搜索COSMOS Works兩種有限元建模方式數值分析的對比
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
在傳統的有限元分析中,對于像產品部件這樣的,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,同時多數有限元程序也只支持單一零件的前處理。因而限制了技術人員對分析中細節的研究,比如,焊縫位置的研究、零件之間存在不同摩擦系數時的考慮等。
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,使得分析結果與實際工況更為吻合,同時還可以將結果按照裝配體爆炸的方式顯示結果。利用分析結果,設計人員可以對于眾多焊縫位置進行直觀的評估、研究。但是,對于同一結構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
根據企業提供的圖紙,我們在SolidWorks中先建立了三維裝配體的幾何模型.為保證幾何模型結構的致性,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(設計允許的最大沖壓噸位)作用下,機身結構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。
三、有限元網格模型的對比
兩個模型在COSM0S Works中進行網格剖分時,采用同樣的網格設置,即單元類型為四面體,單元大小為100mm,公差為5mm。
網格剖分后,裝配體網格模型的節點數為31776;單元數為16352。零件模型網格剖分后的結果是節點數為29269,單元數為14799。如圖1、圖2所示。表2是網格模型剖分結果的對比。
從上述網格模型的大小對比來看,裝配體模型的網格復雜度>零件模型的網格復雜度。
四、分析結果對比
在有限元計算后,我們取如圖3所示的4個參考點進行應力、位移的研究,同時考慮機身整體的最大應力和緩大位移、兩個模型的分析結果對比見表3。其中,裝配體模型的等效應力分布云圖如圖4所示,合位移的結果云圖如圖5所示,零件模型的等效應力分布云圖如圖6所示,合位移的結果云圖如圖7所示。
從上述圖示中,我們可以看到最大的應力、位移的數值大小。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格剖分的差攤所致,同時裝配體的網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缺點
傳統的零件摸型方式分析是許多工程分析人員所熟知的,也是絕大多數分析軟件所唯一支持的方式,所以應用比較普遍,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的設置等,需要特殊定義或需要軟件提供該項功能方可實現。
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果顯示選頂。
1."經緯"分明的網格模型。我們首先注意到以裝配體模型方式進行網格剖分后,每個焊接件之間"經緯"分明,而民接觸面之間的節點可以一一對應,這是我們使用零件模型方式來分析裝配體結構很難達到的理想網格剖分方式。
2.更靈活的網格剖分控制。以裝配體模型方式進行網格剖分時,不同接觸面,不同零件都可以設置不同的單元大小公差值等,使得我們可以對復雜模型的控制更靈活。對模型細節之處的研究更方便。
3.不同摩擦系數設置。同2中一樣,不同接觸面,不同零件之間,還可以設定不同的摩擦系數,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.不同材料設置。如結構使用了多種材料,在傳統的零件分析方式中,必須通過指定單元和材料屬性(有時還要指定實常數)等來給指定單位設置不同的材料,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.應用建議
根據上述分析情況的對比,結合SolidWorks和C05MOS Works的功能特點,就結構件在準備有限元模型時提出了一些建議。
1.如果已有結構件的三維幾何模型,且設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.在進行新產品的方案設計階段,如結構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。
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