COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

在傳統(tǒng)的有限元分析中,對于像產(chǎn)品部件這樣的,由各個零件組裝起來的裝配體或子裝配,大都是將部件視為一個零件,同時多數(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)人員對分析中細節(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)時的考慮等。

COSMOS Works不僅提供了對裝配體分析的支持,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)果與實際工況更為吻合,同時還可以將結(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)計人員可以對于眾多焊縫位置進行直觀的評估、研究。但是,對于同一結(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,并且沒有進行過深人的研究。

作者在為某開式壓力機機身進行強度計算時,首先在SolidWorks2003中分別建立了機身的裝配體三維模型和零件模型,然后利用COSMOS Workss2003有限元分析軟件對其分別進行數(shù)值分析,并將兩種分析進行對比,對上述問題進行了初步研究,同時結(jié)合SolidWorks以及COSM05 Works的功能特點,對裝配體和單一零件式有限元模型的優(yōu)缺點進行了對比,對兩種模型的如何使用提出了一些建議。

    二、計算工況

根據(jù)企業(yè)提供的圖紙,我們在SolidWorks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)。本文的計算工況是分析在壓力機60t沖壓力(設(shè)計允許的最大沖壓噸位)作用下,機身結(jié)構(gòu)的靜強度和最大位移。

    1.載荷,加載位置為工作臺面,60t ,豎直向隊前后兩個導(dǎo)柱孔分別加載30t ,豎直向上;
    2.約束,機身底座安裝面,豎直方向約束位移為零,4個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,機身自重5,47t.其材料屬性見表1:
    4.機身自重在本文的靜強度分析中沒有考慮。

COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片1

    三、有限元網(wǎng)格模型的對比

兩個模型在COSM0S Works中進行網(wǎng)格剖分時,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)果的對比。

COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

從上述網(wǎng)格模型的大小對比來看,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)果對比

    在有限元計算后,我們?nèi)∪鐖D3所示的4個參考點進行應(yīng)力、位移的研究,同時考慮機身整體的最大應(yīng)力和緩大位移、兩個模型的分析結(jié)果對比見表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 Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片4

COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片5

COSMOS Works兩種有限元建模方式數(shù)值分析的對比+應(yīng)用技術(shù)圖片圖片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%,作者認為這是參考點附近網(wǎng)格剖分的差攤所致,同時裝配體的網(wǎng)格模型可以更真實的反映焊接零件之間力流的分布和載荷傳遞。當然,通過網(wǎng)格細化,后者在參考點附件的差異會減小。

    五、兩種有限元模型的優(yōu)缺點

    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,造型和前處理花費的時間相對要少;但是對于多種材料、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功能方可實現(xiàn)。

    COSMOSWorks 對于裝配體模型方式的分析,為我們提供了更多的控制選項以及結(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行網(wǎng)格剖分后,每個焊接件之間"經(jīng)緯"分明,而民接觸面之間的節(jié)點可以一一對應(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行網(wǎng)格剖分時,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,使得我們可以對復(fù)雜模型的控制更靈活。對模型細節(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(有時還要指定實常數(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,一種材料就對應(yīng)這個零件或一組零件,可以零件為對象,一次選擇一個零件或一組零件來設(shè)置材料,這個一作一般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對裝配體管理的功能,先對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零部件,這樣對于焊縫位置,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)上述分析情況的對比,結(jié)合SolidWorks和C05MOS Works的功能特點,就結(jié)構(gòu)件在準備有限元模型時提出了一些建議。

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