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傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算方法只能求解形狀規(guī)范，載荷和約束簡(jiǎn)單的零部件，對(duì)受力復(fù)雜的零部件則需要用有限元分析方法。目前商品化的有限元分析軟件已經(jīng)有了很大發(fā)展，其中應(yīng)用比較廣泛的有ANSYS和NASTRAN它們?cè)诠δ芊治龊颓蠼膺\(yùn)算上都能很好地滿足零部件有限元分析要求，而且經(jīng)過不斷的技術(shù)更新，在建模手段上也有了較大的提高。然而，由于有限元分析本身具有專業(yè)性強(qiáng)和建模復(fù)雜繁瑣的特點(diǎn)，即使是使用目前最先進(jìn)的有限元分析軟件進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析，無論在硬件還是人員上的投入都比較大。而SolidWorks的COSMOSWorks則可以讓設(shè)計(jì)人員在中小型計(jì)算機(jī)上輕松完成有限元分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件快速簡(jiǎn)便的功能分析。
COSMOS是SRAC公司推出的一套功能強(qiáng)大，操作方便的有限元分析軟件。其中COSMOSWorks是COSMOS的一個(gè)非常重要的模塊，能夠進(jìn)行靜力分析、頻率分析、熱分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。更加難能可貴的是COSMOSWorks與SolidWorks無縫集成，可以在SolidWorks環(huán)境下進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果可直觀地顯示在SolidWorks界面下的三維模型上。另外，COMOSWorks采用FFE(fast finite element)快速有限元算法技術(shù)，極大地提高有限元分析速度。COMOSWorks還能進(jìn)行復(fù)雜的裝配分析，使分析更好地模擬實(shí)際情況，得到的分析結(jié)果更準(zhǔn)確。
該行星齒輪架應(yīng)用于某產(chǎn)品減速器上。最初模型方案如圖，其中1處安裝太陽輪，2處周邊安裝4個(gè)行星輪，大小軸承分別安裝在3，4處。工作時(shí)電機(jī)的力矩通過太陽輪和行星輪傳遞給套在大小軸承上的行星齒圈上，最后傳遞到工作機(jī)構(gòu)。通過分析該零件的工作狀態(tài)和受力情況，在COMOSWorks中約束與受力可以抽象為圖所示。齒輪架最大外圈為固定約束，齒輪架通過止口螺栓與減速器殼體相連;在安裝軸承處受到向下和向后的2個(gè)壓力；小軸承對(duì)齒輪架產(chǎn)生1個(gè)軸向壓力；在安裝4個(gè)行星齒輪處，受到軸的壓力。
COMOSWorks提供了4種網(wǎng)格劃分算法：實(shí)體網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、使用中面的外殼網(wǎng)格和使用曲面的外殼網(wǎng)格，不必像其他CAE軟件那樣做復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和前后置處理。三維模型建成后，就可根據(jù)情況自動(dòng)劃分網(wǎng)格的形狀及大小，也可由使用者根據(jù)需要自行調(diào)節(jié)網(wǎng)格大小。單元格越小，劃分得就越精細(xì)，網(wǎng)格數(shù)也越多，計(jì)算量就越大。一般情況下采用默認(rèn)的網(wǎng)格劃分，其結(jié)果和精度還是可以接受的。為了使離散模型更加精細(xì)，計(jì)算結(jié)果合理可靠，對(duì)受力復(fù)雜的部位由人工干預(yù)，使用COMOSWorks提供的網(wǎng)格控制，設(shè)定元素大小為24 mm、比例為1:20將行星齒輪架共劃分為90676個(gè)單元格，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1391850劃分網(wǎng)格后的行星齒輪架有限元離散模型如圖所示。
在COMOSWorks中，對(duì)有限單元進(jìn)行分析，問題由1組同時(shí)求解的代數(shù)方程式來表示，有直接和迭代等2類求解方法。直接方法使用精確的數(shù)字方法求解方程式；迭代方法使用近似方法來求解方程式，在每次迭代中，都會(huì)求出1個(gè)解，并評(píng)估關(guān)聯(lián)的誤差。迭代過程一直持續(xù)，直到誤差可以接受為止。COMOSWorks軟件提供選擇Direct Spars和FFE等解算器。COMOSWorks會(huì)基于算例類型、分析選項(xiàng)、接觸條件等內(nèi)容選擇解算器。本文選用FFE解算器進(jìn)行靜力分析，并根據(jù)行星齒輪架在基本載荷工況下的應(yīng)力圖可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在殼體內(nèi)部可達(dá)952.7 MPa超出了所選材料的強(qiáng)度。
專業(yè)從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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