設(shè)置,即單元類型為四面體,單元大小為100mm,公差為5mm。

    網(wǎng)格剖分后,裝配體網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為31776;單元數(shù)為16352。零件模型網(wǎng)格剖分后的結(jié)果是節(jié)點(diǎn)數(shù)為29269,單元數(shù)為14799。如圖1、圖2所示。表2是網(wǎng)格模型剖分結(jié)果的對(duì)比。

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片2

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片3

從上述網(wǎng)格模型的大小對(duì)比來看,裝配體模型的網(wǎng)格復(fù)雜度>零件模型的網(wǎng)格復(fù)雜度。

四、分析結(jié)果對(duì)比

在有限元計(jì)算后,我們?nèi)∪鐖D3所示的4個(gè)參考點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力、位移的研究,同時(shí)考慮機(jī)身整體的最大應(yīng)力和緩大位移、兩個(gè)模型的分析結(jié)果對(duì)比見表3。其中,裝配體模型的等效應(yīng)力分布云圖如圖4所示,合位移的結(jié)果云圖如圖5所示,零件模型的等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示,合位移的結(jié)果云圖如圖7所示。

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片4

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片5

COSMOS兩種有限元數(shù)值分析solidworks simulation分析圖片6

從上述圖示中,我們可以看到最大的應(yīng)力、位移的數(shù)值大小。位置二者十分接近,但在所選的參考點(diǎn)處竺者的的應(yīng)力有所差異,最小相差11.6%,最大相差31.2%,作者認(rèn)為這是參考點(diǎn)附近網(wǎng)格剖分的差攤所致,同時(shí)裝配體的網(wǎng)格模型可以更真實(shí)的反映焊接零件之間力流的分布和載荷傳遞。當(dāng)然,通過網(wǎng)格細(xì)化,哭者在參考點(diǎn)附件的差異會(huì)減小。

    五、兩種有限元模型的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的零件摸型方式分析是許多工程分析人員所熟知的,也是絕大多數(shù)分析軟件所唯一支持的方式,所以應(yīng)用比較普遍,造型和前處理花費(fèi)的時(shí)間相對(duì)要少;但是對(duì)于多種材料、待研究的焊縫位置、以及可能靄要考慮的不同接觸面之間的摩擦系數(shù)的設(shè)置等,需要特殊定義或需要軟件提供該項(xiàng)功能方可實(shí)現(xiàn)。

COSMOSWorks 對(duì)于裝配體模型方式的分析,為我們提供了更多的控制選項(xiàng)以及結(jié)果顯示選頂。

1."經(jīng)緯"分明的網(wǎng)格模型。我們首先注意到以裝配體模型方式進(jìn)行網(wǎng)格剖分后,每個(gè)焊接件之間"經(jīng)緯"分明,而民接觸面之間的節(jié)點(diǎn)可以一一對(duì)應(yīng),這是我們使用零件模型方式來分析裝配體結(jié)構(gòu)很難達(dá)到的理想網(wǎng)格剖分方式。
2.更靈活的網(wǎng)格剖分控制。以裝配體模型方式進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí),不同接觸面,不同零件都可以設(shè)置不同的單元大小公差值等,使得我們可以對(duì)復(fù)雜模型的控制更靈活。對(duì)模型細(xì)節(jié)之處的研究更方便。
3.不同摩擦系數(shù)設(shè)置。同2中一樣,不同接觸面,不同零件之間,還可以設(shè)定不同的摩擦系數(shù),這樣既使分析工況和實(shí)際工況更接近,也使得前處理的工作最大大減輕。
4.不同材料設(shè)置。如結(jié)構(gòu)使用了多種材料,在傳統(tǒng)的零件分析方式中,必須通過指定單元和材料屬性(有時(shí)還要指定實(shí)常數(shù))等來給指定單位設(shè)置不同的材料,所以前處理的工作量較大。而在裝配體模型方式中,一種材料就對(duì)應(yīng)這個(gè)零件或一組零件,可以零件為對(duì)象,一次選擇一個(gè)零件或一組零件來設(shè)置材料,這個(gè)一作一般1一2分鐘就可以完成,顯然速度要大大快于零件模型的分析方式。

分析結(jié)果如圖8所示的爆炸圖。利用SolidWorks對(duì)裝配體管理的功能,先對(duì)裝配體中所研究的零部件定義爆炸方式,并使用該爆炸圖;然后在COSMOS Works的結(jié)果查看中,可以爆炸的方式顯示各個(gè)零部件,這樣對(duì)于焊縫位置,或零件之間的接觸面的研究提供了很大便利。

    六.應(yīng)用建議

根據(jù)上述分析情況的對(duì)比,結(jié)合SolidWorks和C05MOS Works的功能特點(diǎn),就結(jié)構(gòu)件在準(zhǔn)備有限元模型時(shí)提出了一些建議。

1.如果已有結(jié)構(gòu)件的三維幾何模型,且設(shè)計(jì)時(shí)就是按照焊接等方式裝配的,則采用裝配體模式進(jìn)行分析;
2.在進(jìn)行新產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段,如結(jié)構(gòu)件中僅使用一種材料,宜采用單零件模式進(jìn)行分析,可加快三維建模的進(jìn)度。
3.為獲得某零件的詳細(xì)分析結(jié)果,如焊縫處分析,或考慮多種材料等,宜采用裝配體模式進(jìn)行分析,便于前處理中靈活的控制。