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Course Guide SolidWorks COSMOS培训 1 COSMOSWorks基础 计算机辅助工程分析基本理论 引言 CAE的基本概念 有限元分析概述 CAE基本结构与功能 CAE应用与发展 主流CAE软件简介 COSMOSWorks概述 引言 计算机辅助技术已经成为现代设计方法的主要手段和工具。计算机辅助工程分析方法和软件是关键的技术要素之一。 借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。 通过使用非线性仿真软件MSC Dytran和MSC Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。 计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。 事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。 在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。 CAE的基本概念 计算机辅助工程分析（Computer Aided Engineering, CAE）是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统，是以现代力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。 在CAE技术的主要内容包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁分析等，其中有限元法(FEA，Finite Element Analysis)在机械中运用最成功、最广泛。 有限元分析概述 （1）有限元分析的基本思想 有限元法是复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力相应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。 有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。 离散化过程就是网格划分过程，即将几何体剖分成相对小且形状简单的实体，这些实体称为有限单元。将单元称为“有限”的，是为了强调单元不是无限小，而是与整个模型的尺寸相比之下适度的小。 通过将一个形状复杂的连续体结构的求解区域分解为有限个形状简单的子区域（单元），这样求解连续体的场变量（应力、位移、压力和问题）问题简化为求解有限个单元节点上场变量值。 此时，求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来的描述真是连续体场变量的微分方程组，得到近似的数值解。 求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。 （2）有限元分析的平衡方程 有限元分析计算是在得到前处理模块传来的数据后，根据有关力学原理针对每个单元建立离散结构的物理方程、几何方程和平衡方程，通过对方程组的求解从而得到结构上各点的力学特性。 有限元法大多采用位移法进行计算，即在求解过程中，把结构各节点的位移当作未知数，通过求解位移，进而可以求出应变、应力以及主应力。 建立结构的平衡方程，首先要得出每个单元的刚度矩阵Ke： 得出单元的刚度矩阵后，就可以组装结构的刚度矩阵并且建立结构的位移向量和整个结构的全部载荷列阵，其中载荷列阵可以通过静力等效原则，将作用在各单元上的载荷等效到节点上得出，它包括一下几种载荷形式： （1）外载荷引起的节点力； （2）体积力引起的节点力； （3）表面力引起的节点力； （4）热应变引起的节点力。 根据力的平衡条件，可以得出整个结构的平衡方程组： (3)离散化结构描述 坐标系（笛卡尔、柱坐标、球坐标） 节点（X、Y、Z） 单元（弹性单元、线单元、面单元、体单元、约束元、质量单元） 载荷—集中力、力矩、梁上的分布载荷、板和体面上的压力载荷、重量载荷、加速度载荷、强迫位移 边界条件—固支、铰支、弹性、自由 材料性质—各向同性、各向异性、复合材料、流体材料、温度相关材料 （3）有限元网格生成技术 有限单元法是数值分析强有力的工具，它首先将要分析的物体离散成有限个简单单元的组合，再用这些单元的集合来模拟逼近原来的物体。然后对离散得到的单元进行分析，最终得到对整个物体的分析结果。 有限元前处理是有限单元法的主要瓶颈，解决这一问题的有效方法就是用计算机自动地或交互地生成有限元网格。 （a）单元类型 弹簧元（拉伸或扭转）CELAS1、C