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對運動構(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）

通過在SolidWorks軟件中使用插件COSMOSMotion對運動構(gòu)件的模擬仿真運動，記錄下每個運動構(gòu)件在運動中所受的實時載荷，將結(jié)果輸出到COSMOSWorks。在插件COSMOSWorks中對運動構(gòu)件在受到最大載荷的情況下進行應(yīng)力有限元分析，從而使所設(shè)計的零部件在實際運動過程中能夠滿足安全要求。

COSMOSWorks；COSMOSMotion；實時載荷；有限元分析

1 引言

運動構(gòu)件的應(yīng)力分析對于機械設(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，有時是非人力所及的。COSMOSMotion是SolidWorks中提供的用于對運動構(gòu)件的模擬仿真運動插件模塊，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無縫集成等特點。使用COSMOSWorks可以在三維設(shè)計環(huán)境中直接對零件進行應(yīng)力分布檢查，以找出設(shè)計的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)計質(zhì)量及零件的可靠性。下面以齒輪傳動的運動機構(gòu)為例，對小齒輪軸在齒輪嚙合過程中的受到最大載荷一幀處進行應(yīng)力分析與研究。

2 建立實體模型

在SolidWorks2006的軟件環(huán)境下，建立如圖1所示的運動機構(gòu)的各個零部件的實體模型，再將各個零部件組裝成裝配體。

圖1 運動機構(gòu)實體模型圖

3 利用插件的對裝配體進行運動仿真。

（1）利用智能運動構(gòu)件器對運動所需的條件進行設(shè)計。在這里，首先將小齒輪軸設(shè)定為主動件，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)計樹的碰撞中添加3D碰撞，碰撞的部件分別為小齒輪和大齒輪。在碰撞條件對話框中設(shè)置如下的參數(shù)，見圖3所示。

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

圖4 單作用力編輯

（2）開始進行仿真模擬運動，仿真持續(xù)時間為 0.01s，幀數(shù)為 90。

（3）模擬運動結(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間為0.072時，力的幅值達到最大，此時的幀數(shù)為第64幀。

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

圖6 FEA對話框

圖7 運動負載輸入對話框

4 利用COSMOSWorks插件對小齒輪軸進行應(yīng)力分析。

COSMOSWorks是SolidWorks外掛的有限元分析模塊?？梢愿鶕?jù)模型迅速地進行各種類型的分析，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。在對數(shù)學(xué)模型有限元分析之前，必須進行以下幾步設(shè)定：

（1）分析類型與選項。依據(jù)分析要求與分析目的選擇分析類型，該例中選為動態(tài)分析。然后對每種類型的專題，也有不同選項的屬性，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，每一個零件可以是不同的材料。對殼定義用面屬性，每一個殼體具有不同的材料和厚度?？捎?種方式來定義：從COSMOS/M材料庫中指定、手工指定材料的屬性值和從CENTOR MATERIALL IBRARY（一個插件）中指定。

（3）載荷與約束。COSMOSWorks提供一個智能對話框來定義負荷和約束，對模型定義工作條件。

（4）接觸/縫隙。對于接觸分析，正確地設(shè)置接觸選項，合理地選擇接觸類型是順利進行有限元分析的關(guān)鍵點，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)果的準確性，網(wǎng)格劃分越小，計算精度越高，單元定義造成的人為影響就越小，但所需的計算機資源和計算時間就越多。

在COSMOSWorks菜單中選擇Import Motion Load，打開文件裝配體，出現(xiàn)如下的對話框，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，點擊OK。在裝配體的設(shè)計樹中打開小齒輪軸的零件圖，在COSMOSWorks的設(shè)計樹中可看到命名為Frame－64的工程，小齒輪軸的材料選用合金鋼。對小齒輪軸進行網(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)變及變形的動態(tài)變化動畫，得出小齒輪軸的應(yīng)力分布如圖9所示，同時也可以生成專題報告，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COSMOSMotion能夠?qū)\動構(gòu)件進行仿真運動的模擬，并較全面地記錄了每個運動構(gòu)件在運動過程中所受的各種載荷。

（2）COSMOSWorks 在 接 受 來 自 COSMOSMotion的結(jié)果后，對小齒輪軸在最大載荷時進行有限元分析，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。通過對小齒輪軸有限元的分析與研究，為我們在實際設(shè)計中提供了依據(jù)，從而保證了設(shè)計的安全性和可靠性。

（3）從齒輪運動構(gòu)件的分析中可以看出，對于其他任何工程機械傳動構(gòu)件都可以通過SolidWorks軟件建立實物造型圖，在通過其配套插件COSMOSMotion進行運動過程仿真，最后通過COSMOSWorks進行應(yīng)力分析得出安全設(shè)計要求。整個過程在工程設(shè)計上簡單實用，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)計效率的要求，具有較強的工程實際應(yīng)用價值。

致謝

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

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

[2]江洪，陳燎，王智編著.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京：機械工業(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].機械設(shè)計，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)秀青年人才基金項目（項目編號：2009SQRZ137）

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

責(zé)任編輯：宏 彬