基于COSMOSMotion/Works對運動構件的應力分析

寧小波 邢 剛 蔣全勝

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

基于COSMOSMotion/Works對運動構件的應力分析

寧小波 邢 剛 蔣全勝

（巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

通過在SolidWorks軟件中使用插件COSMOSMotion對運動構件的模擬仿真運動，記錄下每個運動構件在運動中所受的實時載荷，將結果輸出到COSMOSWorks。在插件COSMOSWorks中對運動構件在受到最大載荷的情況下進行應力有限元分析，從而使所設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

運動構件的應力分析對于機械設備的安全和可靠性都是非常重要的，但常規的方法是非常復雜的，有時是非人力所及的。COSMOSMotion是SolidWorks中提供的用于對運動構件的模擬仿真運動插件模塊，COSMOSWorks是SolidWorks中提供的用于零件應力有限元分析的高效工具軟件，作為 SRAC（StructuralResearch&Analysis Corporation）公司產品，它們具有使用方便、與SolidWroks無縫集成等特點。使用COSMOSWorks可以在三維設計環境中直接對零件進行應力分布檢查，以找出設計的缺陷和薄弱環節，提高設計質量及零件的可靠性。下面以齒輪傳動的運動機構為例，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力分析與研究。

2 建立實體模型

在SolidWorks2006的軟件環境下，建立如圖1所示的運動機構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）利用智能運動構件器對運動所需的條件進行設計。在這里，首先將小齒輪軸設定為主動件，轉速為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置如下的參數，見圖3所示。

最后，在設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對話框中設置如下的參數。

圖4 單作用力編輯

（2）開始進行仿真模擬運動，仿真持續時間為 0.01s，幀數為 90。

（3）模擬運動結束后，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，此時的幀數為第64幀。

（4）將結果輸出到COSMOSWorks中，出現如下的對話框，如圖6所示。預覽后即可保存幀范圍，隨后關閉對話框。

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力分析。

COSMOSWorks是SolidWorks外掛的有限元分析模塊。可以根據模型迅速地進行各種類型的分析，如靜態分析、頻率分析、熱分析、彎曲分析等，并輸出多種圖解，如應力、應變、形變、位移等。在對數學模型有限元分析之前，必須進行以下幾步設定：

（1）分析類型與選項。依據分析要求與分析目的選擇分析類型，該例中選為動態分析。然后對每種類型的專題，也有不同選項的屬性，其設置直接影響了分析效果與輸出結果。

（2）材料設定。在運行專題前，必須先定義好指定的分析類型所響應需要的材料屬性，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。可用3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鍵點，它直接影響到分析結果。

（5）用二階h-element劃分網格。網格劃分質量的好壞決定了有限元分析結果的準確性，網格劃分越小，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，出現如下的對話框，如圖7所示。

將Available loads關于小齒輪軸的所有的載荷都加入Selected loads，點擊OK。在裝配體的設計樹中打開小齒輪軸的零件圖，在COSMOSWorks的設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。對小齒輪軸進行網格劃分，如圖8所示：

圖8 小齒輪軸網格劃分圖

有限元分析完成后，COSMOSWorks自動生成各種圖解。根據需要定義相應的圖解，比如，可以觀看應力、應變及變形的動態變化動畫，得出小齒輪軸的應力分布如圖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，而且也可以放于網站上等。

圖9 小齒輪軸的應力分布圖

5 結論

（1）通過COSMOSMotion能夠對運動構件進行仿真運動的模擬，并較全面地記錄了每個運動構件在運動過程中所受的各種載荷。

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

（3）從齒輪運動構件的分析中可以看出，對于其他任何工程機械傳動構件都可以通過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進行應力分析得出安全設計要求。整個過程在工程設計上簡單實用，既可使三維CAD軟件的功能得到充分發揮，又滿足了提高設計效率的要求，具有較強的工程實際應用價值。

致謝

本文研究獲得安徽省高等學校優秀青年人才基金項目和巢湖學院物理與電子科學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，郭學琴編著.SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計[M].北京：清華大學出版社，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

安徽省高等學校優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：機械設計、機電一體化。

責任編輯：宏 彬