搜索Cosmos/Works—工程師的設計分析工具
2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
作者: e-works 來源: 《CAD/CAM與制造業信息化》
關鍵字: CAE 有限元分析 Cosmos/Works
COSMOS是SRAC(Structural Research & Analysis Corporation)推出的一套強大的有限元分析軟件。它在SolidWorks的環境下為設計工程師提供了比較完整的分析手段。憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非常迅速地實現對大規模的復雜設計的分析和驗證,并且獲得修正和優化設計所需的必要信息。分析的模型和結果與SolidWorks共享一個數據庫,也就是說設計與分析數據將不再需要繁瑣的雙向轉換操作,因而分析也與計量單位無關。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,設計的數據庫也會相應地自動更新。計算結果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設計模型上。這樣的環境即操作簡單、又節省時間,而且對硬盤空間資源要求很小。 COSMOS現已與SolidWorks集成,成為一個綜合的開發環境。由于軟件的定位及智能化,使得使用者無需掌握專業的CAE技術,仍能進行快速準確的CAE分析。 本文以COSMOS處理外部檔案與網格建立為討論重點,講述一些使用過程中的技巧與體會。
一、檢查像素、輸入診斷
1.檢查像素
通常發生在輸入的實體,可使用SolidWorks的檢查幾何或輸入診斷工具,在建立網格之前偵測出是否有不正常的幾何關系。若發現有無效邊線與面,或是有過短的邊線,則網格皆無法成功地建立出來。
如圖1所示,由檢查像素的指令,發現該模型共有6個面錯誤與4個短邊線。
2.輸入診斷
當發現模型有邊線或面的錯誤后,可利用輸入診斷找出問題像素的位置。此時使用者可以直接利用SolidWorks的修復功能進行修補,若修復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,模型表面共發現6個矛盾,經修復后再行診斷,并無錯誤,因此可以很順利將網格產生。
二、網格基礎
1.節點值(Node Value)與元素值(Element Value)
應力求解完成時,元素里面某些特定的點被稱為高斯點(Gaussian Point)。筆者利用選取高斯點來計算出最理想的結果,而高斯點的數目會依元素種類而有所不同。如圖3所示為元素上的節點與高斯點。
節點值就是由交界點各元素的所有點數據,相加后求平均值即得到節點值。圖4所示為節點值的計算方式。
元素值是由特定某元素上所有點數據,相加后求平均值即得到元素值。圖5所示為元素值的計算方式。
2.粗略網格(Draft Quality)與精細網格(High Quality)
粗略網格又稱低階或一階網格,以四面體元素而言,會有四個節點。精細網格則為二階網格,在四面體元素上,除了四個頂角節點外,再加入六個中間節點。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。
三、套用控制與自動轉變
1.套用控制(Apply Control)
大部分之模型在做有限元素分析前,應該先進行模型簡化動作。
簡化支持則是將不必要的特征,或者是不會影響到分析結果的特征(如圓角、小孔或肋材等)刪除或抑制。遇到有些小特征會影響到分析結果,而且無法避免時,建議先以手動方式加上套用控制,然后再使用自動轉換方式,以增加網格建立之成功率
2.自動轉變(Automatic Transition)
使用自動轉變時,不管細小特征的數目有多少,系統都會自動以相對微小的元素尺寸進行劃分。若在一個較大的模型上使用,會造成元素數目急劇增加,因而拖累運算速度,使用時必須注意。如圖7所示為有鉆孔陣列的平板,使用套用控制或自動轉變,皆可在鉆孔周圍得到較佳的網格品質。
四、殼元素使用時機
殼網格是由殼元素( S h e l l Element)所建構成之網格。通常使用在由曲面所建構的模型,或是薄壁與鈑金零件,COSMOSWorks支持的殼元素有Shell3/3T (三個頂角節點)和Shell6/6T(三個頂角節點與三個中間節點),如圖8所示。
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所建構出的實體模型都可以用實體元素(Solid Element)來建構網格。但對于薄壁與鈑金零件,若使用實體元素,必須使用非常細小的尺寸,才可得到較精準的結果,但相對的元素數目會非常多,會花費較多運算時間。此時若改用殼元素,則可兼顧運算時間及準確性。
五、網格建構技巧
1.善用分模線
在模型中有圓孔或圓角存在的地方,常常容易造成應力集中。改善這些區域的元素品質,將有助于提高結果準確度。此時利用SolidWorks的分模線功能,可以有效地幫助使用者在網格劃分上的應用,如圖9所示。
在圖9中,左上圖為預設的網格,我們可以發現在中間圓孔周圍的元素,與其他區域都一樣;左下圖為分析后看到圓孔的邊緣變形與結果顏色的分布,均呈現塊狀;中上圖與右上圖在圓孔周圍加入分模線與網格套用控制。我們可以看到圓孔周圍的元素都被細致化,進而得到右下圖較平順的分析變形結果與應力分布。
有些模型中會有圓頂或橢圓型凸面存在,以往在這些像素上網格品質并不容易控制。若利用不同的分模線將圓頂或橢圓型凸面切割開,便可以改善整個網格品質,如圖10和圖11所示。
圖10中,左上圖為不做任何分模線的原始像素與網格,此時我們發現右下圖的分模線方式,可以有較高品質的網格。由圖11可以發現在不同的分模線下,網格品質皆相當高。
2.巧用殼元素
若使用薄殼網格,不同的薄殼面之間必須共用完整的接觸邊線,否則在接合處的元素及節點有可能會出現不連續現象。
依情況, 可以用縫合曲面(Knitting Surface)或分模線(Split Line)處理。如圖12、圖13、圖14和圖15所示。
*注:A與B曲面連在一起時,必須用分模線或縫合曲面,才能將兩面交界處的節點對應結合。否則此兩曲面的網格式不一致的。
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