SolidWorks的CAE模块COSMOS
了解运动模拟连载(一)用于机构分析与合成的运动模拟
发表时间： 2008-10-27 作者: COSMOS 来源: COSMOS 关键字: 运动模拟FEA机构分析动力学性能
今天，由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度，工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超
出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外，工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。
简介
二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程(CAE)方法后，有限元分析(FEA)就成了最先被广泛采用的模拟工
具。多年来，该工具帮助设计工程师研究新产品的结构性能，并让他们使用在CAD模型上运行的廉价计算机模拟代替了很多耗
时又昂贵的原
今天，由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度，工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超
出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外，工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。
运动模拟（又称刚性实体动力学）提供了用于解决这些问题的模拟方法。它很快就得到了广泛应用，与此同时，设计工程师希
望了解更多关于该模拟工具的情况：它是什么样的工具？它能解决什么问题？它能给产品设计流程带来什么益处？
本文旨在回答这样一些问题并介绍运动模拟可以解决的示例问题。此外，本文还提供了一些将运动模拟用作CAE设计工具的现
实应用。
用于机构分析与合成的运动模拟
假设一位工程师要设计一个用于绘制各种椭圆的椭圆规。在CAD装配体中定义配合后，他可以使模型活动起来，以查看机构零
部件的移动方式。（图1）虽然装配体动画可以显示装配体零部件的相对运动，但运动速度却没有意义，而且计时也具有任意性。
要得出速度、加速度、接点反作用力、功率要求等结果，设计人员需要一个更强大的工具。运动模拟便应运而生了。
图1使用CAD动画制作器模拟的、处于不同位置的椭圆规。
运动模拟可以提供运动机构所有零部件的运动学性能（包括位置、速度和加速度）和动力学性能（包括接点反作用力、惯性力
和功率要求）的完整量化信息。更重要的是，几乎不用耗费更多的时间就可以获得运动模拟结果，因为执行运动模拟所需的所
有内容都已在CAD装配体模型中定义好了，只需将它们传输到运动模拟程序即可。
用于机构分析与合成的运动模拟
在上述椭圆规案例中，设计人员只需确定马达的速度、要绘制的点以及希望查看的运动结果。程序会自动执行其余的内容，无
须用户干预。运动模拟程序使用CAD零件的材料特性定义机构零部件的惯性特性，并将CAD装配体配合条件转换为运动接点。
然后，该程序会自动用等式描述机构运动。与使用FEA研究的灵活结构不同，机构被表示为由刚性零部件组成的装配体，而且
自由度很小。数字解算器会很快解算出运动方程式，结果包括所有机构零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性载
荷以及保持运动所必需的功率的完整信息。（图2）
图2由运动模拟器计算的线速度和马达功率要求
图3中所示的翻转滑杆机构运动模拟是机械运动学教材中常见的一种示例。此处引用该示例的目的是为了获得曲柄以匀速旋转
时摇臂的角速度和加速度。可以使用多种分析方法来解决该问题；学生最常使用的可能是复数方法。但是，“手动”解决这样
的问题需要进行大量的计算，即使借助计算机化的电子表格，也要耗费几个小时来构建速度和加速度图表。即便如此，如果滑
杆的几何体发生更改，那么整个过程都要从头再来。这样的事情对于还在上学的学生来说是个有趣的作业，但在现实产品开发
中却根本不切实际。运动模拟软件使用CAD装配体模型中已有的数据几乎可以即时地模拟翻转滑杆的运动。
图3用于计算摇臂角速度的翻转滑杆机构模拟。
了解运动模拟连载(一)用于机构分析与合成的运动模拟
发表时间： 2008-10-27 作者: COSMOS 来源: COSMOS 关键字: 运动模拟FEA机构分析动力学性能
今天，由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度，工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超
出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外，工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。
用于机构分析与合成的运动模拟
图4用户可以轻松地检测和更正滑杆和驱动连杆之间的干涉。
工程师可以将简单机构（如上述的椭圆规或翻转滑杆）表示为2D机构。虽然进行手动分析比较困难且耗时，但工程师们确实找到了分析结果的方法。但是，3D机构（即使是简单机构，如图5所示）迄今还未建立分析结果的方法。运动模拟却可以在几秒之内轻松地解决这一问题，这是因为运动模拟是专为处理任何复杂程度的机构（无论是2D还是3D）而设计的。机构可能包含大量的刚性连接装置、弹簧、阻尼器和相触面组，但求解时间方面几乎不作任何判罚。例如，雪地车前悬架（图6）、健身器（图7）或CD驱动器（图8）等的运动可能会像翻转滑杆一样易于模拟。
图5“手动”分析简单3D机构非常困难，但使用运动模拟却易如反掌。
图6雪地车的前悬架由大量包含弹簧和阻尼器的连接装置组成。
图7健身器设计受益于运动模拟，它在该设计中用于优化各步骤的运动轨迹以及计算用户生成的功率。
图8CD驱动器是一种复杂的机构，但仍可以使用运动模拟轻松地进行分析。
除了机构分析外，产品开发人员还可通过将运动轨迹转换为CAD几何体，来将运动模拟用于机构合成。图9显示了一个问题范例。此设计方案设计的是一个会沿着导轨移动滑杆的凸轮，此设计使用运动模拟生成了该凸轮的轮廓。用户将所需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转坯料凸轮（圆盘）上移动的轨迹的函数。然后，将轨迹路径转换为CAD几何体，以创建凸轮轮廓，如图10所示。
图9应用了一个位移函数，以使滑杆沿导轨移动。
图10滑杆沿旋转圆盘移动，绘制出凸轮轮廓，图中显示为圆盘上的切槽。
设计人员还可将运动轨迹用于多个用途，例如，验证工业机器人的运动（如图11所示）、测试工具路径以获取选择所需机器人
大小所需的信息，以及确定功率要求，所有这些操作都不需要进行任何物理测试。
图11通过模拟工业机器人在多个位置之间的移动，可以创建工具路径，而不需进行任何物理测试。
运动模拟的另外一项重要应用与运动实体之间的碰撞所产生的运动有关。尽管必须对此类碰撞实体的弹性进行特定的假设，但
使用运动模拟可以得出机构（其零部件可能只经历过临时接触）的精确结果，如图12所示。
图12举例来说，使用运动模拟可以模拟碰撞和接触，以研究阀提升机构中凸轮和曲线仪（摇杆）之间可能形成的缝隙。
了解运动模拟连载(二)将运动模拟与FEA结合使用
发表时间： 2008-10-28 作者: COSMOS 来源: COSMOS 关键字: 运动模拟FEA机构分析动力学性能
今天，由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度，工程师们越来越迫切地感到必须使模拟超出FEA的局限范围。除了使用FEA模拟结构性能外，工程师还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。将运动模拟与FEA结合使用
要想懂得运动模拟和FEA在机构模拟中如何结合使用，了解每种工具的基本假设会对您有所帮助。
FEA是一种用于结构分析的数字技术，已经成为研究结构的主导CAE方法。它可以分析任何固定支撑的弹性物体的行为，如图13中所示的托架。此处弹性是指物体可变形。如果应用静态载荷，拖架会变成新的变形形状，之后将不再变化。如果应用动态载荷，拖架会围绕平衡位置振动。FEA可以研究应用静态或动态载荷情况下拖架的位移、应变、应力和振动。
图13固定支撑的拖架只能变形，不能移动。
相反，局部支撑的物体，如拖架上铰接的调速轮（图14），可以旋转而无须变形。调速轮可像刚性实体那样移动，因而该设备属于机构，而非结构。我们将使用运动模拟来研究调速轮的运动。如果将调速轮视为刚性实体，则无法计算应变和应力（详细信息请参阅附录1）。
图14调速轮作为刚性实体围绕将其连接到基体的铰链旋转（上图）。由于存在刚性实体运动（下图），因此将此设备归类为机构。
乍一看，结构与机构之间的差异可能并不太明显，如图15所示的两个设备。它们都有两个通过铰链连接到不可移动基体的摆动杆。右边的设备使用弹簧将摆动杆与基体连接到了一起。没有弹簧的设备属于机构，因为其摆动杆不能自由旋转。不论是围绕铰链旋转还是围绕平衡位置来回摆动，在摆动杆移动过程中，此设备的任何零件都无须变形。摆动杆显示的是刚性实体运动，因此将左边的设备归类为机构。设计人员可以使用运动模拟来研究其运动。
图15左边的摆动杆可进行移动，而不会发生变形，因而属于机构。右边的摆动杆在进行任何移动时都会使弹簧变形，因而属于结构。
添加弹簧会更改设备的性质，这是因为添加弹簧后摆动杆就不能在弹簧不发生变形的情况下进行移动了。摆动杆连续运动的唯一一种可能形式是围绕平衡位置来回摆动。摆动杆运动时会产生弹簧变形，因此右边的设备应归类为结构。FEA可以分析摆动杆振动，并且如有必要，还可以计算弹簧和其他视为弹性实体的零部件的应变和应力（请参阅附录2以了解有关运动模拟和FEA 之间差异的更多信息）。
在完成运动模拟研究后，如果设计工程师想对任一机构零部件执行变形和/或应力分析，则需要将所选零部件提供给FEA来进行结构分析。
运动模拟结果可提供输入数据，包括作用于每个机构连杆的接点反作用力和惯性力，这需要使用FEA进行结构分析。不论接下来是否使用FEA，运动模拟肯定都会计算这些系数。按定义来说，接点反作用力和惯性力保持平衡；在一对平衡力作用下的机构零部件可提交给FEA，而分析程序会将其作为结构进行处理。
尽管工程师可以手动将数据从运动模拟传输到FEA，但是如果运动模拟软件可以将结果自动导出到FEA，则可确保得到最佳结果。以此方式使用时，运动模拟和FEA可以进行所谓的“耦合的”模拟。这样，就可以自动定义FEA载荷，从而可以避免手动设置中常见的猜测和可能发生的错误。
图16中所示的曲柄机构问题示例演示了耦合模拟。在该示例中，设计工程师要计算连杆中的最大应力。
图16使用运动模拟可计算连杆两端的反作用力。也可计算作用于连杆的惯性力。
将运动模拟与FEA结合使用的步骤为：
1.在为进行研究而选择的运动范围内，使用运动模拟计算作用于所有零部件的位移、速度、加速度、接点反作用力和惯性力。在这一步中，所有机构连接装置都被视为刚性实体。图16中的曲线图显示了曲柄完整转动一周的过程中连杆上的接点反作用力。
2.找出与连杆接点上最高反作用力载荷相对应的机构位置。分析人员最常观察的是最高反作用力，因为施加最大载荷的情况下进行的分析将显示连杆所承受的最大应力。但是，如有必要，可以选择任意多个位置（见图17）进行分析。
图17可以根据任意多个曲柄轴机构位置来确定作用于连杆的力（两端的反作用力和惯性力）。
3.将这些反作用力载荷以及惯性载荷从CAD装配体传输到连杆CAD零件模型。
4.作用于从装配体分离开来的连杆上的载荷包括接点反作用力和惯性力，如图18所示。根据d"Alambert原理，这些载荷是相互平衡的，这样就可以将连杆视为处于静态载荷下的结构。
图18根据d"Alambert原理，接点反作用力和惯性力是相互平衡的。
5.受到平衡静态载荷的连杆会被指派弹性材料属性并提交到FEA以进行结构静态分析。FEA将执行结构分析以计算变形、应变和应力（图19）。
图19连杆被作为结构提交给FEA，以计算应力。
运动模拟和测试
运动模拟可以从测试中导入时间历史数据。这样，使用相对廉价的计算机模型，而不必使用耗费时间和财力的测试，便可轻松地再现现有机构的运动，并进行全面的分析，包括所有接点反作用力、惯性效应、功耗等。使用类似的方式可以根据分析函数所定义的输入来分析机构。
图20将控制臂运动的测试数据用作输入来移动运动模拟中的悬架模型。
例如，在汽车悬架的案例中（如图20 所示），运动模拟可以解决一些常见问题，如：车轮撞击路缘后，导致的悬架振动将持续多长时间？支柱式悬架中需要具有多大的阻尼？控制臂及其套管中会产生多大的应力？
集成CAD、运动模拟和FEA
运动模拟和FEA 都将CAD 装配体模型用作分析的前提条件。适用于所有这三种工具的通用集成环境可以简化CAD、运动模拟和FEA 之间的数据交换。通过集成，可以避免在使用单个应用程序时经常进行的通过中性文件格式传输数据的烦琐工作。此外，将运动模拟和CAD 集成起来使用而不将其与CAD 相关联，可以大大减少设置运动模拟模型所需的工作量。
如上所述，在创建运动模拟模型时，可以“反复”使用材料属性与CAD 装配体的配合。运动模拟所产生的结果，即运动轨迹，可以转换成CAD 几何体。但是，此操作只能在集成软件环境中执行。此外，与CAD 相集成可以将模拟的模型数据和模拟结果与CAD 装配体模型存储在一起，从而不需要专门维护一个运动模拟模型数据库。最后一点（但并不是最无关紧要的一点），任何CAD 更改都与运动模拟和FEA 紧密关联。
带有COSMOSWorks (FEA) 和COSMOSMotion（运动模拟）插件的SolidWorks CAD程序是最先进的集成模拟工具。由于SolidWorks、COSMOSWorks 和COSMOSMotion 都是基于Windows? 的应用程序，因此现在它们之间可以进行完全集成。所有这些程序都是专门针对Windows 操作系统开发的，而不是从其他操作系统移植而来的。与Windows 的完全兼容还确保了它们能够与Windows中运行的其他应用程序兼容。
长期以来，领先的FEA 程序COSMOSWorks 已经证实了作为与CAD 紧密结合使用的产品设计工具的重大价值，如图21 所示。如今，此程序中增加了COSMOSMotion，从而可以进行更完整的新产品模拟，并有助于减少产品开发过程中所需物理原型的数量（图22）
图21此设计过程将CAD 和FEA 用作了设计工具。
图22此设计过程得益于将运动模拟与CAD、FEA 结合使用。
现实示例
Tigercat
Tigerca) 是生产集材机、自动集材机和伐木-集材机的领先制造商，它使用SolidWorks 设计了伐木－集材机头（如图23 所示）。当时，该公司的工程师使用COSMOSMotion 和COSMOSWorks 模拟了这种伐木－集材机头的功能。Tigercat 称，对此复杂机构的运动、动力和应力的模拟降低了经验性测试要求，只需要一个原型。原型测试完全证实了模拟所得出的结果。
图23位于安大略湖畔布兰德福特(Brandford) 市的Tigercat 所制造的伐木－集材机的伐木头是使用SolidWorks 设计的，并且使用COSMOSMotion 和COSMOSWorks 进行了模拟。
FANUC Robotics America Inc.
FANUC Robotics) 发明了一种广泛应用的自动生产线，这种生产线可以帮助多种行业中的客户在制造过程中充分利用人力资源、降低成本、提高质量并最大限度地避免浪费。为了能让客户享受这些好处，FANUC 制造了多种尺寸的自动工具（如图24 所示），客户需要根据自己的具体运用情况选择合适的尺寸。他们可以通过具体的工具路径来分析机械性能，而使用COSMOSMotion 进行模拟可以大大简化此类分析和选择过程。
图24这种工业机器人是由位于美国密歇根州罗切斯特山的FANUC RoboticsAmerica 公司研制的。
Ward Machine Too) 负责设计和制造用于铝制轮毂、旋转传动器和专业加工夹具的定制车床卡盘。Ward 的工程师设计了一些以前从未有过的定制产品，他们发现在进行制造之前验证新的设计是否可行是必不可少的一个环节。例如，该公司在开发和测试双启动/多范围铝制轮毂车床卡盘（如图25 所示）的过程中未进行任何物理原型测试。Ward 称，通过使用SolidWorks 和COSMOSMotion，公司大约节约了45,000 美元的成本，并且测试时间缩短到仅为原来设计与测试过程的10%。
图25位于密歇根州Fowlerville 的Ward Machine Tool 设计并模拟了车床卡盘。
Syncroness
Syncroness) 是一家产品开发机构，它与客户紧密合作开发了从健身器材到激光系统等多种不同的产品。Synchroness 同时使用了COSMOSMotion 和COSMOSWorks 来优化剪刀式升降机的四连杆系统（如图26所示）。根据Syncroness 的经验来看，几乎不必进行培训，工程团队便能进行运动模拟，并且不需要停下升降机进行试验。Syncroness 称，通过使用模拟，他们可以执行快速设计迭代，并可为客户提供优质的可视化工具。总而言之，使用模拟对于成功地设计解决方案至关重要。
图26该升降平台是由位于美国科罗拉多州威斯敏斯特的Syncroness 设计的，所用设计工具是SolidWorks、COSMOSMotion 和COSMOSWorks。
附录1：刚性实体运动
如果物体在运动过程中不会产生变形，我们则称之为具有刚性实体运动或刚性实体模式。我们将具有刚性实体运动的物体归类为机构。
图27 显示了一个球形接头。基体不可移动。这种接头具有三种刚性实体运动，因为它可以在三个独立的方向上移动或旋转，而不会发生变形。有三个独立的变量（又称自由度）可用来描述此机构的位置。
图27图中所示的球形接头机构是一个具有三种刚性实体运动的运动对。
图28 描述的是一个在不可移动底盘上滑动的板盘。此机构也具有三种刚性实体运动，因为滑动板盘可以在两个方向上平移，并且可以在一个方向上旋转，而不会发生任何变形。同样，需要三个自由度描述此机构的位置。
图28此滑动板盘机构具有三种刚性实体运动。
附录2 ：运动模拟和F E A 的比较振动模式需要利用FEA 进行分析，而非运动模拟。
图29 所示的四连杆具有一种刚性实体运动。只需使用一个独立的变量（如任一连接装置的角度位置）便可描述整个机构的位置。请注意，合叶销可能具有局部刚性实体运动，即围绕销钉轴旋转和/或沿销钉轴滑动，这取决于躯体的合叶设计。
图29该机构中任一连接装置的角度位置都可定义整个机构的位置。此机构具有一种刚性实体运动。
图中所示的三种机构也都有可能由于变形而具有三个自由度。这称为“弹性模式”。例如，在四连杆中，每一个独立的连接装置都可以在振动的同时执行运动。振动模式需要利用FEA 进行分析，而非运动模拟。
运动模拟和FEA 互相补充，并且其各自涵盖的内容可能会有重叠，如下表所示：
二、COSMOS-装配体分析
连接到精确、高效的装配体分析连载(一)销钉接头
简介
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。
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。
（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。
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。
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。
（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。
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。
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，他将很难找到何连接到精确、高效的装配体分析连载(二)螺栓接头处出错
。
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。
（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。
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）。
（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。
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。
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ForceMeasurementSystem(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ScottMcFarlane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”。
连接到精确、高效的装配体分析连载(三)弹簧接头
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。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。连接到精确、高效的装配体分析连载(四)螺栓接头
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）