基于SolidWorks和Cosmos_Works的有限元分析

随着电子计算机软硬件技术的不断发展和应用领域的日益扩大，计算机快速、准确的运算功能和图形功能，被广泛应用于现代设计方法中。

在现代设计阶段，解决的主要问题之一是一个承受载荷的组合体在各种运行条件下，内应力和变形要保持在一定的范围内，并要同时考虑在选用材料、工艺方法等技术限度内要达到优化设计的最佳状态。

在设计中通常利用计算机，并借助一些数学、力学工具来做大量的分析研究工作，其中包括对各种方案的分析比较。

当前采用的基本方法是应用范围极广泛的有限元法。

有限元法是以电子计算机作为计算工具的电算方法，它是对大型、复杂结构进行分析的有力工具。

近年来国外的一些大型商品化结构有限元分析程序得到了较大的发展，其中最著名的有AN-SYS、NASTRAN等。

然而，由于有限元分析本身具有专业性强和建模复杂繁琐的特点，所以即使是使用目前最先进的有限元分析程序进行大型复杂结构的有限元分析，仍需要投入较大的人力和物力。

为了降低有限元分析的成本，SRAC公司开发了面向微型计算机的大型结构有限元分析程序Cosmos/Motion，其目标是在微型计算机上完成原需要在中小型或大型计算机上才能完成的有限元分析计算，为工程师提供了在SolidWorks环境下的完整分析手段，可快速地对设计模型进行分析验证，获得最准确的修正数据来完善产品的设计。

其载荷和边界条件完全提取于SolidWorks模型，且随着SolidWorks几何特征的改变而更新；结合有限元算法（FEM）[2]，直观智能地划分网格单元、定义边界载荷条件，快速地求解计算结果；多种形式输出分析结果：应力、应变、形变等各类图表、梯度表、曲线图，基于动画等形式产生结果的仿真显示和报告。

分析的模型和结果与SolidWorks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，计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。

这样的环境既操作简单、又节省时间，而且硬盘空间资源要求很小。

1C osmos/Works软件的应用实例
下面以一个小型支架为例说明Cosmos/Works的应用。

在该应用实例中，软件既对零件所受的应力进行了分析，又为零件的制造提供了必要的参数，使支架既能满足要求，又能节约材料。

下面是支架有限元分析的具体步骤：
1.1定义零件的材料
零件的性能取决于其构成材料。

Cosmos/Motion必须标明零件材料的弹性属性。

使用者可以从Cosmos/Motion随附的材料库中挑选材料或手动输入材料属性。

输入材料可以是各向同性材料、正向性材料或各向异性材料。

机械材料的机械属性是唯一的，不受3个互相垂直轴方向的影响，则称为各向同性材料；反之，则为各向异性材料。

Cosmos/Motion仅支持各向同性材料，此例中定义支架材料为合金钢。

1.2应用约束
图1中的两个小孔为约束面。

1.3应用载荷
图1中的大孔为载荷面，载荷类型为压力，压力大小为1000 kgf。

1.4划分网格
基于SolidWorks和Cosm os/Works
的有限元分析
房君安
中国石油天然气第七建设公司山东青岛266300
摘要有限元法是以计算机作为计算工具的电算方法，它是对大型复杂结构进行分析的有力工具。

Cosmos/Works能与Solidworks进行无缝隙整合。

笔者利用一模型的有限元分析过程，验证设计的零件是否符合实际工作情况，并成功
地应用到广西石化350万t/a重油催化裂化装置中的再生器内旋风分离器的吊装。

关键词SolidWorks Cosmos/Works有限元法优化
中图分类号TU17文献标识码B文章编号1672-9323（2011）05-0043-02
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石油化工建设2011.05
石油化工建设2011.05
图6支架应力云图
图1支架在S olidWorks 中所建模型图2网格划分后的模型
网格的划分可以根据实际情况确定它的粗细程度见图2。

在第5步分析过程中，
如果网格划分太粗，系统会自动出现提示，要求把网格划分的细一些。

本例中采用的是默认的网格划分。

1.5分析零件
分析结果见图3，图形的扭曲反映了应力作用下变化情况；颜色的变化反映了零件内部应力的分布情况，图3右方的颜色滑杆所对应的应力数值及颜色分布与左方图像中的颜色对应。

2在实际吊装中的应用
2.1工程概况与软件分析
我公司负责建造安装的中国石油广西石化350万t/a 重油催化裂化装置是目前国内最大的催化裂化装置，其中的核心设备再生器内径16m 、总长度447.25m 、总重量1938.649t ，再生器内旋风分离器（共40个旋分）的吊装我公司首次采用了封头带旋分一起吊装的技术，但受吊装能力的限制，只能带上10个旋分，另外30个旋分在再生器筒体内做临时支架固定，30个旋分总重量达到360t 。

临时支架的设计我们公司首次利用了Solid-Works 软件。

图4为支架在筒体内的具体设计。

利用SolidWorks 软件在筒体内部设计出临时支架详图，并安装上三十个旋分后，确定支架与筒体的各个连接点为约束点，除筒体与支架自身重力外把360t 的旋分重量平均分布到水平支撑上，见图5。

进行应力分析，
观察是否满足承重能力。

经受力分析（图6），发现支架的中间部位是受力最大区域，但并没有超出所选材料的许用应力，因此能够满足吊装时作为临时支架的要求。

2.2C osmos/Works 的实际应用
摆放旋分的临时支架的设计是重点也是难点。

在以往我们所设计吊装机索具时常用AutoCAD 或CAXA 这两种绘图软件，而这两种软件设计以平面二维为主，而且不能进行计算分析，在施工中需要绘图技术人员现场指导，才能保证施工质量。

Cosmos/Works 软件解决了这一难题，它有三维制图功能，三维绘图配合二维图纸清晰、
明确，让人一目了然；而且进行有限元分析更是方便、准确，减少了技术人员很大的工作量。

这次广西石化炼油再生器临时支架的设计、计算全部采用了Cos-mos/Works 软件进行，并且成功的应用到了实际施工。

具体可见图7。

3总结
传统的有限元分析软件的学习和掌握需要花费大量时间，网格剖分和求解的时间很长，对于比较大的结构必须用工作站
进行求解，而Cosmos/Works 应用了快速有限元分析的方法，有限元网格剖分和求解的速度极快，极大地方便了工程技术人员在设计过程中的应用，为解决复杂的工程分析计算问题提供了快速而有效的途径。

参考文献
1戴向国,谷诤巍,贾志新.SolidWorks2003基础及应用教程[M ].北京:人民邮电出版社,2003.
2王宝成.有限元分析法[M].天津:天津科学技术出版社,2001.
（收稿日期：2010-09-29）
图3支架应力分布图
图4筒体内支架及其带30个旋分模型图
图5定义约束与载荷后支架图
图7再生器旋风分离器现场组图
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