宁小波 邢 刚 蒋全胜

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

基于COSMOSMotion/Works对运动构件的应力分析

宁小波 邢 刚 蒋全胜

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

通过在SolidWorks软件中使用插件COSMOSMotion对运动构件的模拟仿真运动，记录下每个运动构件在运动中所受的实时载荷，将结果输出到COSMOSWorks。在插件COSMOSWorks中对运动构件在受到最大载荷的情况下进行应力有限元分析，从而使所设计的零部件在实际运动过程中能够满足安全要求。

COSMOSWorks；COSMOSMotion；实时载荷；有限元分析

1 引言

运动构件的应力分析对于机械设备的安全和可靠性都是非常重要的，但常规的方法是非常复杂的，有时是非人力所及的。COSMOSMotion是SolidWorks中提供的用于对运动构件的模拟仿真运动插件模块，COSMOSWorks是SolidWorks中提供的用于零件应力有限元分析的高效工具软件，作为 SRAC（StructuralResearch&Analysis Corporation）公司产品，它们具有使用方便、与SolidWroks无缝集成等特点。使用COSMOSWorks可以在三维设计环境中直接对零件进行应力分布检查，以找出设计的缺陷和薄弱环节，提高设计质量及零件的可靠性。下面以齿轮传动的运动机构为例，对小齿轮轴在齿轮啮合过程中的受到最大载荷一帧处进行应力分析与研究。

2 建立实体模型

在SolidWorks2006的软件环境下，建立如图1所示的运动机构的各个零部件的实体模型，再将各个零部件组装成装配体。

图1 运动机构实体模型图

3 利用插件的对装配体进行运动仿真。

（1）利用智能运动构件器对运动所需的条件进行设计。在这里，首先将小齿轮轴设定为主动件，转速为1200rpm。如图2

图2 映射的约束编辑

图3 3D碰撞编辑

其次，在设计树的碰撞中添加3D碰撞，碰撞的部件分别为小齿轮和大齿轮。在碰撞条件对话框中设置如下的参数，见图3所示。

最后，在设计树的单作用力中添加一个周期性力矩，施加于大齿轮的边缘。在力矩条件的图4对话框中设置如下的参数。

图4 单作用力编辑

（2）开始进行仿真模拟运动，仿真持续时间为 0.01s，帧数为 90。

（3）模拟运动结束后，绘制出小齿轮轴与平键之间的力的幅值图，如图5。

图5 小齿轮轴与平键之间的力的幅值图

从图中可以看出在时间为0.072时，力的幅值达到最大，此时的帧数为第64帧。

（4）将结果输出到COSMOSWorks中，出现如下的对话框，如图6所示。预览后即可保存帧范围，随后关闭对话框。

图6 FEA对话框

图7 运动负载输入对话框

4 利用COSMOSWorks插件对小齿轮轴进行应力分析。

COSMOSWorks是SolidWorks外挂的有限元分析模块。可以根据模型迅速地进行各种类型的分析，如静态分析、频率分析、热分析、弯曲分析等，并输出多种图解，如应力、应变、形变、位移等。在对数学模型有限元分析之前，必须进行以下几步设定：

（1）分析类型与选项。依据分析要求与分析目的选择分析类型，该例中选为动态分析。然后对每种类型的专题，也有不同选项的属性，其设置直接影响了分析效果与输出结果。

（2）材料设定。在运行专题前，必须先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。可用3种方式来定义：从COSMOS/M材料库中指定、手工指定材料的属性值和从CENTOR MATERIALL IBRARY（一个插件）中指定。

（3）载荷与约束。COSMOSWorks提供一个智能对话框来定义负荷和约束，对模型定义工作条件。

（4）接触/缝隙。对于接触分析，正确地设置接触选项，合理地选择接触类型是顺利进行有限元分析的关键点，它直接影响到分析结果。

（5）用二阶h-element划分网格。网格划分质量的好坏决定了有限元分析结果的准确性，网格划分越小，计算精度越高，单元定义造成的人为影响就越小，但所需的计算机资源和计算时间就越多。

在COSMOSWorks菜单中选择Import Motion Load，打开文件装配体，出现如下的对话框，如图7所示。

将Available loads关于小齿轮轴的所有的载荷都加入Selected loads，点击OK。在装配体的设计树中打开小齿轮轴的零件图，在COSMOSWorks的设计树中可看到命名为Frame－64的工程，小齿轮轴的材料选用合金钢。对小齿轮轴进行网格划分，如图8所示：

图8 小齿轮轴网格划分图

有限元分析完成后，COSMOSWorks自动生成各种图解。根据需要定义相应的图解，比如，可以观看应力、应变及变形的动态变化动画，得出小齿轮轴的应力分布如图9所示，同时也可以生成专题报告，为检查员或他人提供很好的材料，而且也可以放于网站上等。

图9 小齿轮轴的应力分布图

5 结论

（1）通过COSMOSMotion能够对运动构件进行仿真运动的模拟，并较全面地记录了每个运动构件在运动过程中所受的各种载荷。

（2）COSMOSWorks 在 接 受 来 自 COSMOSMotion的结果后，对小齿轮轴在最大载荷时进行有限元分析，从应力分布图可以清楚看到小齿轮轴在键槽靠右边的轴肩处的应力最大2.045×105psi，也就是最容易受到破坏的地方。通过对小齿轮轴有限元的分析与研究，为我们在实际设计中提供了依据，从而保证了设计的安全性和可靠性。

（3）从齿轮运动构件的分析中可以看出，对于其他任何工程机械传动构件都可以通过SolidWorks软件建立实物造型图，在通过其配套插件COSMOSMotion进行运动过程仿真，最后通过COSMOSWorks进行应力分析得出安全设计要求。整个过程在工程设计上简单实用，既可使三维CAD软件的功能得到充分发挥，又满足了提高设计效率的要求，具有较强的工程实际应用价值。

致谢

本文研究获得安徽省高等学校优秀青年人才基金项目和巢湖学院物理与电子科学系省级示范实验中心资金的支持，特在此表示感谢！

[1]张晋西，郭学琴编著.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2]江洪，陈燎，王智编著.SolidWorks有限元分析实例解析[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]郝一舒，李磊.基于COSMOS/Works的塑料斜齿轮与钢制蜗杆啮合特性研究[J].机械设计，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

安徽省高等学校优秀青年人才基金项目（项目编号：2009SQRZ137）

宁小波（1976-），男，安徽巢湖人。讲师，硕士，研究方向：机械设计、机电一体化。

责任编辑：宏 彬