基于COSMOSWORKS的尾盾有限元分析
基于COSMOSWorks的尾盾有限元分析
基于COSMOSWorks的尾盾有限元分析摘要本文模拟实际地质条件，确定该工况下，尾盾所受的载荷和约束。
利用有限元软件COSMOSWorks对尾盾进行模型简化、约束、加载、网格划分和分析，得到了一系列的计算结果，对实验盾构机设计提供了理论依据。
关键词盾构机；尾盾，COSMOSWorks；有限元分析1 概述盾构实际上是盾构机的简称，它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。
尾盾是盾构的主要组成部分。
尾盾的主要作用：在尾盾区域进行管片的安装和拼装工作，同时尾盾也起到支护围岩的作用；尾盾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料等物质从尾盾与衬砌间隙进入盾构内；尾盾注浆；尾盾注脂。
在试验平台的研发中，采用COSMOSWorks对尾盾进行有限元分析。
COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，同时作为SolidWorks的插入式分析软件，更方便实体结构模型的建立。
同时，提供了常用的单元库、材料模型库和求解器等，极大提高了产品的开发效率和质量。
2 尾盾结构特点尾盾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少注浆工作量和施工成本，对地层扰动范围也小有利于施工，但尾盾也需承担垂直和水平土压力、水压力、自重、上覆荷载等载荷力。
所以其厚度应综合各因素来确定。
本实验盾构机尾盾设计的特点是尾盾的厚度均匀统一。
并将所有的在尾盾部位的管路都安装在尾盾的内侧。
相对于其它将注浆管和油脂管内埋于尾盾壳中的设计，此试验盾构机的尾盾没有厚度变小的薄弱区域。
3 尾盾载荷3.1模拟加载情况为了模拟真实的自然状态下的土质性质，采用一个方形的模拟土箱，上端用加载油缸，给土体加压相当于模拟35m覆土厚度的土压力，土箱内的水被加压相当于模拟水深30m水压力，模拟的情况如图1所示。
3.2尾盾载荷确定本试验盾构机尾盾基本参数如表1。
4 尾盾的有限元分析4.1尾盾的三维模型采用SolidWorks软件对尾盾进行实体建模。
基于SolidWorks和Cosmos的模具结构三维设计及有限元分析
2004年4月第21卷第2期沈阳航空工业学院学报Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering Apr.2004Vol.21 N o.2文章编号:10071385(2004)02004402基于Solid Works 和Cosmos 的模具结构三维设计及有限元分析包明宇 曹国强(沈阳航空工业学院机械与汽车学院,辽宁沈阳 110034)摘 要:复杂结构注塑模具的设计和强度、刚度分析是注塑行业的重要难题。
利用Solid Works 三维设计软件实现了注塑模具的三维实体建模,并运用COSM OS/Wo rks 软件对注塑模具的典型部件进行了有限元分析,验证设计的零件是否符合实际工作情况是实现注塑模具现代化设计的重要途径。
通过G earT r ax 2001Plus 、T oolbox 等外挂、内挂插件的使用,大大地简化了建模过程,克服了原有设计方法的不足,为解决较复杂的结构设计和理论分析问题提供了一种新的途径。
关键词:三维设计;有限元分析;注塑模具;建模中图分类号:T G24文献标识码:A注射模具的结构是由注射机的形式和制件的复杂程度等因素决定的。
凡是注射模具,均可分为动模和定模两大部分。
注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统,开模时动模与定模分离,取出制件。
定模安装在注射机的固定板上,而动模则安装在注射机的移动模板上。
根据模具上各个部件所起的作用,可细分为成型零部件、浇注系统、导向部分、分型抽芯机构、分型抽芯机构、螺纹型芯和芯圈的退芯机构、冷却和加热机构等部分[1](如图1所示)。
图1 模具结构图示(1)凹模的设计成型塑件外表面的零件称为凹模或型腔。
凹模的结构形式可分为整体式,整体嵌入式,局部镶嵌式,组合式等。
本文采用组合式凹模设计方法。
设计时应尽量应下列要求:收稿日期:20031104作者简介:包明宇(1968),女,辽宁彰武人,讲师将型腔的内形加工变为镶件或组合件的外形加工。
运用COSMOSWorks对螺旋钻机齿轮轴进行有限元静态分析
第２ ６卷 第 ３期
２０ 年 晒 月 ｏ８
佳 木 斯 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ｉ ｕｉ ｎ ｅｓｙ（ ａ ｒ ｃ ｎｅＥ ｉｏ ） ｏｒａ ｏ Ｊ ｍ ｓ Ｕ ｉ ｒｔ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ｄｔｎ ａ ｖ ｉ ｕｌ ｅ ｉ
用下的节点应力 、 应变、 位移和变形图解 ． 表 １ 不 同圆角 半径分 析 结果 比较
３ 结 论
螺旋钻机减速器 中齿轮轴结构 的应力分布和 变形机理是设计 的难 点 ， 应用 Ｃ Ｓ ｏ Ⅳ 有 限 ＯＭ ｓ ０ 元分析软件， 可以使有分析要求但又缺乏有限元知 识的工程师们方便快捷地完成对这一装置的静态 特性分析和强度校核 ， 找出设计 中的薄弱环节 ， 为
Ｖ １２ ｏ． ０ ．６ Ｎ ３ Ｍａ ２ ０ ｙ ０８
文章编号：０８一ｖｏ （ｏｓｏ １０ ） ２ｏ ）３一Ｏ４ ２ ３ ＇８—０ ２ ＂
运 用 Ｃ Ｓ Ｓ ｒｓ 螺 旋 钻 机 齿 轮 轴 Ｏ ＭＯ Ｗｏｋ 对 进 行 有 限 元 静 态 分 析
乔春 蓉
ｌ 黑龙江八一农垦大学工程学院 ． 黑龙江 大庆 １３ １） ６３ ９ Fra bibliotek维普资讯
第３ 期
乔春蓉 ： 运用 Ｃ Ｓ Ｏ Ｗｏ ｓ Ｏ Ｍ Ｓ ｒ 对螺旋钻机齿轮轴进行有限元静态分析 ｋ
３９ ４
２ ２ 栽 荷施 加及约 束 的处 理 ．
要实现对齿轮轴结构的静态分析 ， 必须合理确 定载荷大小和约束条件 ． 对于该结构 ， 工况较 为简 单， 载荷为 ７３ ・ ３Ｎ ｍ的扭矩 ， 齿轮轴两端面施加 ． 在 约束条件为中间圆柱底面固定 ．
图 Ｉ 齿轮轴三维有 限元 冈格模型
转速 ， ２ ｄ ｉ ｌ：１０ ｒ ｎ ａ
基于COSMOSWorks的钢制压力容器有限元分析
ｃ ｕａ ｌｂｌｙ ｐｉ ｅ ｅｉ ｆｒｈ ｅｓｒｖｓｅ ａｃｒ ｙａｄｅｉ ｉｔｏｏｔ ｚｄｄｓ ｎｏ ｅ ｒｓｕｅ ｅｓｌ ｃ ｎ ｒ ａ ｉ ｆ ｍｉ ｇ ｔ ｐ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｓ ｕ ｅｖ ｓ ｅ ； ｉ ｉｅ ｅ ｅ ｅ ｔ ｎ ｌ ｓ ； ｙ ｗｏ ｄ ： ｓｇ ｆ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ Ｆ ｎ ｔ ｌｍ ｎ ａ ｙ ｉ ＣｏＳ ｏＳ ０ ｋ ｐ ａ ｓ Ｍ Ｗ ｒｓ
【 摘
要】 压力容器设计的常规方法是采用薄膜理论和第一强度理论进行设计， 以保证压力容器
不允许 出现 塑性 变形 的前提 下确定 主要 受压 元件 用材 和焊缝 系数 。由于在设 计 中未对 实际应 力进行 严
格而详细的计算， 设计选取的安全 系 数较 大， 经济性不好。利用 Ｃ Ｓ Ｏ Ｗｏ ｓ Ｏ Ｍ Ｓ ｒ 软件 的有限元分析功 ｋ 能， 模拟 实例容器加载后的应力、 变、 应 位移情况， 揭示出了压力容器承载时的应力分布规律和变形情 况， 进而对初步设计进行修改和优化 ， 达到节约材料或明确工作能力的潜力的 目的， 为实现压力容器优 化设计的准确性和可靠性提供 了一个有效途径。 关键 词 ： 力容器设 计 ； 限元分析 ； ＯＳＭＯＳ ｒｓ 压 有 Ｃ Ｗｏｋ 【 ｂｔ ｃ 】 ｈ ｔｄｔ ｎｌ ｅ ｇ ｐｅ ｕ ｅ ｅ ａｏｔ ｕｌ ａ ｄｏ ｅ ｅ ｂ ｌ ｔ ｏ Ａ ｓ ａｔ Ｔ ｅ ｒ ｉｏａｄｓ ｎｏ ｒ ｓｒ ｖｓ ｌ ｐｅ ｉｕ ａ ｙ ｓ ｎ ｈ ｍ ｒ＇ ｈ ｒ ｒ ａ ｉ ｉ ｆ ｓ ｅ ｓ ｄ ｄ ｓｓ ｌｂ ｅ ｔ ｍ ａ ｅ ｙ ￣ ａ ｄｔｅ ｒ ｒｎ ｔ ｅ ｒ ｈｃ ｅｉ ｕｐ ｓ ｉｔ ｄ ｔ ｍ ｎ ｅｍａ ｒ ｌ ａ ｄｗ ｌｉｇｓａ ｏ ｆｃ ｎ ｎ ｓ ｓ ｅ ｇｈｔ ｏｙｗ ｉ ｄ ｓ ｐ ｒｏｅ ｓ ｏ ｅｅ ｉｅｔ ｔ ｉ ｓ ｅｄｎ ｌ ｃｅ ｉ ｔ ｈｆ ｔｔ ｉ ｈ ｈ ｎ ｇ ｒ ｈ ｅａ ｎ ｅｎ ｆ ｅ ｉ
solidworks进行有限元分析的一般步骤
1.软件形式：㈠. SolidWorks的内置形式：◆COSMOSXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。
㈡. SolidWorks的插件形式：◆COSMOSWorks Designer——对零件或装配体的静态分析。
◆COSMOSWorks Professional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。
◆COSMOSWorks Advanced Professional——在COSMOSWorks Professional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。
㈢. 单独发行形式：◆COSMOS DesignSTAR——功能与COSMOSWorks Advanced Professional相同。
2.使用FEA的一般步骤：FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法…①建立数学模型——有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法：▲特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。
▲理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，COSMOSWorks会自动地创建曲面几何体）。
▲清除：因为用于划分网格的几何模型必须满足比实体模型更高的要求。
如模型中的细长面、多重实体、移动实体及其它质量问题会造成网格划分的困难甚至无法划分网格—这时我们可以使用CAD质量检查工具（即SW菜单: Tools→Check…）来检验问题所在，另外含有非常短的边或面、小的特征也必须清除掉（小特征是指其特征尺寸相对于整个模型尺寸非常小！但如果分析的目的是找出圆角附近的应力分布，那么此时非常小的内部圆角应该被保留）。
盾构机结构有限元分析规范
盾构机结构有限元分析参考规范一． 盾体的有限元分析（结构静力学分析）明确分析对象与分析类型。
盾体载荷分布形式：图1 盾体载荷分布1.1 中盾1.1.1 中盾模型建立采用solidworks 或者Proe 三维建模软件，建立起盾体的三维模型，如图2a 。
三维模型建立后单独备份有限元分析模型。
分析模型是设计模型的合理简化，是将设计模型上所开的坡口、设计圆角、倒角、影响不大的孔等进行处理，一方面可以降低计算量，提高计算效率，另一方面对坡口、焊脚的处理可以更为接近模型的实际状态。
同时，在对模型进行处理过程可以防止在后续分析过程中出现由于结构的拓扑退化现象而造成分析失败。
处理之后的模型结构如图2b 所示。
图2a 设计模型 图2b 分析模型图2 中盾设计模型与分析模型1.1.2中盾前处理与分网将简化处理后的模型转换为STEP（或者IGES、X_t）格式，并导入ANSYS workbench中，定义模型材料属性，弹性模量E=200Gpa,泊松比为0.3，密度为7.8e-6Kg/mm3。
对模型进一步切分与分网，如图3所示。
图3 中盾模型分网1.1.3边界条件施加（力的边界条件与位移边界条件）由图1所示的盾体载荷分布情况，分别计算垂直于侧向水压于土压，分别施加在盾体外壳表面。
对于施加在盾体侧向压力为梯度载荷，需要根据载荷梯度情况编程施加。
在整体坐标系的Y向施加重力加速度g以考虑盾体自身重力。
中盾与前方切口环采用螺栓连接，同时切口环连接处结构具有较好的刚度，因此在施加约束时将切口环与中盾连接表面视为固定约束。
图4 中盾模型边界条件施加1.1.4求解与后处理定义了边界条件后，在WB求解模块输入关心的应力应变以及位移参数，求解。
图5 中盾变形与等效应力云图图6 中盾变形与应力随圆周位置变化曲线1.2尾盾1.2.1尾盾前处理尾盾的分析过程与中盾类似，同样是对盾体进行三维建模，导入，前处理以及分网设定边界条件以致求解，后处理的过程。
基于COSMOSWorks的减速机后壳体有限元静力分析
Ｃ Ｍ ０Ｓ ｏ ｋ ０Ｓ Ｗ ｒ ｓ插 件 对 其 进 行 静 力 分 析 是 一 个 很 方 便
有 效 的方法 。
首 先 选用 了 Ｑ ４ ０ １ Ｔ ０ — ５球 墨 铸 铁 作 为 减 速 机 外 壳
体 的 应 用 材 料 ， 用 Ｓ ｌ Ｗ ｏｋ ２ ０ 的 Ｃ Ｍ０Ｓ ｏ ｋ 利 ｏｉ ｄ ｒｓ０ ７ ｏＳ Ｗ ｒｓ
网 格 划 分 。 在 以 上
步 骤 进 行 完 毕 后 。 可 以
进 行 网 格 划 分 。 由 于 零
部 件 装 配 体 结 构 较 复 杂 ．所 以 使 用 二 阶 实 体 四 面 体 单 元 来 划 分 网
格 。 由 于 二 阶 四 面 体 单
径 向 力 通 过 减 速 机 前 端 大 轴 承 作 用 于 后 壳 体 外 壳
收 稿 日期 ：０ ０年 １ ２１ ２月
机械制造４ 卷 第 ５ １ ９ ６期
２ ／ 回 ０５ １ １
合 ＞和 ＜兼 容 网 格 ＞选 项 。＜ 容 网 格 ＞ 项 可 兼 选 以保 证 在 网 格 划 分 时 ．
两 零 件 接 合 区 域 达 到 更
精 确 的 结 果 ， 图 ７ 如 。
栓 螺 母 将 底 架 和 后 壳 体 紧 固 连 接 。 图 ６所 示 ， 择 添 如 选 加 载 荷 ／ 束 中 的 ＜ 头 ＞， 选 择 ＜ 栓 ＞ 约 接 并 螺 。
选 择 接 触 ／缝 隙 ， 假 想 后 壳 体 和 底 架 由 于 螺 栓 紧
固 而 不 能 相 互 分 离 ， 则 可 以 选 择 ＜ 局 接 触 ＞中 的 ＜ 全 接
２ １ ／ ０ １５
机械制造 ４ 卷 第 ５１ ９ ６期
分 析 结 果 。 网 格 划 分 完 成 并 运 行 分 析 后 ， 得 到 在 将 ｖ ｎ Ｍｉｅ ｏ ｓｓ应 力 、 移 和 应 变 图 解 ， 可 在 ＜图 表 选 项 ＞ 位 并
盾尾椭圆形结构有限元分析及强度验算
1引言盾构机尾部在内部和四周岩土的综合作用力下,引起盾尾分块间微小的弧形误差和机械应力变形,造成盾尾呈椭圆形。
本文利用ANSYS 系统进行建模分析[1],结合南京某区间盾构实际案例,通过建立盾尾荷载力学模型[2],利用有限元建模和解析方法对盾尾立体结构进行仿真计算,剖析出案例工况条件下盾尾椭圆度等效应力云和总变形云,解读盾尾产生的屈服形变,解析盾壳最薄弱结构的强度及应力分布,从而对盾尾强度可靠性进行验算,避免盾尾形变量超过工艺要求[3]。
2尾盾载荷力学模型首先,对盾构机在岩土中的情况进行分析,厘清盾构机盾尾处受到的各种载荷状况,建立盾尾的荷载约束关系[4],并对力学载荷进行图形标识,如图1所示。
地基反力垂直荷载的反力自重反力地基反力水压土压水压土压水压土压σw 顶σV P v =σw 顶+σV G 0Eσw 中90°90°90°45°σW 顶—顶部水压;σy —顶部土压;σW 中—中部水压;σv —下部水压;E —中部土压;P v —垂直载荷;G 0—自重反力图1尾盾力学模型3绘制尾盾三维模型在SolidWorks 程序中建立盾尾三维模型。
建模时,为了尽量减少结构上微小材质和细小差异因素的干扰,对三维图形中进行如下简化:删除尾盾中所有小半径圆角、倒角、螺栓孔、【作者简介】陈明江（1977~），男（苗族），湖南靖州人，高级工程师，从事土压、泥水、TBM 各种盾构设备性能和技术研究。
盾尾椭圆形结构有限元分析及强度验算Finite Element Analysis and Strength Checking on the Rear Elliptic Part of TBM陈明江，陈昕琰（中交天和机械设备制造有限公司，南京211800）CHEN Ming-jiang,CHEN Xin-yan(Zhongjiao Tianhe Machinery Equipment Manufacturing Co.Ltd.,Nanjing 211800,China)【摘要】通过分析盾尾应力和形变云的方法，结合实际案例，利用ANSYS 系统建立盾尾荷载力学模型，采用有限元建模和解析方法对盾尾立体结构进行仿真计算，计算实际案例中各项荷载对盾尾结构的不同影响，推导出盾尾内外应力负载，对其伸缩形变做量化分析。
COSMOS有限元分析理论基础
华睿在线技术专刊COSMOS 有限元分析理论基础Comos 系列软件是由 SRAC 公司推出的业界著名有限元分析系列软件,它以简单易用, 功能强大并且分析快速而准确而著称.利用 Comos 的软件功能,使工程师能在产品开发过 程中达到设计分析的能力.正是由于以上的原因,该软件也越来越被广大用户所欢迎,在整 个业界受到了越来越多的应用. 要掌握 Comos 系列软件相对于其他分析软件要简单的多,但是毕竟它也是属于有限元 的范畴, 这里我就一些有限元的基本理论作一个简单的概述, 以使大家对这块儿基本理论有 一个大概的了解,为有限元的分析打下良好的基础.一,什麽是 FEA?先来看看什么是 FEA/M.我们先看看他们的全称: FEA 是 Finite Element Analysis 英文的缩写,意思是有限单元分析; FEM 是 Finite Element Method 英文的缩写,意思是有限单元分方法; 所以,我们可以这样认为,FEA 是一种 将复杂的几何模型离散分解成许多简单的小块 的 分析方法或手段 学过理论力学的人都知道, 我们在现实世界中传统的方法就是利用解析方法来处理相关 问题,比如对于一个梁的受力情况分析.这种分析的方法在处理这些问题的特点显而易见, 首先要求该分析的人员要具备一定的理论知识, 对于这类哪怕是最简单的对象的分析处理也 比较复杂,复杂的分析量就会大幅度上升.看看下面的例子,对于这种钢结构的分析使用这 种方法也能找到解决的方法,但是我想大部分的人都会对它的大量计算感到为难.类似的问题在现实的例子中会有更加多的例子, 可见这样的问题我们使用传统的方法无疑 遇到了瓶颈,理论上方法可解,但是事实上无解.但是我们如果采用有限元的分析方法,他 们都是可以解决的.这也是之所以现今我们在讨论有限元方法的原因.二,FEA 在工业中的作用那 FEA 到底能给我们带来什么呢?…… 我们来看看它的一些作用: 1. CAD 和 FEA 的结合使得在实际工作中使用 FEA 方便简单 2. 在设计中使用 FEA 可以大大减少 (但不是替代) 建物理样机和试验 3. 通过使用 FEA, 设计可以更优,减少重量体积 并且提高可靠性 要认清 FEA 在工业中的作用,要注意 FEA 并不只强调自己 ,FEA 要在设计中发挥作用不 开物理样机的实验. 我们来看看下面的例子:--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊 物理实验 – 金相检查 – 各种仪器 (昂贵) 检测 – 重新设计重新试验FEA -了解到各种工况数据 -看到失效形式 -找到危险和没危险的零部件我们试了又试但仍 不知道它为什麽会 坏三,FEA 的一些术语解释我们接下来看看这个网格的具体含义: 一个离散化的模型,代表实际三维物体 我们把实际三维物体分割成一定大小的网格,这样就把一个连续 介质的物体分解成离散化的模型,网格的大小决定其相似程度,网格 越小,相似程度越高,离散化的模型就越接近真实物体,但有限元的 计算也会随之增加. 有限元模型由单元和节点构成 有限元的模型总是由单元与节点构成的.单元用于处理微观 的应力应变的问题,节点用于处理微观位移以及受力的问题 单元与节点在有限元中的处理 应力应变在每个单元中被计算 力和位移在每个节点被计算 单元通过节点相互作用 单元可分为两大类 连续介质(实体, 二维薄板) 结构 (梁, 壳) 上面也算是有限元分析方法的本质所 在了.系统先将实体有限元化,也就是 把实体分解成单元与节点,然后再通过 计算各个单元的应力及应变, 计算出节点 的位移以及受力, 再计算出整个实体的各 种分析结果.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊四,在 FEA 中求解的方法(使用直接位移的方法) 位移被假设是未知的 每个节点有六个可能的位移自由度 (DOF), 即:ux, uy, uz, qx, qy, qz – 根据单元类型不同,每个节点的自由度情况也不同 在 2D 中的连续单元仅有 ux 和 uy 在 2D 中的结构单元仅有 ux, uy,和 qz 在 3D 中的连续单元仅有 ux, uy 和 uz 在 3D 中的结构单元有 所有六个自由度 所有存在的自由度都对应有相应的力和矩 结构分析基础 有限元用于机构分析的理论基础主要是下面三个方程式:平衡方程施加在一个单元上的外力之和为零 这里的这个方程很多人在学物理的时候都 接触过,也就是在平衡状态下面,一个物体 在各个方向上所受的力的总和为零.这里我们把 物体理解为单元.通过这个方程式我们可以列出 其力学方程式.变形协调方程单元节点位移和单元应变的关系 节点力和单元应力亦如此 这个方程式就是用来处理单元与节电之间 的关系的方程式.平衡方程式可以求解除单元 的应力,通过这个方程式我们求解除单元的应 变与单元节点的位移.同理,我们也可以单元 节点处的力的大小. {εi} = [B] {u}应力应变关系(虎克定律)又称为物理方程 定义应力 (s) 和应变 (e)关系 在该关系方程中 [C] 是一个 6X 6 的矩阵 {s} = [C][e}--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊方程式说明看下图:100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 0.2σ= E εValid over the elastic rangeσ (ksi)五,FEA 中的边界条件Stress/Strain for Steel0.40.60.8ε (%)在有限元分析中的边界条件代表实际物理模型和它 周边物体之间的相互作用关系.分析整个系统在很多时 候既不实际也没必要,通过使用边界条件一个系统级的 分析, 可以简化成对一个零部件级的分析. 看看右边这个模型,要对其进行分析,除了我们前 面讲到的方法,其实还要知道它的边界条件.这里我们 可以把边界条件通俗的理解为这里面其中一个物体的可 能被定义方式,比如里面一跟轴的配合关系以及整个零 部件的可动性. 我们在有限元的时候要建立这样的概念, 就是要确定其自由度的受约束性.物体的自由度问题 自由物体有六个自由度( RIGID BODY MODES) , 一个 (RBM) 是一个可能的运动 ,存在有可能的运动 的方向不能有变形. 自由物体有三个移动自由度和三个转动自由度在 COSMOS 软件中定义物体边界条件的过程就是 定义其约束的过程.所以在分析一个物体之前,定义 其约束关系的步骤是必需的.定义的约束我们要遵循 以下的原则: 1.约束条件忠实地反映实际工况 2.刚体六个运动自由度必须被约束掉--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊接下来我们来看看在 COSMOS 软件中常用 FEA 等效的约束种类: – 悬臂梁约束 悬臂梁约束 所有的移动和转动都被约束– 导槽约束 仅有一个移动自由度 导槽约束轮廓约束– 轮廓约束 所有的转动被约束仅允许一个 移动自由度--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊– 铰链约束 所有的移动被约束仅允许一个转动自由度铰链约束– 球铰约束 所有移动被消除, 所有转动被允许球铰约束球支撑约束– 球支撑约束 垂直移动被消除 允许绕铅垂轴转动--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊当然,我们在 COSMOS 的新版本里面还见到了一些新的约束方式,这里不再祥谈,上面的 这些是有限元里面常见的方式.六,FEA 中的载荷载荷是什么? 是物体所受外部条件的力的统称 施加在物体外表面的力 称为外力 – 如集中力和压力 施加在物体内部的力 称为体力 – 如重力,离心力,温度应力 有限元处理前给被分析的模型定义其载荷也是所需步骤, 我们往往会参照实际的情况给模型 定义一个接近实际情况的载荷.七,理解有限元分析的过程下面我们通过图形来讲解 COSMOS 软件分析的一般过程: 先看看下面有限元前处理的过程 我们首先利用建模软件产生零件模型(这里的工作可以由 SOLIDWORKS 软件来完成)---〉 然后系统开始划分单元----〉接下来建立单元刚度矩阵---〉再产生总体刚度矩阵---〉然后把 外部的约束定义到环境当中---〉 再把外部载荷定义到环境当中---〉 根据前面的条件建立系统 线性方程组---〉线性方程组求解产生几何模型 划分单元 产生单元刚度矩阵[B] 和几何形状有关, [C]和材料有关[ki] = [B]t[C][B] [K] {u} {f}产生总体刚度矩阵加约束 加载荷建立系统线性方程组 解线性方程组 {u}{f} = [K]{u} [K]-1 {f} = {u}上述就是传统意义上的有限元前处理.Cosmos 软件在这个过程中大部分都是自动完成 的,我们只是需要定义一些参数,比如网格的类型,大小等等,零件模型的约束以及零件的 载荷.但是熟悉上述过程有助于我们在分析中解决碰到的问题,直到它的运作过程,可以更 好的找出疑难问题的解决方法.下面看看有限元后处理的示意图: --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7 ------wqh469 Wqh469@华睿在线技术专刊这里的过程也比较简单: 利用前面的方程式计算各个单元的应变—〉 计算各个单元的应力---〉获得每个单元的单元应变{εi} = [B] {u} {σi} = [C] {εi}计算单元应力显示结果图再进行总体计算 事实上,有限元分析的基础理论内容并不是 COSMOS 用户必须需要掌握的,哪怕是对 这些内容相当陌生的工程师一样能够利用 COSMOS 系列软件进行分析,我们在这里讨论这 些是满足那些深层次人员的需要. COSMOS 软件的特点很想使一台市场上的时尚数码相机, 不是摄影的专业人士能够利用它来进行清晰的"到此一游"型的照片,那些摄影的爱好者也 可以利用其强大的手动功能来拍摄出各种各样的艺术化的照片效果. 最后,我不得不说明的是,这篇文章是我仓促整理的结果,很多地方还没有经过十分严 格的取证,难免有一些错误的地方,在这里期待与大家一起共同交流提高.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 ------wqh469 Wqh469@。
COSMOS有限元分析
1 COSMOSWorks基础
主讲:
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
• 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。
（a）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
（3）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。
• 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
（1）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。
COSMOS与其他有限元分析软件的比较
COSMOSWorks与其他有限元分析软件的比较: COSMOSWorks是SolidWorks环境下优秀的有限元分析软件.现在，企业面临的最大挑战是怎样快速地推出可以信赖的高品质产品。
达到这一目标的途径只有缩短产品的设计周期、降低产品的制造成本。
这样的问题对稍有一些头脑的人都是可以提出来的，问题是如何去缩短？怎样来降低呢？在一个现代化的企业中，CAD/CAM已经减少了不少设计者的负担，原来被视为CAD/CAM 中配角的CAE（计算机辅助工程）已经不再是以前的可有可无了，现在已经是高品质设计中不可缺少的重要一环，CAE不仅可以减少CAM中制造实体模型的次数，还可以帮助设计者在CAD中合理去建构几何实体模型。
因此合理运用CAE可以缩短产品的开发时间，减少产品制造的成本。
这也从一个侧面说明，在整体效益上看，CAD/CAE/CAM已经是不可分割的了，并且向集成化的方向发展是一个必然趋势。
说的具体一点，CAE可以使企业达到现代化的水准，即可以：1、缩短设计所需的时间和降低设计成本。
2、在精确的分析结果下制造出品质优秀的产品。
3、对设计变更能快速作出反应。
4、能充分地与CAD集成并对不同类型的问题进行分析。
5、能准确地预测产品的性能。
怎样选择CAE软件?CAE在企业中属高深层技术的范畴，因此，选择CAE软件产品应从技术的角度入手，但软件的计算速度、分析问题所需的硬盘空间、软件的使用方便性、软件的分析功能、与其它CAD/CAE软件的集成性，是评价CAE软件的基本准则。
目前在全球范围内的CAE软件产品是非常多的，如COSMOS、ANSYS、NASTRAN、PATRAN、ADINA、SAP、MARC、ASKA、RASNA、JIFEX（国产）等。
下面将美国加州理工学院Paul M. McEcroy博士对一些CAE软件的测试结果公布于此，供一些企业参考。
值得一提的是Paul M. McElroy博士是完全站在公正的、中立的立场上进行这项工作的，并且这些结果已经得了其它有关专家的进一步证实，目前已经成为国际公认的结论。
COSMOS有限元分析
（2）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。
• （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。
• 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CAE软件简介
• 1.MSC系列工程分析软件
3 CAE与CAD/CAM
• CAD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。
• 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）
Solidworks有限元分析教程
Hoop Stress (tangential):
Select “Axis1” and then define stress plot in Y-direction (radial to the axis). Select deformation scale=1 Right-click on the stress plot icon “plot2” and then select”List selected”
COSMOS/Works 温度分析示例 ................. 13
线性静力分析：定义专题 .............................13 线性静力分析：定义材料属性 .....................14 线性静力分析：网格划分 .............................30 线性静力分析：定义约束 .............................42 线性静力分析：定义载荷 .............................47 线性静力分析：求解 ....................................54 线性静力分析：观察结果 .............................55
Cosmos/Works的用户界面
Cosmos/Work模型 / 有 限元模型之间进 行切换显示 对当前专题进行计算
生成有限元网格 定义材料 定义、修改、删除专题
Cosmos/Works的选项对话框
Cosmos/Works线性静力分析
例1.支座分析 例2.轴承载荷 例3.壳单元，静水压 例4.Motion，远端载荷
前处理
建立分析对象的有限元模型
solidworks三维设计cosmos运动仿真simulation有限元分析
Ansys培训Solidworks培训有限元分析机构运动仿真Animator动画仿真、CosmosWork有限元分析：强度、安全系数、正应力、撞击掉落测试、机构尺寸优化、频率分析、扭曲分析、疲劳分析、设计情形等。
CosmosMotion机构运动仿真：机构零部件的质心加速度、角加速度、瞬时速度、动量、动能等运动几何关系数据并输出数据表格及曲线图等。
COSMOS的详细功能模块(1)、前、后处理器（GEOSTAR）GEOSTAR是一个在交互图形用户环境中完全结合特征几何造型和前后处理的处理器。
作为最直观的前后处理器之一，GEOSTAR解决复杂模型问题很容易。
把COSMOS/M的结构、热力、流力、电磁和优化模块加在一起。
(2)、静力分析模块（STAR）静力分析模块提供了一个完全集成的带有强大静态分析性能的前后处理器，它将在操作环境中即时显示设计过程。
(3)、频率及挫屈分析模块（DSTAR）使用DSTAR你能确定在真实的操作环境下，你的设计时怎样进行的。
它可以评估出自然频率和系统相应的模式形状。
DSTAR也能计算挫屈载荷和相关的挫屈问题特征模式形状。
(4)、热效分析模块（HSTAR）热效分析模块用来分析稳态和瞬态加热条件如对流、传导和辐射问题（二维和三维），计算温度，温度梯度和热流，解算模拟场应用。
(5)、非线性分析模块（NSTAR）非线性分析模块提供二维和三维非线性静态和动态分析功能，包括大位移，大塑性，超塑性，粘性，蠕变，非线性热力和柱体挫屈分析，也能够研究三维模型交叉曲面的非线性接触问题。
(6)、疲劳分析模块（FSTAR）疲劳分析模块分析在循环机械和热力载荷的影响下，机构受到的疲劳程度。
FSTAR将提示你产品的疲劳周期影响并显示疲劳破坏的断面。
疲劳分析模块计算局部和整体疲劳使用系数，列出选择点的综合应力结果，显示出疲劳云图、矢量云图，在疲劳断裂发生的部位应用高亮的颜色表示。
(7)、优化和灵敏性分析模块（OPTSTAR）优化和灵敏性分析模块提供结构和热应用问题的二维和三维尺寸和形状优化和灵敏度分析方案，进行优化设计。
基于COSMOSW0rks的底座有限元分析
（ （ 总第 ２ ２ ４期） 四圈圃咽
摘 要 ： 采用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗｏ ｒ ｋ ｓ实现 全 自动 划 片机 的三 维 建模 ， 在 Ｃ ＯＳ ＭＯＳ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 有 限元仿 真环 境 下 ， 对Ｙ Ｚ 向工 作 台底 座 进行 变形 位 移分 析 ， 通过 不 同给 定距 离的模 拟 ， 确 定 最优 的后 支撑 点与 后 边
Ｔｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｂ ａ ｓ ｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ＣＯＳ Ｍ ＯＳ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ
Ｙ ＵＥ ｙ ｕ ｎ ，ＣＨ ＡＮ Ｇ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ，ＬＩ ａ ｏ ｒ ａ ｎ， Ｙ ＡＮ ｑ ｉ ｌ ｉ ａ ｎｇ
全 自动 晶 圆 划 片 机 是 集 成 电 路 半 导 体 加 工 后 封 装 工 艺 中最 重 要 组 成 部 分 。 在 半 导 体 封 装 产
真 环 境 下 ，对 Ｙ ｚ 向工 作 台 底 座 进 行 变 形 位 移 分 析， 通 过 模 拟 不 同 的给 定 距 离 ， 确 定 最 优 的 后 支 撑 点与 后 边 缘 距 离 ， 为 其 进 行 优 化 结 构 设 计提 供 了 重 要 的参 考 依 据 。
ｆ Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ｄ ｉ ａ ｎ ｋ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ７ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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基于SolidWorks设计及有限元分析在机械工程中的应用
基于SolidWorks设计及有限元分析在机械工程中的应用作者：周学斌一、引言南阳锐欣石油机械公司的工程技术人员在近几年的设计技术应用中不断将现行的优秀设计软件应用在实际产品的设计中，从以前的手工制图，到现在利用多种设计软件如Auto CAD 软件、SolidWorks软件、Pro/E软件等，通过不断将这些软件应用在工作中，大大减少了设计失误，提高了设计效率，降低了设计成本，缩短了设计周期，更好的有益于企业产品质量与效益的提高。
在这些现代机械设计软件中，我们可以更好的利用先进的设计理论与方法极大的提高设计时效。
与以往的手工制图相比，现代设计软件完全可以实现设计结论展现设计思想，设计过程体现设计思路。
设计分析查找设计失误，设计报告验证设计成果。
为了更好的验证设计成果，需要对所设计的产品进行有限元分析。
在当前的许多设计软件中有的能够自身进行有限元分析，如SolidWorks软件、Pro/E软件等，还有专门用于有限元分析的软件，如ANSYS、NSTRAN等，但是由于这些专业分析软件的机械CAD功能相对较差，往往难以完成复杂模型的建模与分析，因此大大影响了工作效率。
而SolidWorks拥有功能强大的机械CAD模块，且有较好的零件连接性能，还拥有更全面性的工具，可以推动产品的创新，以及通过Intemet与人员和信息实现互通功能，再利用其系统提供的有限元分析模块，就可以方便、快捷的完成有限元分析的前处理工作，然后将建好的有限元模型导入到相应的仿真分析插件中进行分析、计算、再优化、形成结论。
还可以验证设计中的错误，检查装配零部件的干涉情况，大大提高个人乃至整个有限元分析工作过程的效率。
本文就泥浆罐的参数化设计及个别重要零部件为例，来说明SolidWorks软件设计的方便性与高效性。
二、SolidWorks的设计特点SolidWorks具有强劲的实体建模能力和易用友好的Windows界面，形成了三维产品的设计标准。
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基于COSMOSWorks的尾盾有限元分析
摘要本文模拟实际地质条件，确定该工况下，尾盾所受的载荷和约束。
利用有限元软件COSMOSWorks对尾盾进行模型简化、约束、加载、网格划分和分析，得到了一系列的计算结果，对实验盾构机设计提供了理论依据。
关键词盾构机；尾盾，COSMOSWorks；有限元分析
1 概述
盾构实际上是盾构机的简称，它是一个横断面外形与隧道横断面外形相同、尺寸稍大，内藏挖土、排土机具，自身设有保护外壳的暗挖隧道的机械。
尾盾是盾构的主要组成部分。
尾盾的主要作用：在尾盾区域进行管片的安装和拼装工作，同时尾盾也起到支护围岩的作用；尾盾末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料等物质从尾盾与衬砌间隙进入盾构内；尾盾注浆；尾盾注脂。
在试验平台的研发中，采用COSMOSWorks对尾盾进行有限元分析。
COSMOSWorks是一种基于有限元分析技术的设计分析软件，同时作为SolidWorks的插入式分析软件，更方便实体结构模型的建立。
同时，提供了常用的单元库、材料模型库和求解器等，极大提高了产品的开发效率和质量。
2 尾盾结构特点
尾盾厚度应尽量薄，可以减小地层与衬砌间形成的建筑空隙，从而减少注浆工作量和施工成本，对地层扰动范围也小有利于施工，但尾盾也需承担垂直和水平土压力、水压力、自重、上覆荷载等载荷力。
所以其厚度应综合各因素来确定。
本实验盾构机尾盾设计的特点是尾盾的厚度均匀统一。
并将所有的在尾盾部位的管路都安装在尾盾的内侧。
相对于其它将注浆管和油脂管内埋于尾盾壳中的设计，此试验盾构机的尾盾没有厚度变小的薄弱区域。
3 尾盾载荷
3.1模拟加载情况
为了模拟真实的自然状态下的土质性质，采用一个方形的模拟土箱，上端用加载油缸，给土体加压相当于模拟35m覆土厚度的土压力，土箱内的水被加压相当于模拟水深30m水压力，模拟的情况如图1所示。
3.2尾盾载荷确定
本试验盾构机尾盾基本参数如表1。