Cosmos/Works—工程師的設(shè)計(jì)分析工具

2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: e-works 來源: 《CAD/CAM與制造業(yè)信息化》
關(guān)鍵字: CAE 有限元分析 Cosmos/Works

COSMOS是SRAC(Structural Research & Analysis Corporation)推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件。它在SolidWorks的環(huán)境下為設(shè)計(jì)工程師提供了比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證,并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。分析的模型和結(jié)果與SolidWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫,也就是說設(shè)計(jì)與分析數(shù)據(jù)將不再需要繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作,因而分析也與計(jì)量單位無關(guān)。在幾何模型上,它可以直接定義載荷和邊界條件,如同生成幾何特征,設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫也會(huì)相應(yīng)地自動(dòng)更新。計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計(jì)模型上。這樣的環(huán)境即操作簡單、又節(jié)省時(shí)間,而且對硬盤空間資源要求很小。 COSMOS現(xiàn)已與SolidWorks集成,成為一個(gè)綜合的開發(fā)環(huán)境。由于軟件的定位及智能化,使得使用者無需掌握專業(yè)的CAE技術(shù),仍能進(jìn)行快速準(zhǔn)確的CAE分析。本文以COSMOS處理外部檔案與網(wǎng)格建立為討論重點(diǎn),講述一些使用過程中的技巧與體會(huì)。

一、檢查像素、輸入診斷
1.檢查像素

通常發(fā)生在輸入的實(shí)體,可使用SolidWorks的檢查幾何或輸入診斷工具,在建立網(wǎng)格之前偵測出是否有不正常的幾何關(guān)系。若發(fā)現(xiàn)有無效邊線與面,或是有過短的邊線,則網(wǎng)格皆無法成功地建立出來。

如圖1所示,由檢查像素的指令,發(fā)現(xiàn)該模型共有6個(gè)面錯(cuò)誤與4個(gè)短邊線。

2.輸入診斷

當(dāng)發(fā)現(xiàn)模型有邊線或面的錯(cuò)誤后,可利用輸入診斷找出問題像素的位置。此時(shí)使用者可以直接利用SolidWorks的修復(fù)功能進(jìn)行修補(bǔ),若修復(fù)功能無法順利將問題邊線與面排除,則需要使用者自行使用曲面功能做處理。

如圖2所示,模型表面共發(fā)現(xiàn)6個(gè)矛盾,經(jīng)修復(fù)后再行診斷,并無錯(cuò)誤,因此可以很順利將網(wǎng)格產(chǎn)生。

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二、網(wǎng)格基礎(chǔ)

1.節(jié)點(diǎn)值(Node Value)與元素值(Element Value)

應(yīng)力求解完成時(shí),元素里面某些特定的點(diǎn)被稱為高斯點(diǎn)(Gaussian Point)。筆者利用選取高斯點(diǎn)來計(jì)算出最理想的結(jié)果,而高斯點(diǎn)的數(shù)目會(huì)依元素種類而有所不同。如圖3所示為元素上的節(jié)點(diǎn)與高斯點(diǎn)。

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節(jié)點(diǎn)值就是由交界點(diǎn)各元素的所有點(diǎn)數(shù)據(jù),相加后求平均值即得到節(jié)點(diǎn)值。圖4所示為節(jié)點(diǎn)值的計(jì)算方式。

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元素值是由特定某元素上所有點(diǎn)數(shù)據(jù),相加后求平均值即得到元素值。圖5所示為元素值的計(jì)算方式。

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2.粗略網(wǎng)格(Draft Quality)與精細(xì)網(wǎng)格(High Quality)

粗略網(wǎng)格又稱低階或一階網(wǎng)格,以四面體元素而言,會(huì)有四個(gè)節(jié)點(diǎn)。精細(xì)網(wǎng)格則為二階網(wǎng)格,在四面體元素上,除了四個(gè)頂角節(jié)點(diǎn)外,再加入六個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。圖6左圖所示為一階之四面體元素,右圖為二階之四面體元素。

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三、套用控制與自動(dòng)轉(zhuǎn)變

1.套用控制(Apply Control)

大部分之模型在做有限元素分析前,應(yīng)該先進(jìn)行模型簡化動(dòng)作。

簡化支持則是將不必要的特征,或者是不會(huì)影響到分析結(jié)果的特征(如圓角、小孔或肋材等)刪除或抑制。遇到有些小特征會(huì)影響到分析結(jié)果,而且無法避免時(shí),建議先以手動(dòng)方式加上套用控制,然后再使用自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式,以增加網(wǎng)格建立之成功率

2.自動(dòng)轉(zhuǎn)變(Automatic Transition)

使用自動(dòng)轉(zhuǎn)變時(shí),不管細(xì)小特征的數(shù)目有多少,系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)以相對微小的元素尺寸進(jìn)行劃分。若在一個(gè)較大的模型上使用,會(huì)造成元素?cái)?shù)目急劇增加,因而拖累運(yùn)算速度,使用時(shí)必須注意。如圖7所示為有鉆孔陣列的平板,使用套用控制或自動(dòng)轉(zhuǎn)變,皆可在鉆孔周圍得到較佳的網(wǎng)格品質(zhì)。

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四、殼元素使用時(shí)機(jī)

殼網(wǎng)格是由殼元素( S h e l l Element)所建構(gòu)成之網(wǎng)格。通常使用在由曲面所建構(gòu)的模型,或是薄壁與鈑金零件,COSMOSWorks支持的殼元素有Shell3/3T (三個(gè)頂角節(jié)點(diǎn))和Shell6/6T(三個(gè)頂角節(jié)點(diǎn)與三個(gè)中間節(jié)點(diǎn)),如圖8所示。

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圖8中,左圖為一階shell3三角殼元素,右圖為二階shell6三角殼元素。SolidWorks所建構(gòu)出的實(shí)體模型都可以用實(shí)體元素(Solid Element)來建構(gòu)網(wǎng)格。但對于薄壁與鈑金零件,若使用實(shí)體元素,必須使用非常細(xì)小的尺寸,才可得到較精準(zhǔn)的結(jié)果,但相對的元素?cái)?shù)目會(huì)非常多,會(huì)花費(fèi)較多運(yùn)算時(shí)間。此時(shí)若改用殼元素,則可兼顧運(yùn)算時(shí)間及準(zhǔn)確性。

五、網(wǎng)格建構(gòu)技巧

1.善用分模線

在模型中有圓孔或圓角存在的地方,常常容易造成應(yīng)力集中。改善這些區(qū)域的元素品質(zhì),將有助于提高結(jié)果準(zhǔn)確度。此時(shí)利用SolidWorks的分模線功能,可以有效地幫助使用者在網(wǎng)格劃分上的應(yīng)用,如圖9所示。

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在圖9中,左上圖為預(yù)設(shè)的網(wǎng)格,我們可以發(fā)現(xiàn)在中間圓孔周圍的元素,與其他區(qū)域都一樣;左下圖為分析后看到圓孔的邊緣變形與結(jié)果顏色的分布,均呈現(xiàn)塊狀;中上圖與右上圖在圓孔周圍加入分模線與網(wǎng)格套用控制。我們可以看到圓孔周圍的元素都被細(xì)致化,進(jìn)而得到右下圖較平順的分析變形結(jié)果與應(yīng)力分布。

有些模型中會(huì)有圓頂或橢圓型凸面存在,以往在這些像素上網(wǎng)格品質(zhì)并不容易控制。若利用不同的分模線將圓頂或橢圓型凸面切割開,便可以改善整個(gè)網(wǎng)格品質(zhì),如圖10和圖11所示。

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