基于COSMOSMotion/Works對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的應(yīng)力分析

寧小波 邢 剛 蔣全勝

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

基于COSMOSMotion/Works對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的應(yīng)力分析

寧小波 邢 剛 蔣全勝

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

通過(guò)在SolidWorks軟件中使用插件COSMOSMotion對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的模擬仿真運(yùn)動(dòng)，記錄下每個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中所受的實(shí)時(shí)載荷，將結(jié)果輸出到COSMOSWorks。在插件COSMOSWorks中對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在受到最大載荷的情況下進(jìn)行應(yīng)力有限元分析，從而使所設(shè)計(jì)的零部件在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠滿足安全要求。

COSMOSWorks；COSMOSMotion；實(shí)時(shí)載荷；有限元分析

1 引言

運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的應(yīng)力分析對(duì)于機(jī)械設(shè)備的安全和可靠性都是非常重要的，但常規(guī)的方法是非常復(fù)雜的，有時(shí)是非人力所及的。COSMOSMotion是SolidWorks中提供的用于對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的模擬仿真運(yùn)動(dòng)插件模塊，COSMOSWorks是SolidWorks中提供的用于零件應(yīng)力有限元分析的高效工具軟件，作為 SRAC（StructuralResearch&Analysis Corporation）公司產(chǎn)品，它們具有使用方便、與SolidWroks無(wú)縫集成等特點(diǎn)。使用COSMOSWorks可以在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中直接對(duì)零件進(jìn)行應(yīng)力分布檢查，以找出設(shè)計(jì)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及零件的可靠性。下面以齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例，對(duì)小齒輪軸在齒輪嚙合過(guò)程中的受到最大載荷一幀處進(jìn)行應(yīng)力分析與研究。

2 建立實(shí)體模型

在SolidWorks2006的軟件環(huán)境下，建立如圖1所示的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件的實(shí)體模型，再將各個(gè)零部件組裝成裝配體。

圖1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型圖

3 利用插件的對(duì)裝配體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

（1）利用智能運(yùn)動(dòng)構(gòu)件器對(duì)運(yùn)動(dòng)所需的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在這里，首先將小齒輪軸設(shè)定為主動(dòng)件，轉(zhuǎn)速為1200rpm。如圖2

圖2 映射的約束編輯

圖3 3D碰撞編輯

其次，在設(shè)計(jì)樹(shù)的碰撞中添加3D碰撞，碰撞的部件分別為小齒輪和大齒輪。在碰撞條件對(duì)話框中設(shè)置如下的參數(shù)，見(jiàn)圖3所示。

最后，在設(shè)計(jì)樹(shù)的單作用力中添加一個(gè)周期性力矩，施加于大齒輪的邊緣。在力矩條件的圖4對(duì)話框中設(shè)置如下的參數(shù)。

圖4 單作用力編輯

（2）開(kāi)始進(jìn)行仿真模擬運(yùn)動(dòng)，仿真持續(xù)時(shí)間為 0.01s，幀數(shù)為 90。

（3）模擬運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，繪制出小齒輪軸與平鍵之間的力的幅值圖，如圖5。

圖5 小齒輪軸與平鍵之間的力的幅值圖

從圖中可以看出在時(shí)間為0.072時(shí)，力的幅值達(dá)到最大，此時(shí)的幀數(shù)為第64幀。

（4）將結(jié)果輸出到COSMOSWorks中，出現(xiàn)如下的對(duì)話框，如圖6所示。預(yù)覽后即可保存幀范圍，隨后關(guān)閉對(duì)話框。

圖6 FEA對(duì)話框

圖7 運(yùn)動(dòng)負(fù)載輸入對(duì)話框

4 利用COSMOSWorks插件對(duì)小齒輪軸進(jìn)行應(yīng)力分析。

COSMOSWorks是SolidWorks外掛的有限元分析模塊。可以根據(jù)模型迅速地進(jìn)行各種類型的分析，如靜態(tài)分析、頻率分析、熱分析、彎曲分析等，并輸出多種圖解，如應(yīng)力、應(yīng)變、形變、位移等。在對(duì)數(shù)學(xué)模型有限元分析之前，必須進(jìn)行以下幾步設(shè)定：

（1）分析類型與選項(xiàng)。依據(jù)分析要求與分析目的選擇分析類型，該例中選為動(dòng)態(tài)分析。然后對(duì)每種類型的專題，也有不同選項(xiàng)的屬性，其設(shè)置直接影響了分析效果與輸出結(jié)果。

（2）材料設(shè)定。在運(yùn)行專題前，必須先定義好指定的分析類型所響應(yīng)需要的材料屬性，在裝配體中，每一個(gè)零件可以是不同的材料。對(duì)殼定義用面屬性，每一個(gè)殼體具有不同的材料和厚度。可用3種方式來(lái)定義：從COSMOS/M材料庫(kù)中指定、手工指定材料的屬性值和從CENTOR MATERIALL IBRARY（一個(gè)插件）中指定。

（3）載荷與約束。COSMOSWorks提供一個(gè)智能對(duì)話框來(lái)定義負(fù)荷和約束，對(duì)模型定義工作條件。

（4）接觸/縫隙。對(duì)于接觸分析，正確地設(shè)置接觸選項(xiàng)，合理地選擇接觸類型是順利進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵點(diǎn)，它直接影響到分析結(jié)果。

（5）用二階h-element劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞決定了有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分越小，計(jì)算精度越高，單元定義造成的人為影響就越小，但所需的計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間就越多。

在COSMOSWorks菜單中選擇Import Motion Load，打開(kāi)文件裝配體，出現(xiàn)如下的對(duì)話框，如圖7所示。

將Available loads關(guān)于小齒輪軸的所有的載荷都加入Selected loads，點(diǎn)擊OK。在裝配體的設(shè)計(jì)樹(shù)中打開(kāi)小齒輪軸的零件圖，在COSMOSWorks的設(shè)計(jì)樹(shù)中可看到命名為Frame－64的工程，小齒輪軸的材料選用合金鋼。對(duì)小齒輪軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖8所示：

圖8 小齒輪軸網(wǎng)格劃分圖

有限元分析完成后，COSMOSWorks自動(dòng)生成各種圖解。根據(jù)需要定義相應(yīng)的圖解，比如，可以觀看應(yīng)力、應(yīng)變及變形的動(dòng)態(tài)變化動(dòng)畫，得出小齒輪軸的應(yīng)力分布如圖9所示，同時(shí)也可以生成專題報(bào)告，為檢查員或他人提供很好的材料，而且也可以放于網(wǎng)站上等。

圖9 小齒輪軸的應(yīng)力分布圖

5 結(jié)論

（1）通過(guò)COSMOSMotion能夠?qū)\(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)的模擬，并較全面地記錄了每個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受的各種載荷。

（2）COSMOSWorks 在 接 受 來(lái) 自 COSMOSMotion的結(jié)果后，對(duì)小齒輪軸在最大載荷時(shí)進(jìn)行有限元分析，從應(yīng)力分布圖可以清楚看到小齒輪軸在鍵槽靠右邊的軸肩處的應(yīng)力最大2.045×105psi，也就是最容易受到破壞的地方。通過(guò)對(duì)小齒輪軸有限元的分析與研究，為我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供了依據(jù)，從而保證了設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

（3）從齒輪運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的分析中可以看出，對(duì)于其他任何工程機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件都可以通過(guò)SolidWorks軟件建立實(shí)物造型圖，在通過(guò)其配套插件COSMOSMotion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真，最后通過(guò)COSMOSWorks進(jìn)行應(yīng)力分析得出安全設(shè)計(jì)要求。整個(gè)過(guò)程在工程設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單實(shí)用，既可使三維CAD軟件的功能得到充分發(fā)揮，又滿足了提高設(shè)計(jì)效率的要求，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

致謝

本文研究獲得安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目和巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系省級(jí)示范實(shí)驗(yàn)中心資金的支持，特在此表示感謝！

[1]張晉西，郭學(xué)琴編著.SolidWorks及COSMOSMotion機(jī)械仿真設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]江洪，陳燎，王智編著.SolidWorks有限元分析實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]郝一舒，李磊.基于COSMOS/Works的塑料斜齒輪與鋼制蝸桿嚙合特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2007，（2）.

ANALYSIS OF STRESS OF MOVING COMPONENTS BASED ON COSMOSMOTION/WORKS

NING Xiao-bo XING Gang JIANG Quan-sheng
（Department of Physics and Electronics of Chaohu University，Chaohu Anhui 238000）

Through the simulation of the components movement by using the COSMOSMotion in the software SolidWorks，the instantaneous loads are recorded in the moving process of each of them，and then they are output into COSMOSWorks.Through finite element analysis of the stress of the moving components in maximum load based on COSMOSWorks，the design of them can reach the safety demanding in the actual movement.

COSMOSWorks； COSMOSMotion； instantaneous loads； finite element analysis

TH122

A

1672－2868（2010）06－0070－03

2010－09-05

安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2009SQRZ137）

寧小波（1976-），男，安徽巢湖人。講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化。

責(zé)任編輯：宏 彬