有限元分析：图解COSMOSWorks（Simulation）

本书从实用的基础知识出发，循序渐进、举一反三，意在融会贯通、抛砖引玉。本书分两部分：COSMOSWorks（simulation）基础知识篇和线性静态分析应用篇。本书适合于SolidWorks读者和其他CAD用户，如Auto CAD、Pro/E、Solid Edge、CAM等等，所有机械设计、产品设计、模具设计、结构设计和结构分析的初、中级读者用户，适合于工业、企业的产品开发和技术部门，适合于高等院校的同类专业学习。

刘国良，男，1958年出生，河南省洛阳市人。1982年毕业于郑州大学物理系无线电专业，学士学位，洛阳理工学院教授级高级工程师。 出版著作10部，其中：专著7部，本科教材3部，100万字以上2部，获”河南省自然科学优秀学术著作二等奖”1部。发表论文11篇，其中5篇获EI检索，1篇SCI检索。专利14项：发明5项，实用新型9项。计算机软件著作权15项。

第1 章 Simulation 基础 ………………………………………………………………………………………………. 1
1.1 关于有限元分析 ……………………………………………………………………………………………… 1
1.1.1 概述 ……………………………………………………………………………………………………… 1
1.1.2 FEA 是CAE 的主体 ………………………………………………………………………………. 3
1.1.3 CAE 的发展趋势 …………………………………………………………………………………… 4
1.1.4 Simulation（COSMOSWorks）的优势 ……………………………………………………. 5
1.2 关于Simulation（COSMOSWorks） ………………………………………………………………… 5
1.2.1 什么是Simulation（COSMOSWorks） …………………………………………………… 6
1.2.2 Simulation 的功能、特点 ……………………………………………………………………….. 8
1.2.3 Simulation 界面 ……………………………………………………………………………………… 9
1.2.4 Simulation 算例属性管理器 ………………………………………………………………….. 10
1.2.5 Simulation 工具栏 ………………………………………………………………………………… 12
1.2.6 设定Simulation 普通选项 …………………………………………………………………….. 13
1.2.7 Simulation 使用的单位 …………………………………………………………………………. 15
1.2.8 坐标系 ………………………………………………………………………………………………… 17
1.3 Simulation 分析基础 ………………………………………………………………………………………. 18
1.3.1 有限元法及其基本构成 ……………………………………………………………………….. 18
1.3.2 Simulation 的应力和应变 ……………………………………………………………………… 19
1.3.3 Simulation 解算器 ………………………………………………………………………………… 21
1.4 “有限元分析FEA”的一般步骤 …………………………………………………………………… 23
1.4.1 建立数学模型 ……………………………………………………………………………………… 23
1.4.2 建立有限元模型 ………………………………………………………………………………….. 26
1.4.3 有限元求解 …………………………………………………………………………………………. 27
第2 章 生成“算例” ………………………………………………………………………………………………… 29
2.1 算例 ……………………………………………………………………………………………………………… 29
2.1.1 生成算例 …………………………………………………………………………………………….. 29
2.1.2 删除“算例” ……………………………………………………………………………………… 30
2.1.3 查看“算例” ……………………………………………………………………………………… 30
2.2 “算例”类型 ……………………………………………………………………………………………….. 31
2.2.1 静态（应力）算例 ………………………………………………………………………………. 31
VIII
2.2.2 频率算例 …………………………………………………………………………………………….. 31
2.2.3 扭曲（屈曲）算例 ………………………………………………………………………………. 31
2.2.4 热力算例 …………………………………………………………………………………………….. 31
2.2.5 跌落测试算例 ……………………………………………………………………………………… 32
2.2.6 疲劳算例 …………………………………………………………………………………………….. 32
2.2.7 压力容器设计算例 ………………………………………………………………………………. 32
2.2.8 优化算例（设计算例） ……………………………………………………………………….. 32
2.2.9 子模型算例 …………………………………………………………………………………………. 33
2.2.10 非线性算例 ……………………………………………………………………………………….. 34
2.2.11 线性动力算例 ……………………………………………………………………………………. 34
2.3 使用“2D 简化”算例 …………………………………………………………………………………… 35
2.3.1 “2D 简化”算例概述 …………………………………………………………………………. 35
2.3.2 定义“2D 简化”算例 …………………………………………………………………………. 36
2.3.3 创建2D 截面 ………………………………………………………………………………………. 37
2.3.4 查看结果 …………………………………………………………………………………………….. 38
2.3.5 “2D 简化”分析时的限制 ………………………………………………………………….. 40
2.4 算例树特征 …………………………………………………………………………………………………… 40
2.4.1 “夹具”与“载荷” …………………………………………………………………………… 41
2.4.2 连接 ……………………………………………………………………………………………………. 41
2.4.3 其他特征 …………………………………………………………………………………………….. 41
第3 章 材料模型与材料属性 ……………………………………………………………………………………… 42
3.1 关于材料 ………………………………………………………………………………………………………. 42
3.1.1 “结构”和“热力”算例使用的模型 ………………………………………………….. 43
3.1.2 “非线性”算例使用的模型 ………………………………………………………………… 43
3.1.3 “跌落测试”算例使用的模型 …………………………………………………………….. 44
3.2 定义材料 ………………………………………………………………………………………………………. 44
3.2.1 定义材料属性 ……………………………………………………………………………………… 44
3.2.2 使用SolidWorks 中定义的材料 ……………………………………………………………. 44
3.2.3 从材料库中指派材料 …………………………………………………………………………… 46
3.2.4 材料属性 …………………………………………………………………………………………….. 46
3.3 弹性模型 ………………………………………………………………………………………………………. 47
3.3.1 “弹性模型”与“本构关系” …………………………………………………………….. 47
3.3.2 线性弹性材料模型的假设 ……………………………………………………………………. 47
3.3.3 “同向性”材料和“正交各向异性”材料 …………………………………………… 48
3.3.4 线性弹性同向性模3

COSMOSWorks 系列软件是一组与SolidWorks 完全集成的设计分析系统。
COSMOSWorks 提供了对模型（零件或装配体）进行线性静态应力分析、非线性分析、
频率分析、扭曲分析、热分析、优化分析、疲劳分析、掉落测试等的一整套解决方案。
COSMOSFloWorks 提供流体分析，COSMOSMotion 提供动力学分析。
COSMOSWorks 凭借着强大的功能支持，使用户可以使用普通计算机快速解决大型问
题。COSMOSWorks 节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。
用SolidWorks 和COSMOSWorks 分析设计完成的“勇气号”飞行器机器人臂，在火星上
完成了从探测器展开、定位、摄影的全部动作，取得了圆满成功。负责该航天产品设计的
总工程师Jim Staats 表示，SolidWorks 软件能够提供非常精确的分析测试和优化设计，既
满足了应用的需求，又提高了产品的研发速度。
COSMOSWorks 是SRAC（Structural Research ＆ Analysis Corporation）推出的一套
强大的有限元分析软件。SRAC 位于美国加州的洛杉矶，自从1982 年推出COSMOS 后，
SRAC 一直致力于有限元CAE 技术的研究和发展。把高高在上的有限元技术平民化，作为
解析速度较快的有限元分析软件，COSMOSWorks 采用FFE（Fast finite Element）技术
使复杂耗时的工程分析时间大大缩短，它易学易用、简洁直观，可迅速得到分析结果，能
够最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，增大利润空间。
COSMOSWorks 提供了多场、多组件的复杂装配分析，从而大大简化了工程师的劳动，
使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也更精确。自从SolidWorks 2010 版发布以来，
COSMOSWorks 已经改名叫Simulation。相应地，COSMOSFloworks、COSMOSMotion，
已经改名叫FlowSimulation、SolidworksMotion。
Solidworks Simulation 相关软件包括三个版本：Solidworks Simulation Professional、
Solidworks Simulation Standard 和Solidworks Premium。
自2006 年出版《SolidWorks 2006 应用宝典—图解COSMOSWorks2006》以来，
受到广大读者的欢迎。有读者反映读了该书后在北京开了自己的工作室，效果不错，并对
笔者表示感谢。更多读者（包括军工企业）是来电探讨、咨询实际工作中遇到的应用问题。
由于各行各业的应用情况都有自己的特点，加上自己的知识面有限，我们只能尽最大努力
与读者朋友共同探讨，帮助他们解决了一些实际问题，也收到了读者的赞赏和感谢。
本书以最新版本SolidWorks 2018/2017（Simulation）为基础，对原书进行了修订，
并增加了许多新内容，从实用的基础知识出发，循序渐进，举一反三，意在融会贯通、抛
砖引玉。
第1～7 章介绍Simulation 基础知识，包括材质分配、应用载荷、应用约束、网格化
模型、运行分析和结果处理的一般方法和步骤。
第8～16 章介绍有限元分析的实际应用，内容包括零件（包括钣金零件）线性静态分
析、装配体线性静态分析、频率分析、掉落测试、接触分析、压力容器线性静态分析、远
程载荷的应用等。
本书由陈文清（教授）主编，刘国良（教授级高级工程师）担任副主编。其中，1～3
章由陈文清（教授）编写；4～16 章由董红政（硕士）编写；7～15 章由路纲（硕士）编
写；11～13 章由高海涛（副教授）编写；刘国良（正高级工程师）负责全书的统稿和最后
审校，并作了大量的文字和图片处理工作。
本书适合SolidWorks 读者和其他CAD 用户，如AutoCAD、Pro/E、SolidEdge、CAM
等用户，所有机械设计、产品设计、模具设计、结构设计和结构分析的初中级读者用户阅
读，适合工业、企业的产品开发和技术部门的技术工程师阅读，也适合作为高等院校同类
专业的教材，供本科高年级学生和研究生阅读。本书的顺利出版，得到了电子工业出版社
的大力支持和刘志红编辑的倾心指导，在此深表谢意！
由于作者的水平所限，错误之处在所难免，愿与各位朋友互相切磋，共同提高，敬请
联络：mrlgl＠163.COM。
作 者
2019 年6 月