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COSMOS/M是微机版的有限元分析软件，主要由静强度分析、动态响应、模态分析、失稳分析、电磁分析和传热分析等几大模块构成。 静强度分析又有Liner Static和Unliner Static两大类，本文主要介绍了Liner Static部分对工程设计的帮助。
COSMOS/M的 Liner Static数学计算方法比较独特，运算速度极快，例如一个4000结点的模型在5分钟内即可完成。对于某些类型的单元，COSMOS/M还能提供更快的解算方法。从事工程分析的人都知道此项工作单调乏味，尤其是计算的等待过程。自从开始使用COSMOS/M，笔者的工作效率提高了很多，以往在计算机执行运算过程中做些其他事来转移注意力的情况也不会出现了。
COSMOS/M在西安车辆厂运用已近两年，几乎承担了科研设计处所有的工程分析项目，取得了较好的成效。该软件上手快，简捷的界面和清晰的菜单使得科研人员接手两个月就可以独立完成分析课题，同时也提高了科研设计处整体的设计速度。
在西安车辆厂科研设计处完成的数个分析课题中，较具代表性的是低重心罐车的静强度分析。所谓低重心罐车，从结构上讲，主要是指罐车的筒体在通长上为非圆截面，中部重心高度较低，从而在一定程度上保证了罐车运行的平稳性。该课题的罐车筒体为五节式锥筒，锥筒大端内径3250mm，小端内径2700mm。罐车模型如图1所示。
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图1 罐车三维模型 运用COSMOS/M，按照对称原则采用1/4车体结构，大部分采用四结点薄壳单元，个别采用三结点薄壳单元。共划分结点1842个，单元1902个。材料材质有Q235-A、ZG230-450、09V和20钢，分别赋予其各自的物理属性，得到的罐车有限元离散模型如图2所示。（图片）
图2 罐车有限元离散模型 罐车的静强度分析主要采用“以静化动”原则，分析罐车在承受牵引和冲击两种最恶劣工况时瞬间的受力情况。仅以罐车承受冲击为例， 在这种工况，罐车一端的后从板座承受接近250kN的冲击，筒体承受0.15MPa的均布内压、满载介质的静压头以及按照相关标准计算出的冲击引起的封头压力。重点分析这种异形筒体的受力情况，以及牵枕结构如何优化以适应这种变截面罐体带来的影响，从计算结果看，罐车的筒体在形状不连续处出现了较严重的应力集中情况，复合应力(VON MISES STRESS)云图如图3所示。（图片）
图3 复合应力云图 图3清晰地表示出了筒体最大应力位于锥筒缩口上部，其值为214.2MPa。牵枕部分最大应力位于牵引梁尾部，其值为221.9MPa。虽然锥筒缩口下部的应力集中情况明显弱于缩口，但仍需关注。此工况的最小主应力云图如图4所示，它显示出锥筒缩口下部压应力较大，这也是较易导致失效的原因之一。（图片）
图4 最小主应力云图 图5所示的变形云图明确反映出罐车受冲击时的位移趋势，可任意调整的变形比例方便了使用者的选择。而按照变形过程自动设置的动画功能更使人深刻感受到载荷对模型的施压和危险。（图片）
图5 变形云图 在最初的设计结构中，锥筒缩口处正是条焊缝。由于筒体应力最大点恰好位于此，这无疑成为最不愿出现并而必须避免的情况。设计师最后用锥筒的翻边设计成功地解决了这个问题，并再次通过计算校核了结构。若不进行有限元分析，按照常规的设计思路，可能会留下安全隐患。
在分析中，将牵引梁腹板与锥筒缩口的距离做了几次调整，通过分析，最后找出了既保证强度又满足工艺要求的数值。在以往的设计中，设计师往往凭借经验， 而对于这种新结构，由于无法进行比照设计，最初的设计就会存在较大的盲目性。
通过对锥筒张口应力云图的分析，在锥筒张口下部添加加强筋以较好地缓解此处的应力集中，并通过有限元计算其形式和位置进行了验证，局部模型如图6所示。
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图6 锥筒张口局部模型 由于低重心罐车特殊的筒体结构，其牵引结构无法沿用通用的无底架结构，而新结构的牵引梁尾部到底采用何种详细方案？设计师只能凭借经验设计出大致形式，有限元分析对这部分结构的细化起了很大的作用。设计师对牵枕尾部做出了四种方案，逐一进行了详细的分析，并提出了改进措施。
第一方案从工艺实施角度讲最简单，仅采用去除上翼面和部分腹板的乙字钢，值得注意的是，要削尖乙字钢下翼面尾部，其复合应力云图如图7所示。
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图7 第一方案复合应力云图 第二方案与第一方案类似，仅仅是对较弱的乙字钢腹板焊8mm钢板补强，其复合应力云图如图8所示。（图片）
图8 第二方案复合应力云图 第三方案是在第一方案的基础上，在乙字钢内沿腹板补焊通长宽90mm的钢板，其复合应力云图如图9所示。
第四方案与第三方案类似，只是补焊的内侧下翼板较宽，完全封住了乙字钢内腔，形成了箱形结构。这种形式分析结果最好，但是在工艺实施上是最差的，因其制造和检修几乎无法进行。这种方案的复合应力云图如图10所示。
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图9 第三方案复合应力云图 （图片）
图10 第四方案复合应力云图 通过不断地分析、研究和总结，设计师最后选定了目前的尾部结构，以兼顾工艺实施。
完成这项分析后，细细总结，课题的顺利解决很大程度上取决于COSMOS/M分析软件前处理的简捷和解算的高速度。设计师在讨论并改进模型后，计算机迅速地执行分析以保证立即得到结果，并不断有效地改进下去。如果一项此类分析计算执行了半个小时甚至更长，恐怕就难以进行如此细致的分析，而设计的可靠性也就相应的降低了。
从工厂应用的角度讲，一个软件最重要的特点就是易学易用、便于普及、且实用性强，COSMOS/M较好地满足了这些要求。 COSMOS/M作为一种辅助工具，已经成为该单位进行设计工作不可或缺的一部分。
8/25/2004
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