COSMOSWorksCOSMOS®目录简介 1销钉接头 2螺栓接头 4弹簧接头 7点焊接头 8连接到精确、高效的装配体分析SolidWorks Corporation白皮书这些虚拟接头背后的概念与几代 专业分析人员一直使用的概念完 全相同COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第1页本白皮书仅适用于由通过螺栓、螺钉、销钉或弹簧连接的多个零件构成的 装配体组成的产品不同类型的装配体有着不同的模拟难点但它们相同 的一点是，都需要模拟连接装配体零部件的接头，这种模拟通常需要广泛 的分析知识和大量时间 专业的分析人员发现，尽管他们有专业的知识和经验，进行装配体分析仍 然非常困难，并且需要消耗大量时间例如，要模拟销钉连接（也就是一 对圆筒由销钉连接配合到一起，销钉允许或限定零件之间的旋转，例如钳 子可能用到的连接） ，专业的分析人员通常必须对穿过铰链圆筒的销钉进行 建模，并定义销钉和圆柱表面之间的缝隙接触，然后才能开始真正的分析 分析人员还需要知道使用多大的销钉设计工程师日常工作中最重要的部分是产品设计，而不是模拟；他们不是 专业分析人员他们非常忙，没有时间以传统的方式模拟接头但是如果他们不必以传统方式进行模拟，如果他们使用的软件有足够的智 能为他们完成其中最困难的部分，这该有多好？这正是COSMOSWorks 和COSMOSDesignSTAR 所能做的。
这两个程序中 包含虚拟的接头，使得分析包含销钉、弹簧、螺栓和螺钉的装配体变得非 常轻松和快速 这些虚拟接头背后的概念与几代专业分析人员一直使用的概念完全相同 COSMOS 在精确度上没有任何折扣 它提供简洁的用户界面，采用直接简单的输入，将许多以前由分析人员执 行的任务放到软件中执行，从而提供全面、精确的结果简 介在多数情况下，用户需要知道销 钉对其相邻零件或整个装配体的 影响，而不是销钉本身上的应力 分布COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第2页销钉接头 便携式计算机、剪刀式升降机、钳子以及致动器之类的产品的铰链一般都会使 用销钉接头每个人都非常熟悉的一个实例就是钳子（图1） 销钉穿过钳子的两个柄，活 动钳柄即可打开或合上钳口在传统的有限元分析(FEA) 中，模拟销钉行为的 典型方法是在有限元网格中对销钉零件进行建模，然后由分析人员定义销钉和 钳柄的圆柱面之间的接触但是，如果设计模型中包含多个销钉（例如剪刀式升降机） ，使用接触定义销 钉行为将消耗大量资源，有时候求解起来不太现实此外，这种做法可能无法 提供最需要的信息在多数情况下，用户需要知道销钉对其相邻零件或整个装配体的影响，而不是 销钉本身上的应力分布。
COSMOS 中的虚拟销钉接头专门用于处理这种情况， 从而使分析变得更加快速轻松利用这一功能，用户就可以了解销钉上的力和 运动并据此确定销钉的大小图1）—COSMOS 中的虚拟销钉接头只需最少的输 入，如钳子装配体所示，输入与销钉接触的面即可尽管界面非常简单易用，但软件 会执行定义销钉的FEA 模拟所需 的任务，这些任务与传统分析中 所述的任务同样复杂COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第3页定义虚拟销钉连接非常简单例如钳子，用户只需先确定与销钉接触的面即可COSMOS 中的虚拟销钉接头可以用来模拟旋转、前后滑动或者既旋转又滑动的销钉（图2） 因此，设计工程师需要选择所需的运动很明显，对于钳子，用户会假定所选面绕销钉自由旋转尽管界面非常简单易用，但软件会执行定义销钉的FEA 模拟所需的任务，这些任务与传统分析中所述的任务同样复杂COSMOS 使用横梁单元对销钉进行建模，并使用由用户指定了轴和旋转刚度的杆单元将其连接到两个零件的圆柱面（图3） 面的相对轴向运动取决于在接合处产生的轴向力及指定的轴向刚度同样，相对旋转取决于在接合处产生的力矩及指定的旋转刚度如果用户需要对自由旋转的纯粹销钉连接建模，可以选择“无平移”选项，COSMOS 会自动定义轴向刚度，使该连接在允许自由旋转的同时没有平移。
图3）— 如插图所示，销钉特性用横梁单元进行建模横 梁单元由杆单元连接到 part1 和 part2 上的所有节点图2）—COSMOS 中的销钉接头可以用来模拟此致动器装配体 中所示的旋转、前后滑动或者既旋转又滑动的销钉COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第4页除简化销钉建模之外，COSMOS 中的虚拟销钉接头还使分析软件的新手用户能 够轻松处理与销钉连接的装配体与以前的分析人员不同，他们不必担心横梁 单元的位置，也不必担心杆单元用来限制旋转或平移的刚度如果用户要自行对虚拟销钉接头进行建模（如果使用COSMOS 之外的其他软 件，这是其唯一选择） ，即必须手动定义横梁单元和杆单元在钳子的示例中， 设计工程师需要创建一个横梁单元和160 个杆单元因此，如果设计需要更 改，并导致大量重复的几何体更改或网格更改，用户每次都必须重复这些步 骤而且，如果设计工程师在定义横梁单元或杆单元时出错，他将很难找到 何处出错螺栓接头 以传统方式对销钉接头进行建模和分析可以说非常困难，而螺栓和螺钉接头则 更难以模拟这是因为这种模拟必须考虑螺栓预紧力和剪切力的影响COSMOS 提供可以处理此类分析问题的虚拟螺栓接头。
用户还可以了解螺栓上 的轴向反作用力和抗剪反作用力，以确定螺栓大小；还可以确定特定螺栓大小 所产生的锁模力以及拧紧扭矩是否足以克服外部载荷与前述销钉接头类似，该软件内置了分析智能，设计工程师只需定义几个必需 的参数，即可让程序执行复杂的计算用户必须定义的参数（图4）包 括：与螺栓头接触的法兰面、 螺栓杆、螺母（如果该接头为 螺钉，则不需要螺母） 、螺栓直 径、螺栓材料以及螺栓预载 如果用户提供螺栓拧紧扭矩和 扭矩系数以确定螺栓螺纹上的 摩擦力，该软件可以自动计算 螺栓预载以传统方式对销钉接头进行建模 和分析可以说非常困难，而螺栓 和螺钉接头则更难以模拟这是 因为这种模拟必须考虑螺栓预紧 力和剪切力的影响图4）—COSMOS 要求用户确定螺栓将接触的面、螺栓直 径以及材料等项目利用这些信息，COSMOS 就可以计算 并给出确定螺栓大小所需的结果对于接地螺栓，COSMOS 使用虚 拟壁选项模拟混凝土地面，因而 减小了分析模型的大小COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第5页所有这些输入都可以在一个对话框中完成在完成求解后，COSMOS 会提供以 下结果：作用在该螺栓上的轴向力、剪切力以及扭矩（图5） 。
COSMOS 还可以模拟接地螺栓的特性，例如红绿灯柱（图6）上的螺栓的特性， 在这种情况下，螺栓是嵌入到人行道的混凝土中的对于接地螺栓，COSMOS 使用虚拟壁选项模拟混凝土地面，因而减小了分析模型的大小图5）—COSMOS 提供轴向力、剪切力以及扭矩等必需的数据 以确定螺栓的大小图6）— 利用COSMOS 中的接地螺栓接头对红绿灯柱虚拟螺栓的特性进行建模虚拟螺栓接头不提供关于螺栓/螺 母上应力分布的数据，但提供螺 栓对相邻的零件或整个装配体的 影响COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第6页虚拟螺栓接头不提供关于螺栓/螺母上应力分布的数据，但提供螺栓对相邻零 件或整个装配体的影响如果螺栓/螺母上的应力分布非常重要，用户可以在 对螺栓特性进行建模的时候包含螺栓和螺母的实体模型，然后使用接触条件 而不是虚拟螺栓接头进行建模 与销钉接头一样，COSMOS 利用横梁单元（图7）对螺栓杆进行建模，该横 梁单元通过刚性杆单元连接到螺栓头和法兰之间的接触面螺栓杆的另一端 通过另一组刚性杆单元连接到螺母和法兰之间的接触面该软件通过对横梁 应用轴向力对螺栓预载进行建模此处使用的横梁单元是一个只承受张力的 单元，它只抗张力而不抗压力。
如果螺栓杆直径与法兰上的孔直径相同（即 紧密配合） ，该软件则会通过连接法兰孔面和螺栓杆之间的刚性杆单元对抗剪 效应进行建模图7）— 如插图所示，螺栓特性通过横梁单元和 杆单元进行建模横梁单元应由杆单元连接到螺 栓接触面上的所有节点需要对螺母接触面上的 所有节点重复相同的过程我只花了三个小时用虚拟接头在 COSMOS 中建立我的模型，而以 前这需要两到三天的时间” COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第7页由于这些连接横梁和法兰面的刚性杆， 螺栓/螺母区域附近的应力可能不太准确 但是，这种影响会逐渐减小，直到在距螺栓表面1 个螺栓直径左右的区域内几 乎完全消失 现实中的螺栓接头美国加利福尼亚的Force Measurement System (FMS) 公司制造用于测试马达 和喷气飞机引擎的推力试验台该试验台由高精度机械零件通过螺栓连接到一 起形成整个系统最近，FMS 的一个客户要求查看推力试验台中每个螺栓的安 全系数 过去，要完成这种工作，FMS 的首席工程师Scott McFarlane 必须按弹簧单元 对螺栓进行建模，以获得力的数据并使用螺栓预载建立模型，这是一系列需要 耗费大量时间的任务。
“以前没有一种轻松的功能可以让我说‘我需要将螺栓拧到这个预载值’ 我不 得不做许多枯燥的数据输入工作但COSMOS 虚拟螺栓接头非常简单并且易 于使用” ，McFarlane 说， “我只花了三个小时用虚拟接头在COSMOS 中建立我 的模型，而以前这需要两到三天的时间” 弹簧接头 减震器是典型的弹簧接头实例（图8） 如果分析人员要对弹簧本身进行建模并 将其网格化，他将需要许多单元来解决问题，因为他必须对弹簧被压缩时螺旋 圈之间的接触进行建模 弹簧被压缩时，弹簧的刚度会增加要使用传统的FEA 来分析弹簧接头，工程 师需要知道压缩所需力的大小，并按力除以长度位移等于弹簧刚度来计算刚度， 以磅/英寸或牛顿/毫米为单位表达结果尽管弹簧制造商会提供刚度信息，分 析人员仍需要观察弹簧在其使用环境下的特性图8）—COSMOS 中的虚拟弹簧接 头要求用户确定与弹簧接触的面和弹 簧刚度以模拟弹簧的特性使用传统的FEA 时，不同零件的 网格密度是不同的，知道弹簧刚 度的工程师需要计算网格化模型 中实际节点的数量，并将刚度平 均分配到通过弹簧连接的面的所 有节点上COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第8页使用传统的FEA 时，不同零件的网格密度是不同的，知道弹簧刚度的工程师需 要计算网格化模型中实际节点的数量，并将刚度平均分配到通过弹簧连接的面 的所有节点上。
如果连接面上的节点数不同，这一工作会非常困难更为复杂 的是，如果一个零件的网格比另一零件的粗，则网格密度高的地方刚度会显得 更高在传统的FEA 中，该过程非常困难，并且要耗费大量时间但COSMOS 知道网格分布，因此可以自动计算刚度，并且精确度更高用户 只需要选取两个曲面，输入总体弹簧刚度，然后单击“确定”即可进行网格化 并解决问题该软件还可以处理弹簧接头中的预载预载发生在弹簧的自然长度被部分压缩 的时候，例如，在压下圆珠笔弹簧的动作中点焊接头 钣金零件，例如汽车门上的钢板，通常使用点焊连接（图9） 图9）— 钣金零件，例如汽车门上的钢板，通常使用点焊连接虚拟接头等创新功能使设计人员 在设计过程的早期阶段就可以使 用设计分析，他们不必再等到后 期阶段才将分析任务交给专业分 析人员COSMOS®虚 拟 接 头虚 拟 接 头第9页COSMOS 新近增加了虚拟点焊接头类似于前述其他接头，该软件内置了智能功能，设计工程师只需定义几个参数即可，例如要焊接的钣金曲面、点焊位置以及点焊直径（图10） 与处理其他虚拟接头一样，COSMOS 使用横梁单元对点焊进行建模，并将其连接到点焊直径范围内的所有节点。
虚拟接头无疑可以节省大量的精力和时间但它们最重要的优点是使设计人员可以分析各种类型的装配体，没有该软件内置的智能功能，他们是无法对这些装配体进行分析的对于专业分析人员，虚拟接头可以自动执行重复性任务，减少因必须大量重。