数字化仿真技术.docx

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1、实验六数字化仿真技术一、 实验目的1. 掌握 COSMOSWorks 静态应力分析的方法和步骤2. 掌握 COSMOSWorks 优化设计的方法和步骤二、 实验内容1.完成托架零件的静态应力分析2.完成悬臂支撑架的形状优化三、 实验步骤（一）零件的静态应力分析托架由合金钢制作，在两个孔处固定，并承受有7Mpa 的力载荷，如图所示。1. 打开零件打开零件“ static.SLDPRT”2. 从 SolidWorks 材料库中指派合金钢材料：(1) 单击 菜单 COSMOSWorks材料 应用材料到所有，材质编辑器PropertyManager出现。(2) 在材料下，执行如下操作：a. 从下拉菜单

2、中选择 SolidWorks 材料。b. 单击钢后面的加号，然后选择合金钢。c. 合金钢的机械属性出现在物理属性框中。(3) 单击确定。指派的材料名称显示在FeatureManager树中。3. 生成静态研究(1)单击 COSMOSWorks管理器标签。(2)单击 COSMOSWorks主工具栏上研究。1(3) 在 PropertyManager 的名称下面：a. 键入 “静态 -1 ”。b. 在网格类型中选择“实体网格”。(4) 在类型下，单击静态。(5) 单击确定。COSMOSWorks将在 COSMOSWorks管理器树中生成研究。注意，实体图标上的复选标记表示您已指派了材料。4. 固定

3、两个孔：(1)单击 COSMOSWorks载荷工具栏上的约束。约束 PropertyManager出现。(2) 在类型下，选择“不可移动（无平移）”。(3) 在图形区域中，单击两个孔的面（如图显示）。面 和面 会出现在 约束的面、边线、顶点 框内。要更改约束符号的颜色，单击“符号设定” 下的“ 编辑颜色” 。颜色调色板打开。选择所需的颜色，然后单击确定 。(4)单击确定。COSMOSWorks固定两个孔的面， 在 COSMOSWorks管理器树中的载荷 / 约束文件夹内生成名称为“约束 -1 ”的图标。5. 应用压力：(1)单击 COSMOSWorks载荷工具栏上的约束。压力 Property

4、Manager出现。(2) 在“ 压力类型” 下，单击“ 垂直于所选面” 。(3)在图形区域中，选择圆柱体的前面（如图显示）。面 出现在“ 压力的面” 框内。(4) 在“ 压力值” 下，设定 单位 为 “ SI ” ，然后在“ 压力值” 框内键入 7e6。如果您通过键入新值改变了单位，COSMOSWorks会将值转换成新的单位。单击确定。2COSMOSWorks应用 7MPa 压力，并在 COSMOSWorks管理器树中的载荷 / 约束文件夹内生成名称为压力 -1 的图标。6. 将零件网格化并运行静态研究(1)单击 COSMOSWorks主工具栏上网格。网格 PropertyManager出现

5、，显示默认的“整体大小”和“公差”值。(2)单击确定。网格化开始， “网格化进程”窗口出现。网格化结束之后，COSMOSWorks显示网格化的模型。(3)单击 COSMOSWorks主工具栏上运行。完成分析之后，在COSMOSWorks管理器树中将生成默认的图解。7. 显示网格信息：(1) 在 COSMOSWorks管理器树中， 用右键单击 “ 网格”，然后选择“ 细节”。COSMOSWorks显示网格信息：(2) 关闭网格细节列表框。(3) 要隐藏或显示网格：单击 COSMOSWorks结果工具工具栏上的显示 / 隐藏网格。 COSMOSWorks切换网格的显示状态。8. 观阅结果在成功的运

6、行静态分析之后， COSMOSWorks将在管理器树中生成应力、 位移、应变、变形和设计检查文件夹。这些文件夹包含静态分析的默认图解。9. 绘制应力图解：(1)在 COSMOSWorks管理器树中，单击应力 文件夹旁边的加号。图解 1 出现。(2) 双击图解 1。 显示应力图解。3要在不同的单位系统下观阅应力图解，请右键单击图解图标，然后单击“编辑定义” 。在 显示框内，设定“单位” 为所需单位系统，然后单击确定 。10.绘制合力位移图解：(1)在 COSMOSWorks管理器树中，单击位移 文件夹旁边的加号。图解 1 出现。(2) 双击“ 图解 1” 。显示合力位移图解。11. 绘制对等要素

7、应变图解：(1) 在 COSMOSWorks管理器树中，单击 应变 文件夹旁边的加号。图解 1 出现。(2) 双击图解 1。显示以下对等应变图解：12. 查看模型的安全系数分布：(1) 单击 设计检查 文件夹旁边的加号。图解 1 图标出现。(2) 双击图解 1。显示以下图解：13. 绘制零件的关键区域图解：4(1)单击 COSMOSWorks结果工具工具栏上设计检查向导。设计检查PropertyManager出现。(2) 在步骤 1 （共 3 步）框中，执行以下操作：a.设定准则 为 最大 von Mises应力 。出现对应于所选准则的设计目标。b. 单击下一步 。(3) 在步骤 2 （共 3

8、 步）框中，执行以下操作：a. 选择应力极限 下面的 到屈服强度 。注意，这里列出了零件材料的弹性属性以及最大von Mises应力。b. 单击下一步 。(4)在步骤 4 （共 5步）框内，单击安全系数以下的区域并确保值框内出现1 。列表框中列出了根据选定准则的模型最小安全系数。(5) 单击确定 , 关闭设计检查 PropertyManager 。安全系数低于 1 的区域（不安全区域）显示为 红色 。安全系数较大的区域（安全区域）显示为 蓝色 。要更好的观阅模型关键区域，您可能需要隐藏约束和压力符号。用右键单击载荷 / 约束 ，然后选择 隐藏所有 。双击 设计检查 下的 图解 2 再次显示安全

9、系数图解。（二）形状优化悬臂托架按如图方式进行支撑和施加载荷。根据功能要求，托架的外部尺寸不能变化。中心切除大小由 D11Sketch1、 D12Sketch1 和 D13Sketch1 控制。这些尺寸可以在一定的范围内变化。通过以下条件减小悬臂托架的体积：5(1) von Mises 应力不得超过特定值。(2) 最大位移不得超过特定值。1. 打开零件“ Optimization.SLDPRT ”2. 生成名称为初始研究实体网格静态研究3. 指派材料和应用约束和载荷(1) 从 COSMOS材料库中为零件指派 合金钢 材料。(2) 对托架的竖直面应用 固定约束。(3)对托架的水平面沿垂直方向施加

10、均匀5e6牛顿 / 米 2 压力。4.网格化模型和运行初始静态研究要将零件网格化并运行初始静态研究：(1)在 COSMOSWorks管理器树中，用右键单击网格图标，然后单击生成 。 网格PropertyManager出现。(2) 单击 选项 。 The 选项 对话框出现，并且网格标签打开。(3) 执行下列操作：a. 选择： 高、标准 、 4 点和光滑表面 。b. 消除： 自动过渡 和为实体激活自动成环 。c. 单击确定 。(4) 选中 网格化后运行分析 。(5)单击确定以接受默认整体大小和公差 。5. 观阅初始设计的 von Mises 应力和合力位移要观阅 von Mises 应力：(1)在

11、 COSMOSWorks管理器树中，单击应力 文件夹旁边的加号。图解 1图标出现。用右键单击 图解 1 图标并选择 显示 。von Mises 应力图解显示在图形区域。(2)用右键单击 图解 1，然后选择 编辑定义 。 应力图解 PropertyManager出现。(3) 在显示 框内，设定 单位 为 牛顿 / 米 2 。(4) 清除 变形形状 复选框。(5)单击 确定 。显示以下的 von Mises应力图解。欲观阅合力位移：(1)在 COSMOSWorks管理器树中，单击位移 文件夹旁边的加号。图解 1 图标出现。(2) 用右键单击 图解 1 图标并选择 显示 。合力位移图解显示在图形区域

12、中。(3)用右键单击图解 1，然后选择 编辑定义 。 位移图解 PropertyManager出现。(4) 在显示 框内，设定 单位 为 毫米。清除 变形形状 复选框。(5) 单击 确定。显示合力位移图解。6. 生成优化研究接下来，将生成优化研究。要生成优化研究：(1)在 COSMOSWorks管理器树中，用右键单击悬臂托架 ，然后选择 研究。(2) 在 PropertyManager 中的 名称 下输入 MinVolume。(3) 在类型 下，单击 优化，然后单击 确定 。 优化研究使用在目标功能约束定义中引用研究的网格。(4) 用右键单击 MinVolume 研究，然后选择 属性 。(5)

13、 在对话框中，在 品质 下单击 高。(6) 单击 确定。67. 定义目标该优化研究的目标是减小零件的体积。要定义目标 :(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 目标。(2)在 PropertyManager的目标 下：a. 选择最小化 。b. 在品质类型 中选择 体积 。(3) 单击 确定 . 在优化研究的目标图标上出现复选符号。8. 定义设计变量您可以定义可变化的尺寸。要定义设计变量：(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 设计变量。(2)在图形区域中，选择尺寸 D11Sketch1。(3)在 PropertyManager的接线 下：a. 设定下界 为 10。b. 设定上界

14、 为 25。c. 单击确定 .所选的尺寸出现在设计变量 文件夹内。(4) 重复步骤 1-3 以将尺寸 D12Sketch1 添加到设计变量列表。 使用与 D11Sketch1相同的上下界。(5)重复步骤 1-3 以将尺寸 D13Sketch1 添加到设计变量列表。分别输入20 和 50作为下界和上界。设计变量 文件夹列出三个设计变量。9. 定义 von Mises 应力约束最大 von Mises应力不应超过3x10 8 牛顿 / 米 2。要定义 von Mises应力约束：(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 约束。(2)在 PropertyManager中的 反应 下，选择：分析

15、类型 为静态。设定结果类型 为节应力 。设定 VON： von Mises 应力 为零部件 。(3) 在界限 下：a. 选择 牛顿 / 米 2 作为单位 。b.输入0 作为 下界。c.输入3e8 作为 上界。(4) 单击 确定。von Mises应力约束出现在约束 文件夹内。10. 定义位移约束最大合力位移不得超过 0.21 毫米。要定义位移约束：(1) 用右键单击 约束 文件夹，然后选择 添加 。7(2)在 PropertyManager中的 反应 下，选择：a. 分析类型为静态。b. 设定位移作为结果类型。c. 设定 URES:合力位移作为零部件。(3) 在界限 下：a. 选择毫米 作为单

16、位 。b. 输入 0 作为下界 。c. 输入 0.21 作为上界 。(4) 单击 确定。位移约束出现在约束 文件夹内。11. 运行优化研究要运行优化研究：在 COSMOSWorks管理器树中，用右键单击MinVolume 研究图标，并选择运行 。分析开始。完成第一个循环之后，程序更改尺寸并再次运行。经过几个循环之后，出现优化成功 消息窗口。单击 确定 关闭消息窗口。12. 观阅最终设计要观阅最终设计：(1) 重新使用初始设计。(2) 在 COSMOSWorks管理器树中，单击设计周期结果文件夹旁边的加号。(3) 双击 最终设计 。托架的最终设计出现。(4) 要确定 COSMOSWorks获得优

17、化结果所需的迭代数，右击 最终设计 并单击 细节 。设计周期结果细节列表框出现。对应于最终设计的迭代数为15 。(5) 单击 关闭。13. 观阅特定设计周期内的设计要观阅第四个设计周期内的设计：(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 设计周期结果。设计周期结果对话框出现。(2) 设定 迭代数 为 4。(3) 单击 确定。显示第四个设计周期内的设计。14. 设计历史图表要绘制设计变量的历史图表：(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 设计历史图表。出现 设计历史图表对话框。15. 设定图表参数为设计变量。(1) 选中 与初始值正规化 。(2) 单击。所有在 可用的数据 框内列出的

18、设计变量都被移动到图解数据 列表框内。(3) 单击 确定 。显示三个设计变量的图解。(4) 单击以关闭图表窗口。注意程序在 设计历史图表文件夹中生成名称为图解2 的图标。16. 设计当地趋向图表要绘制目标与设计变量关系图表：(1)单击 COSMOSWorks优化工具栏上 设计当地趋向图表。出现设计当地趋向图表对话框。(2)在 X- 轴下，设定 设计变量 为 DV2，对应于 D12Sketch1。8(3) 在 Y- 轴下，单击 目标 ，并验证 体积出现在菜单中。(4) 选中与初始值正规化 。(5)单击确定 。绘制出目标功能与设计变量2关系图解。17. 对最终尺寸进行四舍五入基于零件制造目的， 设计变量应四舍五入到最接近的整数， 以便在制造工艺的精度内可以测量。对于最终的图纸，需要对设计变量进行四舍五入，重建模型，网格化和运行静态研究。四、 思考题1.有限元分析软件的基本结构包含哪几个部分，以实验中零件的静态应力分析为例，说明每部分包含的内容。9