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solidwork零部件受力仿真
CosmosWorks装配体分析接头篇
（一）简介
简介
本白皮书仅适用于由通过螺栓、螺钉、销钉或弹簧连接的多个零件构成的装配体组成的产品。
不同类型的装配体有着不同的模拟难点。
但它们相同的一点是，都需要模拟连接装配体零部件的接头，这种模拟通常需要广泛的分析知识和大量时间。
专业的分析人员发现，尽管他们有专业的知识和经验，进行装配体分析仍然非常困难，并且需要消耗大量时间。
例如，要模拟销钉连接（也就是一对圆筒由销钉连接配合到一起，销钉允许或限定零件之间的旋转，例如钳子可能用到的连接），专业的分析人员通常必须对穿过铰链圆筒的销钉进行建模，并定义销钉和圆柱表面之间的缝隙接触，然后才能开始真正的分析。
分析人员还需要知道使用多大的销钉。
设计工程师日常工作中最重要的部分是产品设计，而不是模拟；他们不是专业分析人员。
他们非常忙，没有时间以传统的方式模拟接头。
但是如果他们不必以传统方式进行模拟，如果他们使用的软件有足够的智能为他们完成其中最困难的部分，这该有多好？
这正是COSMOSWorks和COSMOSDesignSTAR所能做的。
这两个程序中包含虚拟的接头，使得分析包含销钉、弹簧、螺栓和螺钉的装配体变得非常轻松和快速。
这些虚拟接头背后的概念与几代专业分析人员一直使用的概念完全相同。
COSMOS在精确度上没有任何折扣。
它提供简洁的用户界面，采用直接简单的输入，将许多以前由分析人员执行的任务放到软件中执行，从而提供全面、精确的结果。
CosmosWorks装配体分析接头篇
（二）销钉接头
销钉接头
便携式计算机、剪刀式升降机、钳子以及致动器之类的产品的铰链一般都会使用销钉接头。
每个人都非常熟悉的一个实例就是钳子（图1）。
销钉穿过钳子的两个柄，活动钳柄即可打开或合上钳口。
在传统的有限元分析（FEA）中，模拟销钉行为的典型方法是在有限元网格中对销钉零件进行建模，然后由分析人员定义销钉和钳柄的圆柱面之间的接触。
此主题相关图片如下：
（图1）—COSMOS中的虚拟销钉接头只需最少的输入，如钳子装配体所示，输入与销钉接触的面即可。
但是，如果设计模型中包含多个销钉（例如剪刀式升降机），使用接触定义销钉行为将消耗大量资源，有时候求解起来不太现实。
此外，这种做法可能无法提供最需要的信息。
在多数情况下，用户需要知道销钉对其相邻零件或整个装配体的影响，而不是销钉本身上的应力分布。
COSMOS中的虚拟销钉接头专门用于处理这种情况，从而使分析变得更加快速轻松。
利用这一功能，用户就可以了解销钉上的力和运动并据此确定销钉的大小。
定义虚拟销钉连接非常简单。
例如钳子，用户只需先确定与销钉接触的面即可。
COSMOS中的虚拟销钉接头可以用来模拟旋转、前后滑动或者既旋转又滑动的销钉（图2）。
因此，设计工程师需要选择所需的运动。
很明显，对于钳子，用户会假定所选面绕销钉自由旋转。
此主题相关图片如下：
（图2）—COSMOS中的销钉接头可以用来模拟此致动器装配体中所示的旋转、前后滑动或者既旋转又滑动的销钉。
尽管界面非常简单易用，但软件会执行定义销钉的FEA模拟所需的任务，这些任务与传统分析中所述的任务同样复杂。
COSMOS使用横梁单元对销钉进行建模，并使用由用户指定了轴和旋转刚度的杆单元将其连接到两个零件的圆柱面（图3）。
面的相对轴向运动取决于在接合处产生的轴向力及指定的轴向刚度。
同样，相对旋转取决于在接合处产生的力矩及指定的旋转刚度。
如果用户需要对自由旋转的纯粹销钉连接建模，可以选择“无平移”选项，COSMOS会自动定义轴向刚度，使该连接在允许自由旋转的同时没有平移。
此主题相关图片如下：
（图3）—如插图所示，销钉特性用横梁单元进行建模。
横梁单元由杆单元连接到part1和part2上的所有节点。
除简化销钉建模之外，COSMOS中的虚拟销钉接头还使分析软件的新手用户能够轻松处理与销钉连接的装配体。
与以前的分析人员不同，他们不必担心横梁单元的位置，也不必担心杆单元用来限制旋转或平移的刚度。
如果用户要自行对虚拟销钉接头进行建模（如果使用COSMOS之外的其他软件，这是其唯一选择），即必须手动定义横梁单元和杆单元。
在钳子的示例中，设计工程师需要创建一个横梁单元和160个杆单元。
因此，如果设计需要更改，并导致大量重复的几何体更改或网格更改，用户每次都必须重复这些步骤。
而且，如果设计工程师在定义横梁单元或杆单元时出错，他将很难找到何处出错。
CosmosWorks装配体分析接头篇（三）螺栓接头（续）
COSMOS还可以模拟接地螺栓的特性，例如红绿灯柱（图6）上的螺栓的特性，在这种情况下，螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的。
对于接地螺栓，COSMOS使用虚拟壁选项模拟混凝土地面，因而减小了分析模型的大小。
此主题相关图片如下：
（图6）—利用COSMOS中的接地螺栓接头对红绿灯柱虚拟螺栓的特性进行建模。
虚拟螺栓接头不提供关于螺栓/螺母上应力分布的数据，但提供螺栓对相邻零件或整个装配体的影响。
如果螺栓/螺母上的应力分布非常重要，用户可以在对螺栓特性进行建模的时候包含螺栓和螺母的实体模型，然后使用接触条件而不是虚拟螺栓接头进行建模。
与销钉接头一样，COSMOS利用横梁单元（图7）对螺栓杆进行建模，该横梁单元通过刚性杆单元连接到螺栓头和法兰之间的接触面。
螺栓杆的另一端通过另一组刚性杆单元连接到螺母和法兰之间的接触面。
该软件通过对横梁应用轴向力对螺栓预载进行建模。
此处使用的横梁单元是一个只承受张力的单元，它只抗张力而不抗压力。
如果螺栓杆直径与法兰上的孔直径相同（即紧密配合），该软件则会通过连接法兰孔面和螺栓杆之间的刚性杆单元对抗剪效应进行建模。
此主题相关图片如下：
（图7）—如插图所示，螺栓特性通过横梁单元和杆单元进行建模。
横梁单元应由杆单元连接到螺栓接触面上的所有节点。
需要对螺母接触面上的所有节点重复相同的过程。
由于这些连接横梁和法兰面的刚性杆，螺栓/螺母区域附近的应力可能不太准确。
但是，这种影响会逐渐减小，直到在距螺栓表面1个螺栓直径左右的区域内几乎完全消失。
现实中的螺栓接头
美国加利福尼亚的ForceMeasurementSystem（FMS）公司制造用于测试马达和喷气飞机引擎的推力试验台。
该试验台由高精度机械零件通过螺栓连接到一起形成整个系统。
最近，FMS的一个客户要求查看推力试验台中每个螺栓的安全系数。
过去，要完成这种工作，FMS的首席工程师ScottMcFarlane必须按弹簧单元对螺栓进行建模，以获得力的数据并使用螺栓预载建立模型，这是一系列需要耗费大量时间的任务。
“以前没有一种轻松的功能可以让我说‘我需要将螺栓拧到这个预载值’。
我不得不做许多枯燥的数据输入工作。
但COSMOS虚拟螺栓接头非常简单并且易于使用”，McFarlane说，“我只花了三个小时用虚拟接头在COSMOS中建立我的模型，而以前这需要两到三天的时间”。
CosmosWorks装配体分析接头篇（四）弹簧接头
弹簧接头
减震器是典型的弹簧接头实例（图8）。
如果分析人员要对弹簧本身进行建模并将其网格化，他将需要许多单元来解决问题，因为他必须对弹簧被压缩时螺旋圈之间的接触进行建模。
弹簧被压缩时，弹簧的刚度会增加。
要使用传统的FEA来分析弹簧接头，工程师需要知道压缩所需力的大小，并按力除以长度位移等于弹簧刚度来计算刚度，以磅/英寸或牛顿/毫米为单位表达结果。
尽管弹簧制造商会提供刚度信息，分析人员仍需要观察弹簧在其使用环境下的特性。
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（图8）—COSMOS中的虚拟弹簧接头要求用户确定与弹簧接触的面和弹簧刚度以模拟弹簧的特性。
使用传统的FEA时，不同零件的网格密度是不同的，知道弹簧刚度的工程师需要计算网格化模型中实际节点的数量，并将刚度平均分配到通过弹簧连接的面的所有节点上。
如果连接面上的节点数不同，这一工作会非常困难。
更为复杂的是，如果一个零件的网格比另一零件的粗，则网格密度高的地方刚度会显得更高。
在传统的FEA中，该过程非常困难，并且要耗费大量时间。
但COSMOS知道网格分布，因此可以自动计算刚度，并且精确度更高。
用户只需要选取两个曲面，输入总体弹簧刚度，然后单击“确定”即可进行网格化并解决问题。
该软件还可以处理弹簧接头中的预载。
预载发生在弹簧的自然长度被部分压缩的时候，例如，在压下圆珠笔弹簧的动作中。
CosmosWorks装配体分析接头篇（五）点焊接头
点焊接头
钣金零件，例如汽车门上的钢板，通常使用点焊连接（图9）
此主题相关图片如下：
（图9）—钣金零件，例如汽车门上的钢板，通常使用点焊连接。
COSMOS新近增加了虚拟点焊接头。
类似于前述其他接头，该软件内置了智能功能，设计工程师只需定义几个参数即可，例如要焊接的钣金曲面、点焊位置以及点焊直径（图10）。
与处理其他虚拟接头一样，COSMOS使用横梁单元对点焊进行建模，并将其连接到点焊直径范围内的所有节点。
此主题相关图片如下：
（图10）—如汽车钢板的示例所示，在COSMOS中模拟点焊连接非常轻松，只需输入少量数据即可完成。
虚拟接头无疑可以节省大量的精力和时间。
但它们最重要的优点是使设计人员可以分析各种类型的装配体，没有该软件内置的智能功能，他们是无法对这些装配体进行分析的。
对于专业分析人员，虚拟接头可以自动执行重复性任务，减少因必须大量重复繁琐的手工定义而导致的错误，从而帮助他们提高生产效率。
虚拟接头等创新功能使设计人员在设计过程的早期阶段就可以使用设计分析，他们不必再等到后期阶段才将分析任务交给专业分析人员。
有了在早期对设计进行分析的能力，制造企业就可以降低总体开发时间和成本。
CosmosWorks装配体分析接头篇（三）螺栓接头
螺栓接头
以传统方式对销钉接头进行建模和分析可以说非常困难，而螺栓和螺钉接头则更难以模拟。
这是因为这种模拟必须考虑螺栓预紧力和剪切力的影响。
COSMOS提供可以处理此类分析问题的虚拟螺栓接头。
用户还可以了解螺栓上的轴向反作用力和抗剪反作用力，以确定螺栓大小；还可以确定特定螺栓大小所产生的锁模力以及拧紧扭矩是否足以克服外部载荷。
与前述销钉接头类似，该软件内置了分析智能，设计工程师只需定义几个必需的参数，即可让程序执行复杂的计算。
用户必须定义的参数（图4）包括：
与螺栓头接触的法兰面、螺栓杆、螺母（如果该接头为螺钉，则不需要螺母）、螺栓直径、螺栓材料以及螺栓预载。
如果用户提供螺栓拧紧扭矩和扭矩系数以确定螺栓螺纹上的摩擦力，该软件可以自动计算螺栓预载。
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（图4）—COSMOS要求用户确定螺栓将接触的面、螺栓直径以及材料等项目。
利用这些信息，COSMOS就可以计算并给出确定螺栓大小所需的结果。
所有这些输入都可以在一个对话框中完成。
在完成求解后，COSMOS会提供以下结果：
作用在该螺栓上的轴向力、剪切力以及扭矩（图5）。
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（图5）—COSMOS提供轴向力、剪切力以及扭矩等必需的数据以确定螺栓的大小。
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