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傳統(tǒng)強度計算方法只能求解形狀規(guī)范，載荷和約束簡單的零部件，對受力復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，其中應用比較廣泛的有ANSYS和NASTRAN它們在功能分析和求解運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)性強和建模復雜繁瑣的特點，即使是使用目前最先進的有限元分析軟件進行大型復雜結(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則可以讓設計人員在中小型計算機上輕松完成有限元分析計算，實現(xiàn)對零部件快速簡便的功能分析。
COSMOS是SRAC公司推出的一套功能強大，操作方便的有限元分析軟件。其中COSMOSWorks是COSMOS的一個非常重要的模塊，能夠進行靜力分析、頻率分析、熱分析和優(yōu)化設計。更加難能可貴的是COSMOSWorks與SolidWorks無縫集成，可以在SolidWorks環(huán)境下進行有限元分析，計算結(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還能進行復雜的裝配分析，使分析更好地模擬實際情況，得到的分析結(jié)果更準確。
該行星齒輪架應用于某產(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個行星輪，大小軸承分別安裝在3，4處。工作時電機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個壓力；小軸承對齒輪架產(chǎn)生1個軸向壓力；在安裝4個行星齒輪處，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，網(wǎng)格數(shù)也越多，計算量就越大。一般情況下采用默認的網(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，計算結(jié)果合理可靠，對受力復雜的部位由人工干預，使用COMOSWorks提供的網(wǎng)格控制，設定元素大小為24 mm、比例為1:20將行星齒輪架共劃分為90676個單元格，節(jié)點數(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，對有限單元進行分析，問題由1組同時求解的代數(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，都會求出1個解，并評估關(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會基于算例類型、分析選項、接觸條件等內(nèi)容選擇解算器。本文選用FFE解算器進行靜力分析，并根據(jù)行星齒輪架在基本載荷工況下的應力圖可知最大應力出現(xiàn)在殼體內(nèi)部可達952.7 MPa超出了所選材料的強度。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務與解決方案
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