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SolidWorks COSMOS培训计算机辅助工程分析基本理论计算机辅助工程分析基本理论引言CAE的基本概念 有限元分析概述CAE基本结构与功能 CAE应用与发展 主流CAE软件简介 COSMOSWorks概述引言引言计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具。计算机辅助工程分析方法和软件是关键的技术要素之一。借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件MSC Dytran和MSC Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。桌球的运动仿真白车有限元一阶模态振型图（纵向弯曲）风机叶轮的强度分析行星轮的整体分析深沟球轴承的整体简化分析注塑充填充填流动过程Original1Original1Moldflow 模流分析CAE的基本概念的基本概念 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering,CAE）是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统，是以现代力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。在CAE技术的主要内容包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁分析等，其中有限元法(FEA，Finite Element Analysis)在机械中运用最成功、最广泛。有限元分析概述有限元分析概述（1 1）有限元分析的基本思想）有限元分析的基本思想有限元法是复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力相应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。有限元方法的基本思想基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。离散化过程就是网格划分过程，即将几何体剖分成相对小且形状简单的实体，这些实体称为有限单元。将单元称为“有限”的，是为了强调单元不是无限小，而是与整个模型的尺寸相比之下适度的小。通过将一个形状复杂的连续体结构的求解区域分解为有限个形状简单的子区域（单元），这样求解连续体的场变量（应力、位移、压力和问题）问题简化为求解有限个单元节点上场变量值。此时，求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来的描述真是连续体场变量的微分方程组，得到近似的数值解。求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。（2）有限元分析的平衡方程）有限元分析的平衡方程有限元分析计算是在得到前处理模块传来的数据后，根据有关力学原理针对每个单元建立离散结构的物理方程、几何方程和平衡方程，通过对方程组的求解从而得到结构上各点的力学特性。有限元法大多采用位移法进行计算，即在求解过程中，把结构各节点的位移当作未知数，通过求解位移，进而可以求出应变、应力以及主应力。建立结构的平衡方程，首先要得出每个单元的刚度矩阵Ke：其中B为几何矩阵，它与单元的形函数有关，即与单元内的未知模式有关；D为单元的弹性矩阵，它与结构材料的弹性模量、泊松比有关。得出单元的刚度矩阵后，就可以组装结构的刚度矩阵并且建立结构的位移向量和整个结构的全部载荷列阵，其中载荷列阵可以通过静力等效原则，将作用在各单元上的载荷等效到节点上得出，它包括一下几种载荷形式：（1）外载荷引起的节点力；（2）体积力引起的节点力；（3）表面力引起的节点力；（4）热应变引起的节点力。根据力的平衡条件，可以得出整个结构的平衡方程组：简写为向量形式是：式中为微分算子矩阵的转置矩阵，W为体积力向量。(3)(3)离散化结构描述离散化结构描述坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标）节点（X、Y、Z）单元（弹性单元、线单元、面单元、体单元、约束元、质量单元）载荷集中力、力矩、梁上的分布载荷、板和体面上的压力载荷、重量载荷、加速度载荷、强迫位移边界条件固支、铰支、弹性、自由材料性质各向同性、各向异性、复合材料、流体材料、温度相关材料 无约束（3）有限元网格生成技术）有限元网格生成技术有限单元法是数值分析强有力的工具，它首先将要分析的物体离散成有限个简单单元的组合，再用这些单元的集合来模拟逼近原来的物体。然后对离散得到的单元进行分析，最终得到对整个物体的分析结果。有限元前处理是有限单元法的主要瓶颈，解决这一问题的有效方法就是用计算机自动地或交互地生成有限元网格。（a）单元类型）单元类型弹簧元（拉伸或扭转）CELAS1、CELAS2、CELAS3、CELAS4线单元 杆元 CROD CONROD 直梁元 CBAR CBEAM 曲梁元 CBEND面单元 三或六节点的三角形板元 CTRIA3、CTRIA6 四或八节点四边形板元 CQUAD4、CQUAD8 四节点剪力板元 CSHEAR体单元 六面体单元 CHEXA 五面体单元 CPENTA 四面体单元 CTETRA约束元（刚体元 RBE2）其它单元 质量元 CONM2（b b）网格划分条件）网格划分条件对于同一物体的剖分结构可以全部由同一类型的单元组成，也可以由几种不同类型的单元组成。但是，所有的有限元网格必须满足以下条件：（1）几何逼近：生成的网格是对物体的几何形状在容差范围内的精确逼近，即网格单元不能落在体外，同时体内要全部被网格单元覆盖。（2）单元合法：网格单元之间不能互相重叠或交叉，任意两个单元要么无交，要么仅交于一整张面。任意一个顶点若与一个单元有交，则该顶点必为此单元的顶点。图中表示了网格的合法性。（3）密度合理：网格单元的尺寸在整个体内均匀过渡，即相邻单元之间尺寸差别不能太大；单元尽量接近于正则单元。（4）拓扑相容：网格与物体的拓扑性质相同，即原物体有几个开孔或空腔，网格也应有几个开孔或空腔。(c)(c)网格生成方法网格生成方法二维的网格生成方法主要有：拓扑分解法、节点连元法、网格模板法、映射法和几何分解法。三维的网格生成方法主要有：拓扑分解法、节点连元法、基于栅格法、映射法和几何分解法等。（4）有限元技术的应用）有限元技术的应用FEA不是唯一的数值分析工具，在工程领域还有其他的数值方法如有限差分法、边界单元法和有限体积法。然而由于FEA的多功能性和高数值性能，它占据了绝大多数工程分析的软件市场，而其他方法则被归入小规模的应用。使用FEA，通过不同的方法理想化几何体。能够分析任何形状的模型，并得到预期的精度。使用现代的商业软件时，FEA理论、数值问题公式和求解方法对用户是完全透明的。不管项目多复杂或应用领域多广泛，无论是结构、热传导或声学分析，所有FEA的第一步总是相同的，都是从几何模型开始。本课程，即是从SolidWorks的零件和装配件开始。给模型分配材料属性，定义载荷和约束，再使用数值近似方法，将模型离散化以便分析。当使用有限单元工作时，FEA求解器将把单个单元的简单解综合成为对整个模型的近似解来得到期望的结果（如：变形或应力）CAE基本结构与功能基本结构与功能 1 CAE1 CAE分析的三个步骤分析的三个步骤 应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：前处理：人们采用计算机辅助设计技术对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型，完成分析数据的输入；有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成；后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性，如生成位移、应力、温度分布等图。根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%45%用于模型的建立和数据输入，50%55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。在CAE分析的过程中前、后处理是最主要的工作。CAE应用与发展应用与发展 1 1 历史与应用现状历史与应用现状 国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。此后有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。3 CAE与与CAD/CAMCAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而CAE技术就是实现创新设计的最主要技术保障。目前众多的设计单位将“CAD”与“CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完成设计与分析工作，存在工作和数据交接、结果等待和评判等过程，造成了整个设计流程的不畅通。事实上，在理想的现代设计过程中，CAE应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。10.6主流主流CAE软件简介软件简介1.MSC系列工程分析软件 MSC是全球最大的CAE软件供应商，为满足各种工程应用的需求提供了多种仿真工具。MSC具有超过40%的世界MCAE市场份额，2000多家大用户，覆盖了工程仿真的各个方面，在汽车、军事国防、航空航天、机械制造领域占绝对统治地位。2.ANSYS分析软件分析软件 ANSYS是最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发的，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用。唯一具有中文界面的大型通用有限元软件，能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能，良好的用户开发环境。3.ADAMS 美国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发的ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是世界上最具权威性的使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品品质及竞争力的目的。COSMOSWorks概述概述COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，是SRAC公司工程分析软件产品之一。SRAC公司成立于1982年，是将有限元分析带入到桌面计算的先驱。1995年，SRAC公司与SolidWorks公司合作开发了COSMOSWorks软件，从而进入了工程界主流有限元分析软件市场，该软件也成为了SolidWorks公司的金牌产品之一，同时它作为公司的插入式分析软件，迅速成为顶级销量产品。2001年，综合了SolidWorks CAD软件的COSMOSWorks软件由于在商业上取得的成功而获得了Dassault Systemes（SolidWorks的母公司）的认可。2003年，SRAC公司与SolidWorks公司合并。COSMOS/Works是完全整合在SOLIDWORKS 中设计分析系统的，提供压力、频率、约束、热量，和优化分析。为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE),工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果和SolidWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关。在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小。另外，Cosmos可以直接利用Pro/E、IDEAS、CADKEY、AMD等三维CAD软件的几何模型，与CAE软件ANSYS、NASTRAN、PATRAN等也可以进行数据沟通。因此COSMOS在企业以后的集成方面应是高枕无忧的。有人将目前流行的有限元分析软件NASTRAN和ANSYS 做过一个测试比较。结果是COSMOS和NASTRAN的分析结果是很接近的，而ANSYS的误差要大一些。NASTRAN是通过牺牲速度来达到精度的，而ANSYS是通过放弃精确度和加大解题占用的磁盘时间来提高速度的。通过其分析测得COSMOS、NASTRAN、ANSYS解题速度比为1：16：9，解题占用的磁盘空间比为1：14：22。也就是说COSMOS解题的平均速度分别要比NASTRAN和ANSYS快16倍和平倍，而解题占用的磁盘空间分别减少14倍和22倍。从这些数字也可以看出COSMOS软件在有限元分析软件中是技高一筹的。COSMOSWorks Designer的使用限制的使用限制任何有限元分析软件都有其优缺点，COSMOSWorks Designer分析的分析是在下列假设下进行的：（1）材料是线性的（2）小变形（3）静态载荷一些非线性材料几何体或动态分析，可以通过COSMOSWorks的一些高级专业工具完成。COSMOSWorks分析模块简介分析模块简介分析模块的执行程序简述如下：1.建立分析程序 study2.指定材料 apply materials to all3.插入（约束与负载）insert(restrains and loads)4.建立网格 mesh5.执行分析 run6.图表结果 plot and list results主工具栏图标主工具栏图标 在主工具栏中有新增分析程序、指定材料、网格产生、执行分析、网格显示与否以及图元选择等次工具图标，如下图所示。执行分析程序时，由左向右执行。首先新增一个分析程序，接着指定材料并建立网格，然后切换到插入工具栏中，定义约束和加载，再回到此主菜单中，执行分析。完成分析后即可由结果工具栏，或下拉式菜单，显示各种分析结果。负载工具栏图标负载工具栏图标 负载工具栏相当于插入子菜单，在于设定约束与负载。结果工具栏图标结果工具栏图标 结果工具栏相当于结果工具子菜单。指定材料参数对话框指定材料参数对话框材料参数的指定，可直接使用系统提供的材料数据库，或一一键入材料的特性参数，网格设定与划分网格设定与划分 在完成建模、新增分析程序击材料参数的定义后，接着将进行网格的划分。在下拉菜单中，选择mesh命令，系统即可显示如左下图的对话框，其中显示系统预设的元素尺寸及公差值。按下ok后，系统即进行划分网格，并显示相应的信息窗口。约束限制约束限制 a.指定约束位置在前边步骤完成之后，选择restrains命令，进行外部条件的设定。b.图为约束条件对话框，指定约束形式、图元颜色以及位移与单位等，按下ok完成设定。施加载荷施加载荷a.指定约束位置指定零件的位置，并pressure命令。b.图为均布力加载对话框，指定施加压力的形式、图元颜色以及压力值与单位等，按下ok完成加载设定。执行分析执行分析在下拉菜单中，选择run 命令，或用工具栏上的执行分析按钮执行，如图所示。执行的过程系统显示分析元素、节点以及DOF自由度的数目。结果显示结果显示 在执行分析完成后，用“报告”命令来显示结果，如应力云图，位移云图等等；对结果进行调整；生成报告。2 带孔矩形板的静态分析带孔矩形板的静态分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要全面了解COSMOSWorks界面使用实体单元完成线性静态分析了解网格密度对位移和应力结果的影响采用不同方法显示有限元计算结果管理COSMOSWorks结果文件获取有用的帮助项目描述项目描述 本实例是分析一个简单的矩形带孔钢板模型。假设钢板支撑是刚硬的（即矩形板短边一侧固定支撑），沿短边另一侧施加大小为25000lb的均布载荷。练习练习 铝质零件的静态分析铝质零件的静态分析项目描述项目描述本练习将分析装配体中铝质零件的最大应力和位移。与装配体接触部分的类型可以通过加载不可移动的约束到底部的两个平面来模拟。该零件承受200N的法向反力，其力学模型如图所示。3 L形支架的静态分析形支架的静态分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要了解建模和离散化误差的区别使用网格划分的自动过渡选项如何使用网格控制记录有限元分析结果中可能出现的不收敛情况在不同的SolidWorks配置中分析模型以批处理的方式运行多个算例列举反作用力项目描述项目描述一个L形的支架上端面被固定（埋入），同时下端面施加200lb的弯曲载荷。支架的拐角处有一个小圆角，与整个模型相比，圆角半径非常小，于是决定压缩它。但是，经过分析这种做法是欠考虑的。练习练习 C形支架的静态分析形支架的静态分析安装在天花板上的绞支架支撑着安装在支架底部边缘上的招牌。该招牌是用类似电缆线的平带安装在支架上。根据招牌和支架的质量，有200lb的力施加在其上。根据这一载荷计算支架的位移和应力，并同时考虑支架模型有无圆角过渡对结果的影响。4 手动虎钳的接触手动虎钳的接触/缝隙分析缝隙分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要完成对装配体的结构分析使用销钉接头为约束类型应用全局贺局部接触/缝隙条件手动虎钳是一个简单的手动工具，包括四个部分：2个相同的钳臂，一个合叶销和一块被手动虎钳夹住的平板。计算一个50lb的挤压力作用在钳臂的末端时，钳臂上的应力分布。练习练习在常规工作环境下，分析在载荷下bone wrench（骨形扳手）的应力及变形。扳手的一侧固定，模拟与螺母的紧密接触，另一侧受到操作工水平方向的力，以上紧（松开）螺母。5 机轮装置的冷缩配合分析机轮装置的冷缩配合分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要分析冷缩配合装配体回顾局部圆柱坐标系中的应力解使用eDrawing格式给出分析结果在“什么错”帮助下查找问题使用解算器选项消除刚体模式项目描述项目描述有一内半径为2.382in的rim承受一外半径为2.391in的hub的压力作用。目的要求出这两者的如下应力：Von Mises 应力Hoop应力接触应力练习练习 两环装配体的接触分析两环装配体的接触分析分析一个简单的两环组合件，其中一个环外面施加的接触力为拉力。6 Differential装配体的静态分析装配体的静态分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要分析包含多种接触条件的实体网格装配体在定义局部无穿透接触条件中使用初始间隙自动生成局部接触定义分析并评价实体有限元网格的质量使用远程载荷特征以简化分析使用和定义设计检查图解项目描述项目描述Differential装配体用来传递扭矩，即将扭矩从竖直方向传递到Axis1制定的倾斜方向。该装配体由支架背面的4个位置焊接到另一个结构件中。通过对手柄施加2.5N的水平力来产生扭矩（从顶视图看，力的方向垂直于手柄臂）。沿着Axis1的杆件shaft与套筒（Yoke_femal）底面紧密接触，并穿过支架的开口，但并没有对此杆件建模。因为假设由于不正确的加工及杆件与支架接触部分摩擦所引起的温升，接触部分会临时性锁死，从而导致杆件把所有扭矩都传递到支架上（进一步增加的扭矩会使连接部分松弛，从而导致装配体differential开始旋转。此外，杆件的几何体会确保Yoke_femal及RevBracket之间的距离不会比初始间隙3.469mm更加靠近。分析目标是获取differential的零部件上的应力及应变分布。练习练习项目描述：一钣金支架承受100lb的边缘载荷（载荷作用在x方向，全局坐标系）。练习考虑两种设计配置：1.没有任何焊接；2.斜边缘上以焊接连接。比较这两种配置下的最大位移和最大Von Mises应力。7 滑轮的壳体分析滑轮的壳体分析主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要创建中面壳单元网格从所选曲面创建壳网格执行结构分析并使用壳单元分析结果评价网格对应力集中的适应性项目描述项目描述分析一个作为自动带传动导轮的模压钢滑轮，目的是了解滑轮在500N弯曲载荷下的变形和应力情况。目标要确定滑轮变形及应力的变化。因为滑轮在一个方向（厚度）上的尺寸显著小余其他方向的值，因此很难采用实体网格划分该几何体。19 使用设计情形分析汽车悬架使用设计情形分析汽车悬架主讲主讲:邓小雷邓小雷衢州学院机电控制工程系内容提要内容提要理解并使用设计情形特征分析当前制定参数改变时的趋势找寻某些设计参数的优化值项目描述项目描述在运行工况下，如图所示的汽车悬架装配体会经受多个载荷的变化。本例将分析在下列4个条件下的装配体：1）汽车静止2）汽车在平滑路面上以恒定加速度行驶3）汽车在颠簸路面上行驶4）汽车在平滑路面上均匀行驶，然后爬上斜坡所有悬挂零件的所有材料Alloy Steel制造。分析目标是调节底座的厚度，并寻求一个最优值。