Solidworks-COSMOSWorks介绍和实例详解.ppt

SolidworksSolidworks - - COSMOSCOSMOS介绍介绍 刘老师刘老师 COSMOSCOSMOS发展历史发展历史 n n 19821982年年 SRAC(SRAC(StructuralStructural Research & Analysis Corporation Research & Analysis Corporation ) )公司建公司建 立，立，COSMOS/MCOSMOS/M发布第一款用于发布第一款用于PCPC的的CEACEA软件；软件； n n 19951995年年 SRACSRAC成为成为SolidWorksSolidWorks第一个合作伙伴；提供了完第一个合作伙伴；提供了完 全在全在WindowksWindowks平台下的平台下的CAECAE解决方案。解决方案。 n n 19971997年年 SRACSRAC成为第一个成为第一个SolidWorksSolidWorks 黄金合作伙伴；黄金合作伙伴； n n 20012001年年 SolidWorksSolidWorks被法国被法国DassaultDassault SystemesSystemes 收购收购 ； n n 20022002年年 SRACSRAC与与 SolidWorksSolidWorks 整合；整合； n n 20052005年年 发布发布COSMOS 2006COSMOS 2006，SolidWorksSolidWorks推出了推出了SolidWorksSolidWorks PremiumPremium版本，其中提供了版本，其中提供了COSMOS DesignerCOSMOS Designer软件，可以软件，可以 帮助用户解决全部的复杂装配体的静力分析问题。帮助用户解决全部的复杂装配体的静力分析问题。 n n 20062006年年 SolidWorksSolidWorks Premium Premium版本提供了版本提供了 COSMOSMotionCOSMOSMotion 软件，可以帮助用户解决装配体的运动学和动力学问题。软件，可以帮助用户解决装配体的运动学和动力学问题。 COSMOSCOSMOS主要功能模块（产品）主要功能模块（产品） n n COSMOSWorksCOSMOSWorks n n COSMOSMotionCOSMOSMotion n n COSMOSFloworksCOSMOSFloworks n n COSMOSDesignSTARCOSMOSDesignSTAR n n COSMOSDesignSTARCOSMOSDesignSTAR是独立的分析界面，它不依赖是独立的分析界面，它不依赖 于您使用的于您使用的CADCAD，您的设计可以方便地输入输出。，您的设计可以方便地输入输出。 n n COSMOSM COSMOSM GeoStarGeoStar n n GeoStarGeoStar是另一个独立的界面，它提供是另一个独立的界面，它提供COSMOSCOSMOS所有所有 的分析功能。的分析功能。 COSMOSWorksCOSMOSWorks n n COSMOSWorksCOSMOSWorks可以通过计算应力和温度帮助确定零件或装配体是否可以通过计算应力和温度帮助确定零件或装配体是否 会损坏或过热。它在统一的界面下包括了三个级别的产品：会损坏或过热。它在统一的界面下包括了三个级别的产品：DesignerDesigner 、ProfessionalProfessional、Advance ProfessionalAdvance Professional。 n n COSMOSWorksCOSMOSWorks Designer Designer是第一个面向非专业人员的验证软件，使得是第一个面向非专业人员的验证软件，使得 任何设计师或工程师均可在实际制造之前在现实条件下测试任何设计师或工程师均可在实际制造之前在现实条件下测试3D CAD3D CAD 模型，从而提高产品质量和安全性。可以轻松解决复杂的装配体分析模型，从而提高产品质量和安全性。可以轻松解决复杂的装配体分析 。 n n COSMOSWorksCOSMOSWorks Professional Professional提供了一系列功能强大的工具，可帮助提供了一系列功能强大的工具，可帮助 那些熟悉设计验证概念的工程师对零部件和装配体进行虚拟测试和分那些熟悉设计验证概念的工程师对零部件和装配体进行虚拟测试和分 析。除了包含析。除了包含COSMOSWorksCOSMOSWorks Designer Designer中包含的设计验证功能外，还中包含的设计验证功能外，还 扩展了分析功能：热分析、模态、屈曲、优化、疲劳以及跌落分析。扩展了分析功能：热分析、模态、屈曲、优化、疲劳以及跌落分析。 n n COSMOSWorksCOSMOSWorks Advance Professional Advance Professional是目前市场上最全面、最复杂的是目前市场上最全面、最复杂的 分析工具之一，它为分析员提供了多种分析功能，价格却远远低于大分析工具之一，它为分析员提供了多种分析功能，价格却远远低于大 多数的高端多数的高端CEA CEA 软件。软件。 COSMOSMotionCOSMOSMotion, , COSMOSFLWorksCOSMOSFLWorks n n COSMOSMotionCOSMOSMotion可以模拟机动化装配体的机械动作以及可以模拟机动化装配体的机械动作以及 它们产生的作用力。通过确定各种相关因素（如能量消耗它们产生的作用力。通过确定各种相关因素（如能量消耗 、运动零件之间的干涉），、运动零件之间的干涉），COSMOSMotionCOSMOSMotion有助于确定有助于确定 设计方案是否会失效、零件将在何时断裂以及它们是否存设计方案是否会失效、零件将在何时断裂以及它们是否存 在安全隐患。并可以将运动载荷输入到在安全隐患。并可以将运动载荷输入到COSMOSWorksCOSMOSWorks中中 进行应力分析实现协同仿真。进行应力分析实现协同仿真。 n n COSMOSFLWorksCOSMOSFLWorks是专门针对是专门针对SolidWorksSolidWorks用户开发的流体用户开发的流体 模拟工具，它可让用户深入了解零件或装配体与浸润固件模拟工具，它可让用户深入了解零件或装配体与浸润固件 或周围固件之间的流体、传热和受力情况。可以解决绝大或周围固件之间的流体、传热和受力情况。可以解决绝大 多数工程应用的流体模型。所有流体参数与多数工程应用的流体模型。所有流体参数与SolidWorksSolidWorks几几 何体相关联，并随设计改动而自动关联，并轻松实现难度何体相关联，并随设计改动而自动关联，并轻松实现难度 极高的极高的CFDCFD优化。优化。 COSMOSWorksCOSMOSWorks n n 完全整合在完全整合在SOLIDWORKS SOLIDWORKS 中设计分析系统的，提供压力中设计分析系统的，提供压力 、频率、约束、热量，和优化分析。、频率、约束、热量，和优化分析。 n n 为设计工程师在为设计工程师在SolidWorksSolidWorks的环境下，提供比较完整的分的环境下，提供比较完整的分 析手段。凭借先进的快速有限元技术析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE),(FFE),工程师能非常工程师能非常 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。修正和优化设计所需的必要信息。 n n 分析的模型和结果和分析的模型和结果和SolidWorksSolidWorks共享一个数据库，这意味共享一个数据库，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。而与计量单位无关。 n n 在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成在几何模型上，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。几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。 n n 计算结果也可以直观地显示在计算结果也可以直观地显示在SolidWorksSolidWorks精确的设计模型精确的设计模型 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。求很小。 COSMOSWORKSCOSMOSWORKS能够做哪些方面的能够做哪些方面的 分析，分别解决什么问题呢？分析，分别解决什么问题呢？ n n 其基本模块能做线性应力、位移、频率和室温、热分析，其基本模块能做线性应力、位移、频率和室温、热分析， 含装配体分析含装配体分析 n n 静应力分析静应力分析-零件会断裂吗？是超安全标准设计吗？热零件会断裂吗？是超安全标准设计吗？热 应力作用下会失效吗？应力作用下会失效吗？ n n 频率分析频率分析-确定零件或装配的造型与其固有频率的关系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，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。喇叭，音叉，获得最佳设计效果。 n n 失稳分析失稳分析-在压载荷作用下，薄壁结构件会发生失稳吗在压载荷作用下，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？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）。服极限）。 n n 热分析热分析-零件会过热吗？热量在整个装配体中如何发散零件会过热吗？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？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。的传播。 COSMOSWORKSCOSMOSWORKS能够做哪些方面的能够做哪些方面的 分析，分别解决什么问题呢？分析，分别解决什么问题呢？ n n 非线性分析非线性分析-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。扭转和大变形，如：突然失稳。 n n 间隙间隙/ /接触分析接触分析-在特定载荷下，两个或者更多运动零件相互作用。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。载荷传递。 n n 优化优化-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。最小体积设计。 n n 后动力分析后动力分析-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。激励分析。 n n 疲劳分析疲劳分析-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，坏的区域， n n 流体动力学计算（流体动力学计算（CFDCFD）-跟踪导管内部或者螺旋桨等表面的气体跟踪导管内部或者螺旋桨等表面的气体 、液体流动状况。例如：、液体流动状况。例如：CPUCPU内的空气循环和冷却，螺旋桨的升降。内的空气循环和冷却，螺旋桨的升降。 n n 电磁分析电磁分析-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。的机械力。 COSMOSCOSMOS优势优势 n n 专注于专注于SolidWorksSolidWorks。COSMOSCOSMOS提供了完全集成于提供了完全集成于Sol Sol idWorksidWorks的全面的的全面的CAECAE解解 决方案，可以有效利用决方案，可以有效利用SolidWorksSolidWorks的特性。并且的特性。并且COSMOSCOSMOS和和SolidWorksSolidWorks同步同步 更新，更新，CAECAE可以最有效利用可以最有效利用CADCAD的新功能和特性。的新功能和特性。 n n 面向所有设计人员和工程师的易于使用的设计验证工具。所有工程化的概念面向所有设计人员和工程师的易于使用的设计验证工具。所有工程化的概念 便于所有设计人员和工程师掌握便于所有设计人员和工程师掌握CAECAE软件。例如：对于复杂的实体单元和壳软件。例如：对于复杂的实体单元和壳 单元的连接，单元的连接，COSMOSCOSMOS直接在几何模型上处理可以非常方便的处理很复杂的直接在几何模型上处理可以非常方便的处理很复杂的 力学模型。轻松完成工作的强大功能。以力学模型。轻松完成工作的强大功能。以COSMOSWorksCOSMOSWorks为例，在为例，在COSMOSCOSMOS 中装配分析变得非常简单。不同的接头形式可以帮助每个设计者都有能力进中装配分析变得非常简单。不同的接头形式可以帮助每个设计者都有能力进 行装配体的分析。行装配体的分析。COSMOSCOSMOS提供了完全工程化的概念处理复杂的装配体分析提供了完全工程化的概念处理复杂的装配体分析 ，包括模拟刚性连接，弹簧连接，销钉连接，弹性支撑连接，螺栓连接，点，包括模拟刚性连接，弹簧连接，销钉连接，弹性支撑连接，螺栓连接，点 焊连接及通用的连接形式。焊连接及通用的连接形式。 n n 面向主流市场的价格合理的软件。面向主流市场的价格合理的软件。CAECAE主流市场不仅仅局限于航空航天，军主流市场不仅仅局限于航空航天，军 事，汽车等对事，汽车等对CAECAE有严格要求的行业，更重要的是服务于普通的消费品设计有严格要求的行业，更重要的是服务于普通的消费品设计 、电子产品、普通的机械等行业。分析是零部件的设计过程而不是事故后的、电子产品、普通的机械等行业。分析是零部件的设计过程而不是事故后的 验证工具，专业验证工具，专业CAECAE人员的作用不是进行简单零部件的计算等重复性工作，人员的作用不是进行简单零部件的计算等重复性工作， 而是帮助公司建立设计者使用的最好的规则。而是帮助公司建立设计者使用的最好的规则。COSMOSCOSMOS是面对设计者和分析是面对设计者和分析 专家都适用的专家都适用的CAECAE软件。软件。 n n 提供了针对不同工业行业的解决方案，包括本地销售、支持和培训。以及提提供了针对不同工业行业的解决方案，包括本地销售、支持和培训。以及提 供了非常快速的求解工具，做到了快速实现。供了非常快速的求解工具，做到了快速实现。 COSMOSWORKSCOSMOSWORKS分析步骤分析步骤 n n 生成算例并定义其分析类型和选项生成算例并定义其分析类型和选项。网格定义了可供使用的单元类型。网格定义了可供使用的单元类型。 n n 如果需要，请为算例定义参数。参数可以是模型尺寸、材料属性、力值或任如果需要，请为算例定义参数。参数可以是模型尺寸、材料属性、力值或任 何其它输入。何其它输入。 n n 定义材料属性。定义材料属性。如果在如果在 CAD CAD 系统中定义了材料属性，则不需要执行这一步。系统中定义了材料属性，则不需要执行这一步。 疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得材料定义。疲劳算例和优化算例使用参考的算例来获得材料定义。 n n 指定约束和载荷指定约束和载荷。您可以使用参数，而不使用数值。疲劳算例和优化算例使。您可以使用参数，而不使用数值。疲劳算例和优化算例使 用参考算例指定约束和载荷。掉落测试算例不允许您定义在设置过程之外指用参考算例指定约束和载荷。掉落测试算例不允许您定义在设置过程之外指 定的约束和载荷。定的约束和载荷。 n n 对于使用曲面的外壳网格，请生成外壳。对于使用曲面的外壳网格，请生成外壳。 n n 对于横梁网格，请定义横梁和接榫。对于横梁网格，请定义横梁和接榫。 n n 对于混合的网格算例，请定义外壳和实体。对于混合的网格算例，请定义外壳和实体。 n n 定义全局、零部件和局部接触设定。您还可以使用查找相触面组查找接触面定义全局、零部件和局部接触设定。您还可以使用查找相触面组查找接触面 。 n n 网格化模型，以便将模型划分为许多称作单元的小块。网格化模型，以便将模型划分为许多称作单元的小块。疲劳算例和优化算例疲劳算例和优化算例 使用参考算例中的网格。使用参考算例中的网格。 n n 如果需要，可定义多达如果需要，可定义多达 100 100 个设计情形。个设计情形。 n n 运行算例或设计情形。运行算例或设计情形。 n n 查看结果。查看结果。 COSMOSWORKSCOSMOSWORKS静态分析基本静态分析基本 步骤：步骤： n n 为零件指定材料为零件指定材料 n n 生成静态分析算例生成静态分析算例 n n 应用约束和压力载荷应用约束和压力载荷 n n 设定网格化选项和网格化零件设定网格化选项和网格化零件 n n 运行算例运行算例 n n 查看静态分析的基本结果查看静态分析的基本结果 有限元法的基本构架有限元法的基本构架 n n 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限 元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就 其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本 思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单 元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单 元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单 元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点 量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数 方程组，计入边界条件后可对方程求解。方程组，计入边界条件后可对方程求解。 n n 有限元的基本构成：有限元的基本构成： n n 节点（节点（NodeNode）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标 位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义 的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的 反应。反应。 n n 元素（元素（ElementElement）：元素是节点与节点相连而成，元素）：元素是节点与节点相连而成，元素 的组合由各节点相互连接。不同特性的工程系统，可的组合由各节点相互连接。不同特性的工程系统，可 选用不同种类的元素。选用不同种类的元素。 n n 自由度（自由度（Degree Of FreedomDegree Of Freedom）：上面提到节点具有某）：上面提到节点具有某 种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应 结果。结果。 应力和应变应力和应变 n n 应力是应力是反映物体一点处受力程度的力学量反映物体一点处受力程度的力学量. .在外力作用下物体内部产生在外力作用下物体内部产生 分布内力；分布内力； n n 物体由于外因物体由于外因( (受力、湿度变化等受力、湿度变化等) )而变形时，在物体内各部分之间产而变形时，在物体内各部分之间产 生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后 的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内 力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称力称为应力。同截面垂直的称为正应力或法向应力，同截面相切的称 为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料为剪应力或切应力。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料 ，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材 料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应 力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低，力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低， 规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。材料要想安 全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在全使用，在使用时其内的应力应低于它的极限应力，否则材料就会在 使用时发生破坏。使用时发生破坏。 n n 有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应有些材料在工作时，其所受的外力不随时间而变化，这时其内部的应 力大小不变，称为静应力；还有一些材料，其所受的外力随时间呈周力大小不变，称为静应力；还有一些材料，其所受的外力随时间呈周 期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。期性变化，这时内部的应力也随时间呈周期性变化，称为交变应力。 材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交 变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会 由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。 对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构 件的设计时应特别注意。件的设计时应特别注意。 应变应变 n n 物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述物体受力产生变形时，体内各点处变形程度一般并不相同。用以描述 一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元一点处变形的程度的力学量是该点的应变。为此可在该点处到一单元 体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。体，比较变形前后单元体大小和形状的变化。 n n A A 线应变线应变 n n 在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度在直角坐标中所取单元体为正六面体时，三条相互垂直的棱边的长度 在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用在变形前后的改变量与原长之比，定义为线应变，用 表示。一点在表示。一点在x x 、y y、z z方向的线应变分别为方向的线应变分别为xx、xx、yy、zz。线应变以伸长为正，缩。线应变以伸长为正，缩 短为负。短为负。 n n B B 切应变切应变 n n 单元体的两条相互垂直的棱边，在变形后的直角改变量，定义为角应单元体的两条相互垂直的棱边，在变形后的直角改变量，定义为角应 变或切应变，用变或切应变，用 表示。一点在表示。一点在x-yx-y方向、方向、y-zy-z方向方向z-xz-x方向的切应变，分方向的切应变，分 加别为加别为xyxy、yzyz、zxzx。切应变以直角减少为正，反之为负。切应变以直角减少为正，反之为负。 n n C C 一点的应变状态一点的应变状态 n n 一点的应变分量一点的应变分量xx、yy、zz、xyxy、yzyz、zxzx已知时，在该点处任意方已知时，在该点处任意方 向的线应变，以及通过该点任意两线段间的直角改变量，都可根据应向的线应变，以及通过该点任意两线段间的直角改变量，都可根据应 变分量的坐标变换公式求出。该点的应变状态也就确定。变分量的坐标变换公式求出。该点的应变状态也就确定。 应力和应变的关系应力和应变的关系 n n 由正应力、切应力、正应变与切应变的定义可以看出，与由正应力、切应力、正应变与切应变的定义可以看出，与 线应变线应变 相对应的应力是正应力相对应的应力是正应力 ，与切应变，与切应变 相对应的是相对应的是 切应力切应力 。 n n 试验表明，对于工程中常用材料制成的杆件，在弹性范围试验表明，对于工程中常用材料制成的杆件，在弹性范围 内加载时（应力小于某一极限值），若所取微单元只承受内加载时（应力小于某一极限值），若所取微单元只承受 单方向正应力或只承受切应力，则正应力与线应变以及切单方向正应力或只承受切应力，则正应力与线应变以及切 应力与切应变之间存在着线性关系：应力与切应变之间存在着线性关系： n n =EE n n =GG n n 其中，其中，E E和和G G为与材料有关的常数，分别称为弹性模量为与材料有关的常数，分别称为弹性模量( (或或 杨氏模量杨氏模量) )和切变模量，其常用单位为吉帕（和切变模量，其常用单位为吉帕（GpaGpa）,1Gpa= ,1Gpa= 1010 9 9 papa。上两式均称为虎克定律。上两式均称为虎克定律。 n n 有应力就有应变；有应变，就有应力（这有应力就有应变；有应变，就有应力（这 里指等温情况）。里指等温情况）。 n n 应力与应变间的关系，完全由材料决定，应力与应变间的关系，完全由材料决定， 反映了材料所固有的力学性质。不同的材反映了材料所固有的力学性质。不同的材 料会反映出不同的应力应变关系。材料的料会反映出不同的应力应变关系。材料的 力学性能和应力应变关系要通过实验得到力学性能和应力应变关系要通过实验得到 。 线性静态分析线性静态分析 (Linear Static (Linear Static Analysis)Analysis) n n 当载荷应用于物体上时，物体发生变形，当载荷应用于物体上时，物体发生变形， 载荷的作用将传到整个物体上。外部载荷载荷的作用将传到整个物体上。外部载荷 会引起内力和反作用力，使物体进入平衡会引起内力和反作用力，使物体进入平衡 状态。状态。 n n 线性静态分析计算在应用载荷作用下的位线性静态分析计算在应用载荷作用下的位 移、应变、应力和反作用力。移、应变、应力和反作用力。 线性函数和非线性函数线性函数和非线性函数 n n “ “线性线性” ”与与“ “非线性非线性” ”是两个数学名词。所谓是两个数学名词。所谓“ “线性线性” ”是指两个是指两个 量之间所存在的正比关系。若在直角坐标系上画出来，则量之间所存在的正比关系。若在直角坐标系上画出来，则 是一条直线。由线性函数关系描述的系统叫线性系统。在是一条直线。由线性函数关系描述的系统叫线性系统。在 线性系统中，部分之和等于整体。描述线性系统的方程遵线性系统中，部分之和等于整体。描述线性系统的方程遵 从叠加原理，即方程的不同解加起来仍然是原方程的解。从叠加原理，即方程的不同解加起来仍然是原方程的解。 这是线性系统最本质的特征之一。这是线性系统最本质的特征之一。“ “非线性非线性” ”是指两个量之是指两个量之 间的关系不是间的关系不是“ “直线直线” ”关系，在直角坐标系中呈一条曲线。关系，在直角坐标系中呈一条曲线。 n n 最简单的非线性函数是一元二次方程即抛物线方程。简单最简单的非线性函数是一元二次方程即抛物线方程。简单 地说，一切不是一次的函数关系，如一切高于一次方的多地说，一切不是一次的函数关系，如一切高于一次方的多 项式函数关系，都是非线性的。由非线性函数关系描述的项式函数关系，都是非线性的。由非线性函数关系描述的 系统称为非线性系统。系统称为非线性系统。 线性和非线性的关系线性和非线性的关系 n n 定性地说，线性关系只有一种，而非线性关系则千变万化，不胜枚定性地说，线性关系只有一种，而非线性关系则千变万化，不胜枚 举。举。 n n 线性是非线性的特例，它是简单的比例关系，各部分的贡献是相互线性是非线性的特例，它是简单的比例关系，各部分的贡献是相互 独立的；而非线性是对这种简单关系的偏离，各部分之间彼此影响独立的；而非线性是对这种简单关系的偏离，各部分之间彼此影响 ，发生偶合作用，这是产生非线性问题的复杂性和多样性的根本原，发生偶合作用，这是产生非线性问题的复杂性和多样性的根本原 因。因。 n n 正因为如此，非线性系统中各种因素的独立性就丧失了：整体不等正因为如此，非线性系统中各种因素的独立性就丧失了：整体不等 于部分之和，叠加原理失效，非线性方程的两个解之和不再是原方于部分之和，叠加原理失效，非线性方程的两个解之和不再是原方 程的解。因此，对于非线性问题只能具体问题具体分析。程的解。因此，对于非线性问题只能具体问题具体分析。 n n 线性与非线性现象的区别一般还有以下特征：线性与非线性现象的区别一般还有以下特征： n n （1 1）在运动形式上，线性现象一般表现为时空中的平滑运动，并可用）在运动形式上，线性现象一般表现为时空中的平滑运动，并可用 性能良好的函数关系表示，而非线性现象则表现为从规则运动向不规性能良好的函数关系表示，而非线性现象则表现为从规则运动向不规 则运动的转化和跃变；则运动的转化和跃变； n n （2 2）线性系统对外界影响的响应平缓、光滑，而非线性系统中参数的）线性系统对外界影响的响应平缓、光滑，而非线性系统中参数的 极微小变动，在一些关节点上，可以引起系统运动形式的定性改变。极微小变动，在一些关节点上，可以引起系统运动形式的定性改变。 n n 在自然界和人类社会中大量存在的相互作用都是非线性的，线性作用在自然界和人类社会中大量存在的相互作用都是非线性的，线性作用 只不过是非线性作用在一定条件下的近似。只不过是非线性作用在一定条件下的近似。 线性系统线性系统 n n 均匀性：首先它表现在系统量在空间分布上均匀，均匀性：首先它表现在系统量在空间分布上均匀， 其次表现在系统各要素之间相互作用的权重在时间其次表现在系统各要素之间相互作用的权重在时间 、空间上均匀。例如，一根线性弹簧的恢复力与被、空间上均匀。例如，一根线性弹簧的恢复力与被 拉伸长度之比不随时空而变，其圆频率拉伸长度之比不随时空而变，其圆频率 为常数，为常数， 即是均匀的。即是均匀的。 n n 独立性：两个不同因素的组合作用等于每个因素单独立性：两个不同因素的组合作用等于每个因素单 独作用的简单叠加，遵守线性叠加原理。如对于线独作用的简单叠加，遵守线性叠加原理。如对于线 性弹簧，则表现在每次拉伸性弹簧，则表现在每次拉伸1CM1CM而拉而拉5 5次的力之和等次的力之和等 于一次拉于一次拉5CM5CM的力。的力。 n n 可逆性：线性系统中将时间可逆性：线性系统中将时间T T反转变为反转变为T=-TT=-T，那么，那么 将沿同一轨迹回到原状态，例如牛顿第二定律，将沿同一轨迹回到原状态，例如牛顿第二定律， F=maF=ma，如果，如果T=-TT=-T，它的形式是不变的，将沿原运，它的形式是不变的，将沿原运 动的逆运动运行。动的逆运动运行。 非线性系统非线性系统 n n 非均匀性：表现在空间颁布、作用方式、效果随时非均匀性：表现在空间颁布、作用方式、效果随时 间、地点不同而不同，如我们熟知的台风，其便是间、地点不同而不同，如我们熟知的台风，其便是 复杂的非线性系统，它内部是不均匀的。复杂的非线性系统，它内部是不均匀的。 n n 相干性：系统内部各要素相互约束，相互反馈，相相干性：系统内部各要素相互约束，相互反馈，相 互干扰乱的作用，这表现在线性叠加原理失效。在互干扰乱的作用，这表现在线性叠加原理失效。在 光干涉、衍射中，这种例子较多，例如两列相干光光干涉、衍射中，这种例子较多，例如两列相干光 叠加，光强分别叠加，光强分别为为I1I1和和I2I2，则合成波光强在一般情，则合成波光强在一般情 况下不等于两者简单的代数和；况下不等于两者简单的代数和； n n 不可逆性：这是非线性系统的普遍特征，生命活动不可逆性：这是非线性系统的普遍特征，生命活动 不可逆，每日天气不可逆，其主要原因便是由于非不可逆，每日天气不可逆，其主要原因便是由于非 线性系统的非均匀性线性系统的非均匀性( (主要是时空上的不均匀主要是时空上的不均匀) )，使，使 得系统内部各要素的重要性及作用不对称。得系统内部各要素的重要性及作用不对称。 线形静态分析假设线形静态分析假设- -静态假设静态假设 n n 静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其静态假设。所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其 完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间 变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种 假设允许忽略惯性和阻尼力。引起相当大的惯性和（或）假设允许忽略惯性和阻尼力。引起相当大的惯性和（或） 阻尼力的随时间变化的载荷可以使用动态分析。动态载荷阻尼力的随时间变化的载荷可以使用动态分析。动态载荷 随时间而变，在许多情况会引起相当大的不能忽略的惯性随时间而变，在许多情况会引起相当大的不能忽略的惯性 和阻尼力。和阻尼力。 n n 验证静态假设很重要，因为动态载荷产生的应力可以高达相同验证静态假设很重要，因为动态载荷产生的应力可以高达相同 量值的静态载荷所产生的应力的量值的静态载荷所产生的应力的 1/(2x) 1/(2x) 倍，其中倍，其中 x x 是临界阻尼是临界阻尼 比。对于具有比。对于具有 5% 5% 阻尼的轻阻尼结构，动态应力将比静态应力阻尼的轻阻尼结构，动态应力将比静态应力 大大 10 10 倍。共振时情况最坏。倍。共振时情况最坏。 n n 可以使用静态分析计算以恒定速度旋转或以恒定加速度移动的可以使用静态分析计算以恒定速度旋转或以恒定加速度移动的 物体的结构反应，因为所产生的载荷不随时间而变化。物体的结构反应，因为所产生的载荷不随时间而变化。 n n 可以使用在其他可以使用在其他 COSMOS COSMOS 产品中提供的动态反应或非线性动产品中提供的动态反应或非线性动 态分析模块来计算动态载荷所引起的结构反应。动态载荷包括态分析模块来计算动态载荷所引起的结构反应。动态载荷包括 振动载荷、冲击、碰撞和随机载荷。振动载荷、冲击、碰撞和随机载荷。 线性假设线性假设 n n 线性假设。载荷和所引起的反应之间的关系是线性的线性假设。载荷和所引起的反应之间的关系是线性的 。例如，如果将载荷加倍，模型的反应（位移、应变。例如，如果将载荷加倍，模型的反应（位移、应变 及应力）也将加倍。如果以下条件成立，您可以作线及应力）也将加倍。如果以下条件成立，您可以作线 性假设：性假设： n n 模型中的所有材料均符合虎克定律，即应力与应变成正比模型中的所有材料均符合虎克定律，即应力与应变成正比 。 n n 所引起的位移足够小，以致可以忽略由加载所造成的刚度所引起的位移足够小，以致可以忽略由加载所造成的刚度 变化。变化。 n n 在应用载荷的过程中，边界条件不会改变。载荷的大小、在应用载荷的过程中，边界条件不会改变。载荷的大小、 方向和分布必须固定不变。当模型发生变形时，它们不应方向和分布必须固定不变。当模型发生变形时，它们不应 该改变。该改变。 频率分析频率分析 (Frequency Analysis)(Frequency Analysis) n n 每个结构都有以特定频率振动的趋势，这一频率也称作自每个结构都有以特定频率振动的趋势，这一频率也称作自 然频率或共振频率。每个自然频率都与模型以该频率振动然频率或共振频率。每个自然频率都与模型以该频率振动 时趋向于呈现的特定形状相关，称为模式形状。当结构被时趋向于呈现的特定形状相关，称为模式形状。当结构被 频率与其自然频率一致的动态载荷正常刺激时，会承受较频率与其自然频率一致的动态载荷正常刺激时，会承受较 大的位移和应力。这种现象就称为共振。对于无阻尼的系大的位移和应力。这种现象就称为共振。对于无阻尼的系 统，共振在理论上会导致无穷的运动。但阻尼会限制结构统，共振在理论上会导致无穷的运动。但阻尼会限制结构 因共振载荷而产生的反应。因共振载荷而产生的反应。 n n 如果您的设计将要承受已知频率的动态载荷，频率分析可如果您的设计将要承受已知频率的动态载荷，频率分析可 帮助您避免共振。帮助您避免共振。 n n 在某些设备的设计中需要共振。在某些设备的设计中需要共振。 n n 实际模型有无穷多个自然频率。但有限元素模型的自然频实际模型有无穷多个自然频率。但有限元素模型的自然频 率数目是有限的，等于模型中考虑的自由度数。在大多数率数目是有限的，等于模型中考虑的自由度数。在大多数 情况下，只需要前几个模式。情况下，只需要前几个模式。 n n 自然频率和相应的模式形状取决于几何、材料属性和支撑自然频率和相应的模式形状取决于几何、材料属性和支撑 条件。自然频率和模式形状的计算称为形态、频率和正常条件。自然频率和模式形状的计算称为形态、频率和正常 模式分析。模式分析。 线性化扭曲分析线性化扭曲分析 ( (LinearizedLinearized Buckling Analysis)Buckling Analysis) n n 细长模型在轴载荷下趋向于扭曲。扭曲是指当存储的膜片（轴）能量细长模型在轴载荷下趋向于扭曲。扭曲是指当存储的膜片（轴）能量 转换为折弯能量而外部应用的载荷没有变化时，所发生的突然变形。转换为折弯能量而外部应用的载荷没有变化时，所发生的突然变形。 从数学上讲，发生扭曲时，刚度矩阵变成奇异矩阵。此处使用的线性从数学上讲，发生扭曲时，刚度矩阵变成奇异矩阵。此处使用的线性 化扭曲方法可解决特征值问题，以估计临界的扭曲因子和相关的扭曲化扭曲方法可解决特征值问题，以估计临界的扭曲因子和相关的扭曲 模式形状。模式形状。 n n 模型在不同级别的载荷下可扭曲为不同的形状。模型扭曲的形状称为模型在不同级别的载荷下可扭曲为不同的形状。模型扭曲的形状称为 扭曲模式形状，载荷则称为临界或扭曲载荷。扭曲分析会计算扭曲对扭曲模式形状，载荷则称为临界或扭曲载荷。扭曲分析会计算扭曲对 话框中所要求的模式数。设计师通常对最低模式（模式话框中所要求的模式数。设计师通常对最低模式（模式 1 1）感兴趣，）感兴趣， 因为它与最低的临界载荷相关。当扭曲是临界设计因子时，计算多个因为它与最低的临界载荷相关。当扭曲是临界设计因子时，计算多个 扭曲模式有助于找到模型的脆弱区域。模式形状可帮助您修改模型或扭曲模式有助于找到模型的脆弱区域。模式形状可帮助您修改模型或 支持系统，以防止特定模式下的扭曲。支持系统，以防止特定模式下的扭曲。 n n 算例模型扭曲以及超出扭曲行为的更有效方法需要使用非线性设计分算例模型扭曲以及超出扭曲行为的更有效方法需要使用非线性设计分 析代码。析代码。 n n 何时使用扭曲分析何时使用扭曲分析 n n 以轴向装入的细长零件以及包含细长零部件的装配体会在相对而言很小以轴向装入的细长零件以及包含细长零部件的装配体会在相对而言很小 的轴载荷下扭曲。即使应力远远低于临界级别，这类结构也可能因扭曲的轴载荷下扭曲。即使应力远远低于临界级别，这类结构也可能因扭曲 而失效。对于这类结构而言，扭曲载荷是临界设计因子。大结构通常不而失效。对于这类结构而言，扭曲载荷是临界设计因子。大结构通常不 需要扭曲分析，因为它们会由于高应力而更早失效。需要扭曲分析，因为它们会由于高应力而更早失效。 设计优化设计优化 (Design Optimization)(Design Optimization) n n 优化算例可帮助您自动搜索最佳解决方案。在优优化算例可帮助您自动搜索最佳解决方案。在优 化设计时，需要定义目标（目标函数）、设计可化设计时，需要定义目标（目标函数）、设计可 以更改的尺度（设计变量）以及设计必须满足的以更改的尺度（设计变量）以及设计必须满足的 条件（行为约束）。条件（行为约束）。 n n 例如，可能要修改模型中的某些尺寸，以将材料需求例如，可能要修改模型中的某些尺寸，以将材料需求 降至最少，同时又保持安全级别的应力。在这种情况降至最少，同时又保持安全级别的应力。在这种情况 中，您的目标是减少材料量，变化的尺寸是设计变量中，您的目标是减少材料量，变化的尺寸是设计变量 ，应力级别不能超过特定限制的条件是行为约束。，应力级别不能超过特定限制的条件是行为约束。 n n 分析软件利用参数化的、基于特征的建模以及分析软件利用参数化的、基于特征的建模以及 CAD CAD 软件的自动更新功能来自动化优化过程。它软件的自动更新功能来自动化优化过程。它 可以快速检测更改设计变量的效果，将达到优化可以快速检测更改设计变量的效果，将达到优化 设计的设计周期数减至最少。设计的设计周期数减至最少。 非线性静态分析非线性静态分析(Nonlinear Static (Nonlinear Static Analysis)Analysis) n n 线性静态分析假设载荷和所引发的反应之间的关系是线性的。例如，线性静态分析假设载荷和所引发的反应之间的关系是线性的。例如， 如果将载荷量加倍，反应（位移、应变、应力及反作用力等）也将加如果将载荷量加倍，反应（位移、应变、应力及反作用力等）也将加 倍。倍。 n n 所有实际结构在某个水平的载荷作用下都会以某种方式发生非线性变所有实际结构在某个水平的载荷作用下都会以某种方式发生非线性变 化。在某些情况下，线性分析可能已经足够。在其他许多情况下，由化。在某些情况下，线性分析可能已经足够。在其他许多情况下，由 于违背了所依据的假设条件，因此线性求解会产生错误结果。造成非于违背了所依据的假设条件，因此线性求解会产生错误结果。造成非 线性的原因有材料行为、大型位移和接触条件。线性的原因有材料行为、大型位移和接触条件。 n n 您可以利用非线性算例来解决线性问题。其结果可能会由于过程的不您可以利用非线性算例来解决线性问题。其结果可能会由于过程的不 同而稍有不同。同而稍有不同。 n n 在非线性静态分析中，不考虑象惯性和阻尼力这样的动态效果。在非线性静态分析中，不考虑象惯性和阻尼力这样的动态效果。 在实际应用中遇到的结构非线性的在实际应用中遇到的结构非线性的 主要来源如下：主要来源如下： n n 几何非线性几何非线性 n n 在非线性有限元素分析中，非线性的主要来源是由于结构的总体几何配在非线性有限元素分析中，非线性的主要来源是由于结构的总体几何配 置中大型位移的作用。承受大型位移作用的结构会由于载荷所引起的变置中大型位移的作用。承受大型位移作用的结构会由于载荷所引起的变 形而在其几何体中发生重大变化，使结构以硬化和（或）软化方式作出形而在其几何体中发生重大变化，使结构以硬化和（或）软化方式作出 非线性反应。非