基于COSMOSWorks软件的零部件强度分析.pdf

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1、祝苈2 0 0 7 年第1 2 期总第3 4 卷计算机应用技术3 9 基于C O S M O S W _ o r k s 软件的零部件强度分析朱文良，邬平波(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都6 1 0 0 3 1)摘要：使用与s o l i d w o r k s 集成的有限元分析软件c o s M 0 s w b r k s，可以方便、快速、准确地对三维模型的零部件进行有限元计算，使分析人员从繁琐而复杂的建模或三维模型转换中解脱出来。介绍了C O S M O S w o r k s 软件的主要模块、特点及功能，并以铁路客车转向架的主要部件摇枕为例，进行了有限元强度计算，通过对实物

2、试样的静强度试验，对计算结果进行了验证。关键词：有限元；c o s M O s w o r k s；试验；强度；摇枕中图分类号：T P 3 1文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 0 3 1 6(2 0 0 7)1 2 0 0 3 9 一0 4T h ec o m p o n e n t ss t r e n g t ha n a l y s i sb a s e do nt h eC o S M o S W o r l【ss o f t w a 弛Z H UW e n 1 i a I l g，W UP i n g _ b o(s t a t eK e yn a c t i o nP o w

3、 e rL a b o r a t o r y，S o u t h w e s tJ i a ot 帅gU I I i v e r s i t y，C h e n g d u6 1 0 0 3 1，C I l i n a)A b s t m c t：U s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eo fC o S M O S W o r k sw h i c hi si n t e g r a t e dw i mS o l i d W o r k sc a I la n a l y z es t r e n g m

4、a n ds t i f!f n e s so ft h J e e d i m e n s i o n a lm o d e lq u i c k l ya n dc o 仃e c t l y I tI I l i 曲tb eh e l p f u lt of r e ed e s i g n e r sf r o mn i g g l i n ga n de n D r p m n ec o m p u t a t i o n 1 h em a j o rm o d u l e，c h a r a c t 甜s t i ca n df u n c t i o no f l es o f t

5、 w a r ec o s M O s w o r k si si n t r o d u c e di nt l l i sp a p e r。u s i n gt l l eb 0 1 s t e ro fm et m c ko fp a s s e n g e rc a ra sa ne x 锄p l e，m eF E Ma n a l y s i sr e s u l t sa n dr e a lo b j e c ts t a t i cs t r n g mt e s tr e s u l t sa r ec o m p a r e di nm i sp a p e r。K e

6、yw o r d s：F E M；C O S M O S W o r k s；t e s；s t r e n g m；b o l s t e r1C O S M O S 简介模型上。C O S M O S 是S R A C(s t m c t l l r a lr e s e a r c h a n a 一1 y s i sc o 印o r a t i o n)公司推出的一套功能强大的微机版的有限元分析软件。它在s o l i d w o r k s 的环境下为设计工程师提供了比较完整的分析手段。c o s M 0 sw b r k s 是c O s M o s 的一个非常重要的模块，能够进行

7、静力分析、频率分析、热分析、和设计优化。1 1 与S o l i d W o r k s 无缝集成c o s M O s w o r k s 完全集成于S 0 1 i d w o r k s 中，为设计工程师在s o l i d w b r k s 的环境下，提供比较完整的分析手段。分析模型和分析结果及S o l i d w b r k s 共享一个数据库，在几何模型上，可直接定义载荷和边界条件，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S o l i d W o r k s 精确的设计1 2 最快的有限元的分析软件c O s M O s w b r k s 是世界上最陕的有限

8、元分析软件，这是由于它采用了F F E(f a s t f i n i t ee l e m e n t)快速有限元算法技术，F F E 算法是工程设计分析人员的分析利器。s R A c 公司的快速有限元算法(F F E)比较突出的原因如下：(1)快速有限元算法参考以往的有限元求解算法经验，以C+语言重新编写程序，程序代码中尽量减少循环语句，且引入当今世界范围内软件程序设计新技术的精华，故极大提高了求解器的速度；(2)快速有限元算法使用新的技术开发、管理其资料库，使程序在读、写、打开、保存资料及文件时，能够大幅提升速度；收稿日期：2 0 0 7 0 6 0 7基金项目：教育部创新群体(删5 2

9、)，自然科学杰出青年基金(0 5 2 5 5 1 8)作者简介：朱文良(1 9 8 0 一)，河南沈丘人，硕士研究生，主要研究方向为机车车辆疲劳强度及可靠性。万方数据4 0 计算机应用技术祝榭2 0 0 7 年第1 2 期总第3 4 卷(3)快速有限元算法按独家数值分析经验，搜索所有可能的预设条件组合(经过大型复杂运算测试无误者)来解题，故在求解时陕速而能收敛。本文运用s o l i d w b r k s 三维造型软件生成了摇枕装配体结构模型。该装配体中包括3 个子装配体，2 5 个独立零件。1-3 精确的计算结果2 2 评定标准传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗

10、时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。c o s M 0 s w o r k s 提供了多场多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。另外，c o s M 0 s w b r k s 含有精确应力分析模块(A c c u s 仃e s s)，这是精确应力计算中一个有着划时代意义的工具，象征着一个过渡期的划分网格新技术。在局部区域网格划分更细密，以提供更精确的应力计算结果进进行产品设计优化。1 4 装配体的分析传统的方法是分离成多个问题来解决：拆散装配体、人工计算每个零件所受的反力，然后分开分析各个零件。缺点是明显的，没有装配的特性、没有零件和

11、零件的相互作用、繁琐的人工处理过程，费时费力。而新的方法是直接对装配体分析，整体地划分单元网格，只需在装配体上指定整体载荷和边界条件，可赋予各个零件不同的材料性质，只一次进行求解。用这种方法容易定义问题，从而快速分析装配体，并获得精确的分析结果。计算载荷的确定和强度评定方法参照E N13 7 4 92 0 0 5 铁道应用一轮对和转向架一规定转向架构架结构要求的方法以及T B 厂r 13 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的有关内容，将载荷按不同的方案组合，确定出适用于摇枕静强度分析的超常荷重和运用荷重下计算载荷的多种工况，在这里取运用荷重下的两种工况加以举例说明。2 3

12、材料摇枕主体材料是材料B 级钢，其上面的各种座是1 6 M n R 低合金钢。两种材料各项指标如表l。表1 材料的各项指标材料B 级钢1 6 M n R 钢弹性模量M P a2 0 2 e”2 0 6 e”屈服强度M P a2 8 03 4 5泊松比O 3O 3质量密度(k m 3)7 8 0 07 8 0 02 4 约束在摇枕两端枕簧座施加弹性约束，与装车条件一致，每侧弹性支撑的垂向总刚度为1 1 2k N，m m。在摇枕的纵向止挡与横向止挡上分别设纵向与横向的约束。2 应用实例2 5 载荷2 1 结构简介摇枕是铁路车辆转向架上最主要的承载部件，车体全部重量作用在摇枕的心盘与旁承上，而摇枕又

13、将载荷通过弹簧作用在构架上，或通过弹簧作用在摇动台上，并通过吊杆作用在构架上。摇枕主要材料为铸钢，但其上面的各种吊座、承载座又是低合金钢。基于摇枕结构的复杂性、材料的多样性，多年来对其有限元分析始终不尽人意，并与试验结果差距较大。图1 是某宽轨铁路客车摇枕，其主体为铸造的箱形鱼腹梁结构，在摇枕的两端没有安装垂向减振器的安装座，内部有纵向加强板，摇枕上焊有牵引拉杆座和旁承座。在心盘面上与旁承面上施加垂直向下的载荷。施加约束与载荷后的摇枕有限元模型如图2 所示。图1 摇枕结果模型图2 摇枕约束与载荷图2 6 模型离散C O S M O S w o r k s 提供了四种网格划分算法：实体网格、混合

14、网格、使用中面的外壳网格和使用曲面的外壳网格，无需像其他c A E 软件那样做复杂的 万方数据柳拼2 0 0 7 年第1 2 期总第3 4 卷计算机应用技术4 1 转换和前后置处理。三维模型建成后，就可根据情况自动划划分网格的形状及大小，也可由使用者根据需要自行调节网格大小。单元格越小，划分得就越精细，网格数也越多，相应的计算量就越大。一般情况下采用默认的网格划分，其结果和精度还是可以接受的。为了使离散模型更加精细，计算结果合理可靠，对受力复杂的部位由人工干预，使用c o s M o s w o r k s 提供的网格控制，设定元素大小为1 0 m m，比例为1 5(默认)，设定图层数为3(默

15、认)。将摇枕共划分为5 6 0 3 3 个单元格，节点数为10 6 9 2 0。划分网格后的摇枕有限元离散模型如图3 所示。图3 摇枕有限元离散模型2 7 静强度分析在c O S M O S w o r k s 中，对有限单元进行分析，问题由一组必须同时求解的代数方程式来表示。有两类求解方法：直接和迭代。直接方法使用精确的数字方法求解方程式。迭代方法使用近似方法来求解方程式，在每次迭代中，都会求出一个解，并评估关联的误差。迭代过程一直持续，直到误差可以接受。C 0 s M o S w o r k s 软件提供选择以下解算器：D i r e c ts p a r s e F F E F F E

16、P l u s(迭代)。c o s M o sw b r k s 会基于算例类型、分析选项、接触条件等内容选择解算器。本文选用F F E P l u s 解算器进行静力分析，图4 是摇枕在基本载荷工况下的应力云图，图5 是摇枕在基本载荷工况下的应变云图。图4 摇枕当量应力云图图5 摇枕应变云图3 摇枕静强度试验由于摇枕结构的复杂性，单独进行试验的工装及加载实现都有很大的难度，为此将摇枕与构架组在一起，测试一个摇枕与构架所组成的被试件在静载荷下的应力和变形，判断其静强度、刚度能否满足要求。摇枕构架的测点数共6 2 个(其中5 个三轴应变花，3 4 个双轴应变片，2 3 个单应变片)，共计1 0

17、6 个通道。载荷由可控加载试验作动器加载。试验在四川成都西南交通大学牵引动力国家重点实验室内进行。液压伺服系统采用全套德国I s T公司进口的液压站、s 一5 9 伺服激振控制器、1 0 0 t 和4 0 t 等级的激振器多个，满足静强度试验的加载需要，也能满足疲劳试验的循环加载需要。数据采集采用多通道静态应变仪系统。试验载荷的确定和强度评定方法参照E Nl3 7 4 92 0 0 5 铁道应用一轮对和转向架一规定转向架构架结构要求的方法以及T B 厂r 1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的有关内容。图6 所示为摇枕与构架总成后在疲劳试验台上的照片，图7 所示为被试

18、摇枕实物照片。图6 摇枕与构架总成后在试验台上图7 被试摇枕实物图表2 是几个典型测试数据的对比情况。由表2的计算结果可以发现，c o s M o s w o r k s 对摇枕分析计算的结果和静强度试验的结果相比，出现最大应力、最大位移的位置是一致的，其变化规律基本相同，说明其分析结果基本可信，对实际的没计改造具有指导作用。但多数应力数值要比实测的值略大，说明c 0 S M 0 s w o r k s 的分析计算是偏于安全的。4 结论(1)c O s M o s w o r k s 有限元分析软件能够快速分析装配体的部件强度，使计算模型更能反映真实边界条件，获得更精确的计算结果。(下转第5

19、9 页)万方数据祝耱2 0 0 7 年第1 2 期总第3 4 卷工业设计5 9 2 折弯工艺与拉深工艺的组合运用问再间隔进行两次退火处理。实际上，在钣金件产品造型设计中，若单纯只采用折弯(加切割加焊接)工艺或者拉深工艺，得到的产品在形态上都显得比较单调，缺乏细节。而这两种工艺所得到的产品造型效果正好是互补的，一个硬朗，一个柔和。如果能将二者有机结合，将会取得刚柔相济的理想效果。运用实例一：图3 中的电焊机是典型的传统产品，其工艺只采用了折弯加切割加焊接工艺，造型呆板生硬。图1 0 是作者为成都某公司设计的一款电焊机外观造型，右图为电焊机操作面板局部。此款电焊机造型创新点有两处：一是操作面板处采

20、用了倾斜面造型，既丰富了外观造型又便于使用者操作；二是在操作面板处采用了一次浅拉深工艺，形成一个渐消面，局部柔和处理和起伏变化使产品造型造型在关键处骤然增色，起到画龙点睛之效。而从工艺成本来看，增加一个拉深工艺的费用约为5 0 0 0元，按生产批量2 0 0 台计算，每件产品所分摊的拉深模具成本约为2 5 元，这个成本相对于每台产品市场售价的约3 0 0 0 元来说，几乎完全可以忽略不计。图1 0 一款采用折弯和拉深工艺组合的电焊机运用实例二：图1 1 是作者为成都某公司设计的一款车载电脑报站器之显示屏造型。左侧局部放大图产品整体效果图右侧局部放大图图1 1 一款车载电脑报站器的显示屏在产品的

21、几个大的棱边采用了折弯工艺，而在左右两端采用了局部的拉深工艺，形成向下凹陷的槽，这些凹槽的存在使得产品面板上有了细节，丰富了面板的层次。对产品的整体造型起到了至关重要的作用。产品右侧的细槽处由于槽宽度太小，为了防止拉深时板料被撕裂，需要进行三次拉深，中3 结论折弯和拉深是两种十分传统的钣金工艺。独立地看，此二种工艺所成型的产品的外观造型均具各自鲜明的特征，同时又均具显著的局限性。但若将此二种传统而普通的工艺组合运用，则可取得1+1 2 的造型效果，而这种造型效果的改善所付出的成本代价很小，一般企业都是完全能够承受的，有较大的推广应用价值。另外值得指出的是，钣金件的最终造型效果还严重依赖于工艺水

22、平，若工艺水平跟不上，再好的设计也无法弥补产品粗制滥造的局面。而工艺水平一方面依赖于硬件设备，另一方面更依赖于工人的技术经验和敬业精神。参考文献：1】翟平飞机钣金成形原理与工艺 M 西安：西北工业大学出版社，l q 9 5(上接第4 l 页)(2)用c 0 S M o s w o r k s 软件对摇枕强度计算的结果和静强度试验结果的对比表明，其最大应力值比较接近，出现最大应力的位置基本一致的，说明理论分析结果基本可信。表2 典型数据对比情况参考文献：f 1 刘国良，刘洛麒s o l i d w o r k s2 0 0 6 完全学习手册一l 蛋解c O s M O sw o r k s M】北京：电子工业出版社，2 0 0 6【2】李人宪有限元法基础【M 北京：国防工业出版社，2 0 0 4 f 3 舡洪，魂峥，周鲜华s o l i d、v o r k s2 0 0 5 基础教程【M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5【4】傅永华，刘世凯大型有限元分析程序c o s M o s，M 的开发与应用【J】力学与实践，1 9 9 9，2 l(1)：7 4 7 5 1 5】T B 厂r 1 3 3 5 1 9 9 6，铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 s】万方数据