搜索COSMOS Works两种有限元建模方式数值分析的对比
2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
在传统的有限元分析中,对于像产品部件这样的,由各个零件组装起来的装配体或子装配,大都是将部件视为一个零件,同时多数有限元程序也只支持单一零件的前处理。因而限制了技术人员对分析中细节的研究,比如,焊缝位置的研究、零件之间存在不同摩擦系数时的考虑等。
COSMOS Works不仅提供了对装配体分析的支持,还可以设定不同零件之间,或者不同接触面之间的接触/间隙类型以及不同的摩擦系数,使得分析结果与实际工况更为吻合,同时还可以将结果按照装配体爆炸的方式显示结果。利用分析结果,设计人员可以对于众多焊缝位置进行直观的评估、研究。但是,对于同一结构采用装的有限元模型,目前还是采用单一零件式的有限元模型,并且没有进行过深人的研究。
作者在为某开式压力机机身进行强度计算时,首先在SolidWorks2003中分别建立了机身的装配体三维模型和零件模型,然后利用COSMOS Workss2003有限元分析软件对其分别进行数值分析,并将两种分析进行对比,对上述问题进行了初步研究,同时结合SolidWorks以及COSM05 Works的功能特点,对装配体和单一零件式有限元模型的优缺点进行了对比,对两种模型的如何使用提出了一些建议。
二、计算工况
根据企业提供的图纸,我们在SolidWorks中先建立了三维装配体的几何模型.为保证几何模型结构的致性,我们将模型的三维装配体(.SLDASM)另存为零件模型(.Sf.DPRT)。本文的计算工况是分析在压力机60t冲压力(设计允许的最大冲压吨位)作用下,机身结构的静强度和最大位移。
1.载荷,加载位置为工作台面,60t ,竖直向队前后两个导柱孔分别加载30t ,竖直向上;
2.约束,机身底座安装面,竖直方向约束位移为零,4个地脚螺栓孔的位移约束为沿圆柱孔径向位移为零,沿圆柱孔竖直方向位移为零,
3材料为Q235A钢材,机身自重5,47t.其材料属性见表1:
4.机身自重在本文的静强度分析中没有考虑。
三、有限元网格模型的对比
两个模型在COSM0S Works中进行网格剖分时,采用同样的网格设置,即单元类型为四面体,单元大小为100mm,公差为5mm。
网格剖分后,装配体网格模型的节点数为31776;单元数为16352。零件模型网格剖分后的结果是节点数为29269,单元数为14799。如图1、图2所示。表2是网格模型剖分结果的对比。
从上述网格模型的大小对比来看,装配体模型的网格复杂度>零件模型的网格复杂度。
四、分析结果对比
在有限元计算后,我们取如图3所示的4个参考点进行应力、位移的研究,同时考虑机身整体的最大应力和缓大位移、两个模型的分析结果对比见表3。其中,装配体模型的等效应力分布云图如图4所示,合位移的结果云图如图5所示,零件模型的等效应力分布云图如图6所示,合位移的结果云图如图7所示。
从上述图示中,我们可以看到最大的应力、位移的数值大小。位置二者十分接近,但在所选的参考点处竺者的的应力有所差异,最小相差11.6%,最大相差31.2%,作者认为这是参考点附近网格剖分的差摊所致,同时装配体的网格模型可以更真实的反映焊接零件之间力流的分布和载荷传递。当然,通过网格细化,后者在参考点附件的差异会减小。
五、两种有限元模型的优缺点
传统的零件摸型方式分析是许多工程分析人员所熟知的,也是绝大多数分析软件所唯一支持的方式,所以应用比较普遍,造型和前处理花费的时间相对要少;但是对于多种材料、待研究的焊缝位置、以及可能霭要考虑的不同接触面之间的摩擦系数的设置等,需要特殊定义或需要软件提供该项功能方可实现。
COSMOSWorks 对于装配体模型方式的分析,为我们提供了更多的控制选项以及结果显示选顶。
1."经纬"分明的网格模型。我们首先注意到以装配体模型方式进行网格剖分后,每个焊接件之间"经纬"分明,而民接触面之间的节点可以一一对应,这是我们使用零件模型方式来分析装配体结构很难达到的理想网格剖分方式。
2.更灵活的网格剖分控制。以装配体模型方式进行网格剖分时,不同接触面,不同零件都可以设置不同的单元大小公差值等,使得我们可以对复杂模型的控制更灵活。对模型细节之处的研究更方便。
3.不同摩擦系数设置。同2中一样,不同接触面,不同零件之间,还可以设定不同的摩擦系数,这样既使分析工况和实际工况更接近,也使得前处理的工作最大大减轻。
4.不同材料设置。如结构使用了多种材料,在传统的零件分析方式中,必须通过指定单元和材料属性(有时还要指定实常数)等来给指定单位设置不同的材料,所以前处理的工作量较大。而在装配体模型方式中,一种材料就对应这个零件或一组零件,可以零件为对象,一次选择一个零件或一组零件来设置材料,这个一作一般1一2分钟就可以完成,显然速度要大大快于零件模型的分析方式。
分析结果如图8所示的爆炸图。利用SolidWorks对装配体管理的功能,先对装配体中所研究的零部件定义爆炸方式,并使用该爆炸图;然后在COSMOS Works的结果查看中,可以爆炸的方式显示各个零部件,这样对于焊缝位置,或零件之间的接触面的研究提供了很大便利。
六.应用建议
根据上述分析情况的对比,结合SolidWorks和C05MOS Works的功能特点,就结构件在准备有限元模型时提出了一些建议。
1.如果已有结构件的三维几何模型,且设计时就是按照焊接等方式装配的,则采用装配体模式进行分析;
2.在进行新产品的方案设计阶段,如结构件中仅使用一种材料,宜采用单零件模式进行分析,可加快三维建模的进度。
3.为获得某零件的详细分析结果,如焊缝处分析,或考虑多种材料等,宜采用装配体模式进行分析,便于前处理中灵活的控制。
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