cosmos中文教程Word下载.docx
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使用设计专题
有两种情况您需要运用有限元分析检验一个已存在的零件
当检验一个已存在的零件或装配体时，模型的几何形状已经确定变化的只是
有限元分析的参数象：
分析选项、负荷和边界条件、网格尺寸等。
进行一个新的
设计。
1.当进行一个新的设计时，您想要拿出一个优化的设计以满足预期的工作环
境和特殊需求。
2.当为满足特定需求进行优化设计时，你也许需要扩展专题的概念，专题将
包括：
模型几何形状的变化。
这些变化只是通过SolidWorks对一些特征的参数
进行调整。
COSMOS/Works的管理
COSMOS文档窗口分为两栏。
分析类型和属性
你可以创建下列类型的专题：
Static（静态）：
计算压力、拉力和变形。
Frequency（频率）：
计算共振频率和。
Buckling（弯曲）:
计算临界的弯曲负荷。
Thermal（热流）：
计算温度、和热流动。
Optimization（优化）：
对设计进行优化，以满足功能、变化（尺寸变化）
和约束的要求。
每种类型的专题，也具有不同选项的属性。
关于分析类型更多的信息，参考
分析背景一章。
关于专题属性的更多内容，参考管理你的专题一章。
材料
在运行一个专题前，你必需定义好指定的分析类型所响应需要的材料属性。
在装配体中，每一个个零件可以是不同的材料。
对壳定义用面属性，每一个壳体
具有不同的材料和厚度。
有三种方法定义材料的属性：
1．从COSMOS/M材料库中指定。
2．手工指定材料的属性值。
3．从CENTORMATERIALLIBRARY（一个插件）中指定。
详细内容参见定义材
料属性一章。
材料的编辑/浏览
COSMOS/WORKS中包含一个材料编辑/浏览器。
你可以自己定义材料的参数，
并将这种材料加入到COSMOS材料库中。
学习如何使用材料编辑/浏览器，请阅
读定义材料属性一章。
负荷和约束
负荷和约束定义模型的工作条件。
每个约束或负荷条件都以图标的方式在
Load/Restraint（负荷/约束）文件夹中显示。
COSMOS/Works提供一个智能的
对话框来定义负荷和约束。
只有被选中的模型具有的选项才被显示，其不具有的
选项则为灰色不可选项。
例如，如果选择的面是圆柱面或是轴，对话框则让你定
义半径、圆周、轴向抑制和压迫力。
负荷和约束是和几何体相关联的，当几何体
改变时，他们自动调节。
在运行分析前，你可以在任意的时候指定负荷和约束。
运用拖动（或拷贝粘贴）功能，COSMOS/Works允许你在管理树中将条目或文件
夹拷贝到另一个兼容的专题中。
设定负荷和约束的一般过程
1.选择一个面或边线或顶点。
2.按住Ctrl键选择更多的面、边线或顶点。
3.如果需要按住Ctrl键并选择一个参考轴或参考平面。
4.在COSMOS/Works管理树中选择想要设置的选项，单击鼠标右键。
打开
相应的对话框。
5.指定方向和其他信息如数值和单位。
6.单击OK。
单位设置
当对负荷和边界进行定义时，COSMOS/Works允许自由选择所用的单位。
你
可以通过以下操作设顶首选单位：
点击COSMOS/Works，Preferences,然后单击
单位表。
直到你更换首选单位之前，COSMOS/WORKS总是使用当前的单位进行分
析。
为了避免混乱，现在使用的单位设置总是显示在输入数据和结果中。
语言
COSMOS/Works还具有以下几种语言的版本：
繁体中文、法文、德文、日文。
如何使用COSMOS有限元分析软件对CAD输入模型
的局部几何加大网格密度
东北大学欧磊技术中心，110006
所有有经验的分析工程师都知道，适当的网格密度选取才能在最短的计算时间之
内，提供您正确的分析结果。
本文之重点在于告诉所有的COSMOS/M以及GEOSTAR
的使用者，如何去决定几何模型之中不同位置的最适当网格密度，以及如何建立一个网格由密而疏的产生方法与过程。
在.Reddy博士所着的《FiniteElementMethod》这本书中提到以下三点选
定有限单元网格产生方式的重要依据:
1.网格必需能够精确的表现出所计算范围内的几何模型，以及在此范围内的所
有的载荷条件。
也就是说网格必需非常的接近您所想逼近的几何。
2.它必需在计算结果产生很大差异（Gradient）的部分，将此突变性精确的表现
出来。
这些结果包括了如应力，应变，变形量，温度，流速等。
3.必需避免如太大长宽比（AspectRatio），不正常的弯曲角度（Skew）等网格的
产生。
尤其是在会有大幅变化的几何区域，更需小心的去避免此种网格的出现。
在第一项规则之中提示了我们必需尽量地在小而且必须分析的几何区域部分，以
小网格去逼近。
因此，凡是有圆角，导角，键槽以及其它槽状几何区域必需加以
特别密的网格处理。
而相对于比较平滑或截面突变较少的几何区域，我们则可以
采用较为稀疏的网格密度。
而规则二与三都是代表了必需在产生较大突变的几何
部分建立较密的网格。
这些区域多半是在应力集中部位，比如圆角，导角与弯曲
角度（Skew）等部分。
整体而言，较精密（小）或是较高密度的网格必需设定在导角，圆角以及凹槽处，或是有较大梯度的计算结果值突变的区域。
下面，我们将针对
如何使用COSMOS/M去建立上面所描述的网格架构。
这种在某一部分的几何模型上去做网格尺寸的调整功能，我们称之为"
网格细化（MeshRefinement）"
。
这是COSMOS前后处理器GeoSTAR中的标准功能。
让我们假设从一般的三维CAD软件之中取得了一个如图一所示的实体模型，并且转入GeoSTAR之中的.geo或.iges文档格式。
假设此零件之厚度为100毫米，而
圆角的半径也是100毫米，而其它的尺寸全大于600毫米时，固定其中一个区域，
在另一个区域指定Y（向下）方向的压力作为其边界与载荷条件。
按照以上的条件，我们可以发现此几何模型的关键区域为圆角位置，同时这也是应力最大的位置。
而模型其它部分的应力变化量也不会超过圆角应力变化量。
因此大部分区域网格可以粗划分，只需在圆角部分加密即可。
图一、零件几何以及边界条件
首先我们对整个零件建立相同尺寸的网格（以10毫米为单元尺寸值）。
而分析的
结果则显示在下表之中。
上述单元尺寸则使用PHDENSITY（Menu>
Mesh>
MeshDensity>
Polyhedron）命令去加以定义。
对此种相同尺寸网格所计算出来的结果，
我们发现靠近圆角处的应力值是约180psi，并且根据误差估测分析，它是一个正确解，但是此种网格花了计算机390秒去解算出答案。
接下来我们用单元尺寸40毫米来对此模型进行网格划分和分析。
所计算出来的
最大应力值为164psi，明显的和上一个计算结果相比是不够精确的。
这是由于
接近圆角处的网格密度不够的缘故。
首先我们可以使用SELWIN命令
（Menu>
Control>
Select>
ByWindowing）去选取接近圆角处的网格。
接下来将所选
到的网格使用EREFINE的命令（Menu>
Elements>
Refine），并且使用
INITSEL命令（Control>
Initialize）去设定到前面所选到的网格。
因此
我们就可以得到在圆角处网格密度较高而在其它区域网格密度较小的网格结构。
使用此种网格所计算出来的最大应力值为186psi，而计算机所花的时间则大幅
缩短成67秒。
图二、使用SELWIN命令去选取圆角附近的网格，目前的网格是相同尺寸的
图三、使用EREFINE命令去对局部网格做增加密度的设定
另一种可以正确设定网格尺寸以得到正确计算结果的方式，是对几何模型预先设
定其各部分的单元尺寸。
以此例而言，我们可以先用PHDENSITY命令去将整体网格尺寸设成40毫米，接着使用RGDENSITY（Menu>
Density>
Regions）命令
将圆角处的网格尺寸设成10毫米。
同时再一次使用RGDENSITY命令去设定接近圆角区域部位的网格尺寸到20毫米。
所得到的是一个非常好的渐近变化的网格
尺寸设定（图四）。
此种网格设定仅花了42秒的时间便计算出最大应力值为174psi。
单元尺寸节点数自由度最大应力值（psi）计算时间
10毫米（均匀网格）8677187806180392秒
40毫米（均匀网格）18133670516431秒
40毫米（圆角网格细化）33697088118667秒
40毫米和10毫米网格过渡（圆角网格细化）21274242517442秒
图四、使用渐进式网格（接近圆角部位的网格密度较高）所计算出来的结果
我们针对以上四种网格的设定所做的分析结果与速度上的比较，得到以下结论。
前两种并未做任何网格尺寸上的设定，仅以相同尺寸的网格去做设定时，则我们
可以清楚的看到愈小网格计算愈准确的现象。
第三种使用先设定较粗的网格再使用EREFINE命令去设定较细网格的方式则计算出正确的结果。
弹性是此种网格建
立方式的最大优点，但其缺点是在粗与细的网格交界处产生扭曲变形的网格。
第
四种网格产生方式，由于是渐进的将网格尺寸从粗变细，因此没有任何畸形的网
格形状出现。
它的缺点是较缺乏弹性，而且必需在网格细化的过程中清除掉原始
的网格，建立新的改变尺寸设定的网格。
CAD/CAE软件在风机叶轮强度有限元分析中的应用研究
[摘要]:
本文针对风机叶轮强度分析的问题,介绍了采用国外先进的微机平台CAD/CAE
软件进行了建模分析的过程及方法,提出风机叶轮强度计算一种先进快捷的解决方案,并分
析了此方法的优点及注意问题.
风机是工业部门广泛应用的设备之一,其强度的好坏直接影响到装置的使用效果,确保
风机正常高效运行是至关重要的,而叶轮是风机的关键部件,其强度计算的准确性和可靠性
关系到设备的安全运行.我们根据电力设备厂的实际情况,采用国外先进的CAD/CAE软件系
统,对叶轮的强度进行了分析.分析过程如下:
一.三维实体模型的建立
模型采用UnigraphicsSolutions公司基于Windows平台中端设计软件SolidEdge进行建
立,根据已知的模型尺寸进行建立（也可根据设计的需要直接进行设计建摸）.模型尺寸及所
建模型实体如下图示:
具体关键数据如下表（单位mm）:
项目
前盘孔口后盘孔口直径叶片工作转速1480r/min
具体数据
直径板厚直径板厚数目厚度
Φ64010Φ6401012
二.力学模型的建立.
风机叶轮的轮盘和叶片是由板材制成的,在高速旋转下,其所受的离心力很大,而单位面
积上的气动压力很小,则对结构的影响可以忽略不计,因此只考虑离心力,属于线性静力结构.
在离心力的作用下,单元所受的力分析是,把离心力分解为平行于单元面的分力和垂直与单
元面的分力.如果真正计算整个叶轮的离心力是比较容易的,只要找到叶轮的质心即可算出,
但是每个叶片的离心力,通过人工计算（或计算机程序的计算）是很困难的,甚至是不可能计
算出的,但我们采用SRAC（StructuralResearchandAnalysisCorporation）公司的有限
元分析软件COSMOS/EDGE,这一切变的很容易.你只需给出叶轮旋转方向的角速度,在静力分
析的时候选上离心力的选项即可,软件系统会根据模型自动计算离心力产生的应力.针对图
1所示的叶轮线框模型,我们可进行如下建模:
（图2所示）
三．运用有限元软件COSMOS/EDGE进行分析
有限元软件COSMOS/EDGE是美国SRAC公司专为SolidEdge作的有限元分析软件.SRAC
在1993年发表的FFE（FastFiniteElement）,是一个处理与计算非常快速的工程分析软
件,FFE图形化的操作界面可使你直接划分有限单元网格,定义边界条件及快速解算.FFE除
了速度快之外,SRAC的FFE模块会针对不同问题,自动选择正确的Solver来求解.另外它提
供预警功能,在正式解题之前,FFE会先检查有限元素的模型是否定义完全,否则将停止计算,
使计算机不必浪费CPU时间来做无谓的运算,并且在解题之前,FFE会自动评估你的磁盘空间
是否足以供分析所用.
COSMOS功能相当齐全,为FEA市场上最成熟的分析产品之一,其完整的分析能力可解决
绝大部分工程界的问题,其模块众多,在此做以简单的介绍:
1.GEOSTAR（前,后处理器）
（静力分析模块）
（频率和挫曲分析模块）
（热效分析模块）
（动力分析模块）
（非线性分析模块）
（疲劳分析模块）
（最佳化分析模块）
（流力分析模块）
（紊流析加强模块）
（低频电磁分析模块）
（高频电磁分析模块）13.MICAV（微波分析模块）
COSMOS/EDGE只包含前四大模块,也即基本分析模块（中端模块）,COSMOS/M包含所有的模
块.因为我们所分析的问题为静力分析,所以用中端分析模块已足够了.
具体分析步骤:
<
一>
:
从Solid/Edge软件把叶轮模型转为COSMOS/EDGE的格式（注意:
COSMOS/EDGE
版的需要如此做,在COSMOS/EDGE版将可以直接打开Solid/Edge格式的文件）
二>
在COSMOS/EDGE点取属性菜单
1.选择单元类型（此处选择四面体单元）
2.选择材料（此处选择ALLOY_STEEL）
三>
在COSMOS/EDGE点取网格菜单
1.选择网格密度（此处Averageelementsize输入1）
2.选取部分网格进行网格的划分（注意COSMOS/EDGE先检测模型的完全定义性,如未完
全定义则给予提示,无法进行网格的划分）
本文叶轮的划分网格图形如下:
四>
选取边界载荷菜单,给出边界条件
1.选择位移子菜单的刚性连接选项,然后选择要固连的面（此叶轮应当固连后盘内圈）
2.选择载荷选项给出叶轮的角速度（此叶轮给1480r/min）
五>
.选取分析菜单,选择静态分析,并考虑离心力,然后用第二顺序快速有限元进行分
六>
.选取结果菜单进行观看结果,可看应力（图5,6,7）,应变,位移,
注意:
以上应力均是冯斯密斯应力至于应力（X,Y,Z向的应力,主应力1,2,3,剪应力,应变
和位移由于空间的缘故此处不做说明,详细请见软盘中的图形文件.
四.结果的验证和说明
由上图可知,前盘的应力分布明显比后盘的应力大,前,后盘都符合随着半径的增大应力
基本边小的规律,而且在同一半径的圆上,应力分布也不同,在连接叶片的点与在流道中间不
连叶片的点应力是不一样的.应力较大点在叶片气流进口边沿靠中间和前盘与叶片接触的进
气口部分（结果同<
风机技术>
>
1995西安交大童榴生老师的文章"
通风机叶轮强度的三维壳
体有限元计算方法"
分析结果基本一致.注意本文的模型与童榴生老师文章中的模型不是完
全一致,而且童老师的文章只取叶轮360/叶片数进行分析的）.本文的分析果同文[2]的分析
结果大体一致,更说明了力学模型建立及软件分析结果的正确,本文中的叶轮给出的角速度
过大,所以使叶片的叶片气流进口边沿靠中间应力非常大。
五.用COSMOS/EDGE分析叶轮的优点
1.用COSMOS/EDGE进行分析直观形象.一般的编程分析叶轮强度的软件,只能得出几个
枯燥的数据,不形象直观.
2.分析过程简单,因为叶轮主要受离心力作用,,此软件无需计算离心力,只要给定角速
度,软件系统会考虑离心力的作用对叶轮进行分析.
3.可对整个叶轮进行全面的分析.一般的程序只能分析360/叶片数部分的强度,这样有
时会与实际的偏差很大.而本软件可对叶轮整体进行分析.
4.会对叶轮材料的选择起参考作用,从而提高经济效益.
5.能加速叶轮开发生产的周期.通过SolidEdge进行建模后,马上就可进行强度分析,
强度不合格,可选其它材料或立即返回SolidEdge进行结构和尺寸参数的修改,再进行分析,
直到得出满意的结果.
6.另外此软件系统可显示应力变形的动态过程（存为AVI格式）.
7.操作简单,有分析的流程框提示你检查是否按步骤完成分析过程.
六.结论
总之CAE软件COSMOS/EDGE和CAD软件SolidEdge完美的结合,可帮你解决工程上的分
析问题,简单快捷,模块强大,我们在本文中只用到其中的静力模块.
让设计分析更轻松
一CosmosWorks介绍
1.简介
COSMOS是SRAC（StructuralResearch&
AnalysisCorporation）
推出的一套强大的有限元分析软件。
SRAC位于美国加州的洛杉矶，
从1982年成立至今，SRAC一直至力于有限元CAE技术的研究和发展。
早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航，军事部门
可以使用，而此后的一些有限元分析软件也都存在界面不友好、难学
难用的缺点，且要求的设备昂贵。
虽然用的范围大了一些，但也都是
集中在大学和一些研究机构，只有少数专业人员才能有机会接触，普
通的工程师可望而不可及。
然而自COSMOS出现后，有限元分析的大
门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易
学易用，简洁直观，能够在普通的PC机上运行，不需要专业的有限
元经验。
普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果，从
而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利
润空间。
做为世界上最快的有限元分析软件，COSMOS采用FFE（Fast
finiteElement）技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短，有一
位工程师打趣说"
自从有了COSMOSFFE技术，我连喝咖啡的时间都没
有了"
传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处
理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。
COSMOS提供了多场/
多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够
更好地模拟真实情况，结果也就更精确。
COSMOS主要功能模块（产品）：
COSMOSWorks
COSMOSDesignSTAR
COSMOSMotion
COSMOSFloworks
COSMOSMGeoStar
其中COSMOSWorks、COSMOSMotion、COSMOSFloworks做为标准
插件集成在SolidWorks中，整个的使用界面完全是Solidworks的风
格，只须简单的操作，便可进行分析。
COSMOSDesignSTAR是独立的
分析界面，它不依赖于您使用的CAD，您的设计可以方便地输入输出。
GeoStar是另一个独立的界面，它提供COSMOS所有的分析功能。
COSMOS/Works是完全整合在SOLIDWORKS中设计分析系统的，提
供压力、频率、约束、热量，和优化分析。
为设计工程师在SolidWorks
的环境下，提供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。
分析的模型和结果和Soli
-dWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双
向转换操作，分析也因而与计量单位无关。
在几何模型上，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。
这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小。
COSMOS/WORKS能够做哪些方面的分析，分别解决什么问题呢
其基本模块能做线性应力、位移、频率和室温、热分析，含装配
体分析，还可以选择购买运动分析和流体分析模块。
静应力分析----零件会断裂吗是超安全标准设计吗热应力
作用下会失效吗
频率分析----确定零件或装配的造型与其固有频率的关
系，会发生共振吗在需要共振效果的场合，如超声波焊接喇
叭，音叉，获得最佳设计效果。
失稳分析----在压载荷作用下，薄壁结构件会发生失稳
吗在这些情况下一般不会达到材料失效（应力超过材料屈服
极限）。
热分析----零件会过热吗热量在整个装配体中如何发
散用辐射、对流和传导三种方式研究热量在零件和装配中的
传播。
非线性分析----用于分析橡胶类或者塑料类的零件或装
配体的行为，还用于分析金属结构在达到屈服极限后的力学行
为。
也可以用于考虑大扭转和大变形，如：
突然失稳。
间隙/接触分析----在特定载荷下，两个或者更多运动零
件相互作用。
例如：
在传动链或其他机械系统中接触间隙未知
的情况下分析应力和载荷传递。
优化----在保持满足其他性能判据（如应力失效）的前提
下，自动定义最小体积设计。
后动力分析----零件或装配体在动态激励下的线性动力
学分析，如地震激励分析。
疲劳分析----预测疲劳对产品全生命周期的影响，确定可
能发生疲劳破坏的区域，
流体动力学计算（CFD）----跟踪导管内部或者螺旋桨等
表面的气体、液体流动状况。
CPU内的空气循环和冷却，
螺旋桨的升降。
电磁分析----研究导电原件的电磁相互作用，确定线圈和磁体感
应产生的机械力。
SRAC公司早在1985年她就开发出了世界上第一套应用
升级会员 