Cosmos/Works--工程师的设计分析工具

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欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... COSMOS是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套强大的有限元分析软件。它在SolidWorks的环境下为设计工程师提供了比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果与SolidWorks共享一个数据库，也就是说设计与分析数据将不再需要繁琐的双向转换操作，因而分析也与计量单位无关。在几何模型上，它可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。这样的环境即操作简单、又节省时间，而且对硬盘空间资源要求很小。 COSMOS现已与SolidWorks集成，成为一个综合的开发环境。由于软件的定位及智能化，使得使用者无需掌握专业的CAE技术，仍能进行快速准确的CAE分析。 本文以COSMOS处理外部档案与网格建立为讨论重点，讲述一些使用过程中的技巧与体会。 一、检查像素、输入诊断 1.检查像素 通常发生在输入的实体，可使用SolidWorks的检查几何或输入诊断工具，在建立网格之前侦测出是否有不正常的几何关系。若发现有无效边线与面，或是有过短的边线，则网格皆无法成功地建立出来。 如图1所示，由检查像素的指令，发现该模型共有6个面错误与4个短边线。 2.输入诊断 当发现模型有边线或面的错误后，可利用输入诊断找出问题像素的位置。此时使用者可以直接利用SolidWorks的修复功能进行修补，若修复功能无法顺利将问题边线与面排除，则需要使用者自行使用曲面功能做处理。 如图2所示，模型表面共发现6个矛盾，经修复后再行诊断，并无错误，因此可以很顺利将网格产生。 二、网格基础 1.节点值（Node Value）与元素值（Element Value） 应力求解完成时，元素里面某些特定的点被称为高斯点(Gaussian Point)。笔者利用选取高斯点来计算出最理想的结果，而高斯点的数目会依元素种类而有所不同。如图3所示为元素上的节点与高斯点。 节点值就是由交界点各元素的所有点数据，相加后求平均值即得到节点值。图4所示为节点值的计算方式。 元素值是由特定某元素上所有点数据，相加后求平均值即得到元素值。图5所示为元素值的计算方式。 2.粗略网格（Draft Quality）与精细网格（High Quality） 粗略网格又称低阶或一阶网格，以四面体元素而言，会有四个节点。精细网格则为二阶网格，在四面体元素上，除了四个顶角节点外，再加入六个中间节点。图6左图所示为一阶之四面体元素，右图为二阶之四面体元素。 三、套用控制与自动转变 1.套用控制（Apply Control） 大部分之模型在做有限元素分析前，应该先进行模型简化动作。 简化支持则是将不必要的特征，或者是不会影响到分析结果的特征(如圆角、小孔或肋材等)删除或抑制。遇到有些小特征会影响到分析结果，而且无法避免时，建议先以手动方式加上套用控制，然后再使用自动转换方式，以增加网格建立之成功率 2.自动转变(Automatic Transition) 使用自动转变时，不管细小特征的数目有多少，系统都会自动以相对微小的元素尺寸进行划分。若在一个较大的模型上使用，会造成元素数目急剧增加，因而拖累运算速度，使用时必须注意。如图7所示为有钻孔阵列的平板，使用套用控制或自动转变，皆可在钻孔周围得到较佳的网格品质。 四、壳元素使用时机 壳网格是由壳元素（ S h e l l Element）所建构成之网格。通常使用在由曲面所建构的模型，或是薄壁与钣金零件，COSMOSWorks支持的壳元素有Shell3/3T （三个顶角节点）和Shell6/6T（三个顶角节点与三个中间节点），如图8所示。 图8中，左图为一阶shell3三角壳元素，右图为二阶shell6三角壳元素。SolidWorks所建构出的实体模型都可以用实体元素（Solid Element）来建构网格。但对于薄壁与钣金零件，若使用实体元素，必须使用非常细小的尺寸，才可得到较精准的结果，但相对的元素数目会非常多，会花费较多运算时间。此时若改用壳元素，则可兼顾运算时间及准确性。 五、网格建构技巧 1.善用分模线 在模型中有圆孔或圆角存在的地方，常常容易造成应力集中。改善这些区域的元素品质，将有助于提高结果准确度。此时利用SolidWorks的分模线功能，可以有效地帮助使用者在网格划分上的应用，如图9所示。 在图9中，左上图为预设的网格，我们可以发现在中间圆孔周围的元素，与其他区域都一样；左下图为分析后看到圆孔的边缘变形与结果颜色的分布，均呈现块状；中上图与右上图在圆孔周围加入分模线与网格套用控制。我们可以看到圆孔周围的元素都被细致化，进而得到右下图较平顺的分析变形结果与应力分布。 有些模型中会有圆顶或椭圆型凸面存在，以往在这些像素上网格品质并不容易控制。若利用不同的分模线将圆顶或椭圆型凸面切割开，便可以改善整个网格品质，如图10和图11所示。 图10中，左上图为不做任何分模线的原始像素与网格，此时我们发现右下图的分模线方式，可以有较高品质的网格。由图11可以发现在不同的分模线下，网格品质皆相当高。 2.巧用壳元素 若使用薄壳网格，不同的薄壳面之间必须共用完整的接触边线，否则在接合处的元素及节点有可能会出现不连续现象。 依情况， 可以用缝合曲面(Knitting Surface)或分模线(Split Line)处理。如图12、图13、图14和图15所示。 *注：A与B曲面连在一起时，必须用分模线或缝合曲面，才能将两面交界处的节点对应结合。否则此两曲面的网格式不一致的。 原载《CAD/CAM与制造业信息化》杂志(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/16/2006)