Proe有限元分析浅析.docx

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Proe有限元分析浅析

Pro/MECHANICA简介

Pio/MECHANICA是美国PTC开发的有限元软件。

该软件可以实现和Pio/ENGINEER的完全无缝集成。

绝大部分有限元分析软件的儿何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。

使用Pio/MECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的儿何模型进行有限元分析。

Pio/MECHANICA是基于P方法进行工作的。

它采用适应性P-method技术，在不改变单元网格划分的情况下，靠增加单元内的插值多项式的阶数來达到设定的收敛精度。

理论上，插值多项式的阶数可以很高，但在实际工作中，往往将多项式的最高阶数限制在9以内。

如果插值多项式的阶数超过9仍然没有收敛，这时可以增加网格的密度，降低多项式的阶数，加快计算速度。

利用P方法进行分析，降低了对网格划分质量的要求和限制，系统可以自动收敛求解。

P-method能够比较精确地拟合几何形状，能够消除表面上的微小凹面。

这种单元的应力变形方程为多项式方程，最高阶次能够达到九阶。

这意味着这种单元可以非常精确地拟合大应力梯度。

Pio/MECHANICA中四面体单元的计算结果比其他传统有限元程序中四面体的计算结果要好得多。

首先单元以较低的阶次进行初步计算，然后在应力梯度比较大的地方和计算精度要求比较高的地方自动地提高单元应力方程的阶次，从而保证计算的精确度和效率。

9.Pro/MECHANICAI作模式:

1）FEM模式：

FEM模式没有求解器，只能完成对模型的网格划分、边界约束、载荷、理性化等前处理工作、然后借助第三方软件完成计算分析。

2）集成模式：

用户可以在Pro/ENGINEER中建立几何模型，然后进入Pio/MECHANICA模块中，定义载荷及边界条件，进行分析研究。

应用较多的还是集成模式。

10.Pro/MECHANICA三个模块：

1）Pro/MECHANICASTRUCTURE：

结构分析软件包，可以进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。

具有的分析类型有:

静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预紧分析及振动分析等。

2）Pio/MECHANICATHERMAL：

温度分析模块，可以进行零件和装配模型的稳态和瞬态温度分析，也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计。

3）PioIMECHANICAMOTIQN：

运动分析软件包，进行机构分析和机构运动优化设计，可以进行三维静态分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析及干涉检验分析。

11.Pro/MECHANICA有限元分析的基本步骤：

1）建立儿何模型:

在Pro/ENGINEER中创建几何模型。

2）识别模型类型:

将儿何模型由Pro/ENGINEER导入Pro/MECHANICA中，此步需要用户确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。

我们为了减小模型规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。

3）定义模型的材料物性。

包括材料、质量密度、弹性模量、泊松比等

4）定义模型的载荷。

5）定义模型的约束。

6）有限元网格的划分：

由Pio/MECHANICA中的AutoGEM（自动网格划分器）工具完成有限元网格的自动划分。

7）定义分析任务，运行分析。

8）根据设计变量计算需要的项目。

9）图形显示计算结果。

12.Pro/MECHANICASTRUCTURE基本分析过程

1.在Pio/ENGINEER模块中完成结构几何模型后，单击“应用程序”一“Mechanica”，弹出下图所示窗口，启用Mechamcastmcture。

IechanicalodelSetup

CapabilityMode

□MechanicaLite模型类型

Advanced»

Structure

Bonded

确定取消

模式

□肴.限彌•式

DefaultInterface

2•添加材料属性

单击“材料”1铝，进入下图对话框，选取“Mow”进入材料库，选取材料

IaterialAssignaent

Material

STEEL

MaterialOrientation

Name

References

Componentsw

®Selectgeometricalreferences・

MaterialAssignl

Properties

（None）

More・・・

3.定乂载荷

1）卜

加载集中力或力矩，点击卜，出现

■Force/IoaentLoad

Ne需・・・]

Mane

Loadl

JleaberofSet

LoadSetl

Properties

CSYS:

（§}VorldOSelected

Moment

Advanced〉＞J

■Name基本载荷工况名称

■Refeience

施加载荷时的参照,可以是surfaces>edges/ciirves、

pornts

■Piopeilies

■Advanced

选择坐标系，默认为全局坐标系

点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式，可以加载

■NumberofSet

载荷集名称

载荷总值，也可以在每单位面积或点上加载；载荷的大小可以用函数

來控制，使得载荷的施加非常方便。

2）匡

加载分布力，点击匡,出现

Name

基本载荷工况名称

NumberofSet

载荷集名称

Reference

施加载荷时的参照，只能选择surface

Advanced

点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式。

可以均匀

加载，可以用函数加载，也可以通过外部.fhf格式的文件加载

3）|01

加载重力载荷，点击卩1,出现下图对话框,

■Name重力载荷名称

■NumberofSet载荷集名称

■CooidmateSystem选择坐标系，默认为全局坐标系

■Acceleiation定义重力加速度方向及大小

4•定乂约束

1）［瓜：

位移约束

点击I瓜，出现下图所示对话框,

Name

区］

dumberofSet

ConstralntSet1

y1New.・・|

Iconstralntl

CoordinateSys1em<•）WorldOSelected

Trans1a1ion

|OK][pnuul.]

约束名称

抄^狛A44

■Name

■NumberofSet

约束集名称

■Refeience

pouits等

施加约束时的参照，可以是surfacesedges/ciirves、

■CooidmateSystem选择坐标系，默认为全局坐标系

■Translation平动约束

■Rotation旋转约束

2）猱:

对称约束

点击娜，出现下图所示对话框，

■Name约束名称

■NumberofSet约束集名称

■Type约束类型有镜像和循环对称两种类型

4•定义idealizations

严

心

1）1°：

壳单元

点击1°,弹出下图所示窗口,

■Name

■Type

■Refeience

壳单元名称

简单和高级两种类型，高级中可以定义材料方向

定义壳单元时的参照

点击弹出下图所示窗口

■Name梁单元夕1称

■Type默认为梁单元

■Refeience

定义壳单元时的参照

■Materials

梁单元的材料

■Propeilies

定义梁单元的Y轴方向

5•定义连接形式

1）连接形式

点击出现下图所示窗口

■Name

连接形式名称

■Type

连接类型有固结、自由、接触

■Refeience

定义连接时的参照，可以是面和面之间连接，也可以

是零件和零件之间连接

2）同：

刚性区域

点击賞1,弹出下图所示窗口，

刚性区域可以模拟较轴连接，代替ALGOR、ANSYS中杆梁组合模拟狡轴的形式。

6•定义分析

前处理部分完成后，点击咼，弹出下图所示窗口,

■AnalysesandDesignStudies

File

EditRunInfo

New

Static・・・

NewJlodal..・

MewBuckling・・・

MewFatigue・・・

MewPrestress

NewDyriajiiic

NewStandardDesignStudy・・・

>IewSensitivityDesignStudy・・・

MewOptiniizationDesignStudy・・・

■AnalysesandDesignStudies

File

EditRunInfo

NewStatic...

Modal...

New

Buck!

ing.・・

Fatigue.・・

Prestress

Ilynainic

敏感度分折

忧化分析碩究/

NewStandardDesignStudy.・.

-NewSensitivityDesignStudy...

NewOptimizationDesigrtStudy.・・

可以定义静力、模态、屈曲、疲劳、预紧力以及动态分析等等。

定义完分析类型后，点击"即可进行分析，在分析之前也可以点击豳，预

先生成网格，通过“自动几何”一“控制”菜单，对生成的单元类型及大小进行

调整。

7.结果查看

当分析完成后，点击勺，弹出下图所示窗口,

■ResultfindoTDefinition

Name『itle

|Windowl

StudySelection

Decign_StudyAnalysis

|Q]Analysis1~|Analyslslv

Displaytype

吞图显丞.向量显示图衣显不模型显示，

0K][OKandShe]|Cancel]

ResultTindorDefinition

IlaneTitle

IWindowlxWindowlx-Analysis!

-Analysisl

fcnalysis

IAnalysisl

StudySelection

DesignStudy

Displaytype

显示所有

显示面

显示部件或层7显示曲线//

4]Analysisi

Curves

Surfaces

IVoluncs

CordonentsZLayers

OK]|OKEShM||ConeJ

Displaytype

Fringe

-1

DisplayOptions

QuaiitityDisplayLocation

IIConti.nuousTone

LegendLevels|

~]Contoirr

Labc1Contours

"IIsoSiirfaccs

显示变形

VrdxirlaLyUndeformcd[^TransparentOverlay

Scaling|10|回％

FzlShow[^1Show1^1Show

IShow

ElementEdgesLoadsConstraintsEondingElenents

透明化显示

—放沃比例

—負示单元边界

Animaie

>✓1AutoStart

动画显示

■t

Windo・Definition

（X

Hame

Title

Windovl

"Windovl"-Analysisl—Analysisl

StudySelection

DesignStudyAnalysis

18]Andlysisl.〔Analysis].[

13•简单算例

6.1接触算例

1•设置工作目录为盘符：

\temp\example1。

2.打开零件模型example1.asm,如下图所示

菜单管理器

质壘属'准

图6.2

ffl6.3

图6.1

3.设置模型单位

点击主菜单“编辑”一“设置”，弹出图6.2所示菜单管理器，点击其中的“单位”，弹出图6.3所示单位管理器，计算分析时一般将单位设置为毫米牛顿秒，若单位需变换，可点击右侧“设置”按钮，弹出图6.4所示改变模型单位对话框，选

择“转换尺寸”单选框即可。

材料精度

尺寸边界

名称网洛

公差设負

互换

参照控制J

指定挠性

完成

图6.4

4.进入分析程序

点击主菜单“应用程序”一“Mechamca”，图6.5所示，弹出图6.6所示unitmfo窗口，单位确认无误后点击“Continue",选择模型类型为Structure即进入分析程

序。

NEHKWi

ldfire4・

IS.S（H）1

应用程序⑵|

工具⑴ManihmC

•标准8）电缆©芒道但）悍接妙承（L）

KechsmcatK）

图6.5

图6.6

5•定义模型材料

点击主菜单“属性”-*“材料”，图6.7所示，弹出图6.8所示材料对话框,选择材料，双击或点击林即可添加到“模型中的材料”一栏，右键点击已选择的

材料，可以编辑材料的物性。

点击主菜单“属性”一“材料分配”，图6.9所示,

弹出图6.lOMaterial

Assignment窗口，

ro/ENGINEERWildfi

：

）

1自动几何⑥5

T才料©…

幻材料分配⑷…

—

旬材料方向⑷…

一爵负荷集⑻…”酿约束集①…

念壳属性⑸…

匕梁方飢©…闿軀本⑻…

£弹簧属性©…

2质霸性（E）…

Gr:

OGy:

将examplel.asm选中，即分配完材料。

图6.8

图6・7

o/ENGINEERWildfi

属性（R）

自动几何（①分

9材料（L）•…

勺材料分配⑷…

旬材料方向⑧…

[&负荷集（E）・・滁约束集（!

：

）・・

也壳属性（s）...[S-x梁截面（B）...kx梁方向（Q）...

題梁版本（R）...£弹簧属性（①…Q质壘属性（E）…

叵MaterialAssignment

Name

[OK][Cancel|

图6.9

图6.10

6•定义约束

点击主菜单“插入”一“位移约束”，图6.11所示，弹出图6.12所示constiaint

对话框，选择两个底面进行全约束。

才击入（工）

口丄日°

力"3柜気荷CL）•…压力気•荷CE）•…耶戦荧荷g）•…童力気•荷CG）•…亀心、荧荷O•…温慶荧荷cn

充（s）——梁（氏）…强坯®..质呈Cm）…

盼中rciteSj（E）...

i圭坦Co）

機型第隹Cd）

[C曲面'（K域Cu）...gi牡积块医域Cv）•・・區ta构荧•荷（M）.・・

图6.11

0（MS）

0（«CS）

L5Consf.rwint

CoardinateSyaten©WorIdOSelected

「OK]（Caned]

图6.12

7.定义连接关系

点击右侧快捷菜单m,弹出图6.13所示对话框，类型选择接触，参照选择

Component-Component,接触距离小于等于1mm,平而夹角小于等于5度。

CTInterfaceDefinition

llanc

Inierfacel

Type

Contact

Refexen«?

|Coxponcnr

Part:

ZVO

CcT»ponont

Part:

ZKOU

SelectionFilterixjgToloxanceSeparationDistanceh

2rjQe>fbet'/tfenplanar^uifwcgl

|5…

□Cheuk£caContacioolybetweenplanarruxfocer

Properties

0SplitSuxfacos

"]GenerateConpatiblo伽h

"1InfiniteFxiction

ICreateSlippaeoIndicator3

CoefficieirtofFrictionfex

|OEHCancelJ

图6.13

&定义刚性区域

在距离轴端面lOOnmi处，定义一基准点PNTOo点击右侧快捷菜单同，弹出图6.14所RigidLu±Definition窗口，选择轴端面及PNT0定义为刚性区域。

图6.14

9•定义面域

此节内容自己练习。

10•定义载荷

（1）自重载荷

点击主菜单“插入”〜“重力负荷”，图6.15所示，弹出图6.16所示GravityLoad

屈性®目动几何

力/力矩旬荷（L）・・・止压力荧荷（£）・・・LM承拔罚荷（E）...

垂力荧荷（S）...

金位移约束（工）・・・勿R对称绚束（工）・・・

Q7C（S）…

西梁（E）...

m弹簧（©・・・

Z3质35（M）..-咙中间曲而（F）...

连按（①

夕模拟测堡（£）・・・

模型基淮（O日曲面区城（』）•・・闻体积块区域仪）•…區1机构员荷（M）.--

Gi.OGy.OG?

3800心疥

Gi.OGy.OG?

3800心疥

图6.15

图6.16

（2）定义集中力

点击主菜单“插入”

“力/力矩负荷”，图6.17所示，弹出图6.18所示

Force/MomentLoad窗口,

参照全局坐标系，定义载荷方向及大小。

LEForee/MomentLoad

£压力负帧（E）…宾承戟窃荷怨）・・・01垂力负荷

銅离心负荷©…

温度血荷⑴

快泣移釣束（D・・・邪对称约束（刃…

0看⑸…严梁（E）…

|弹菩®…

C历星（M）…・

翌中间曲面（E）•二连接（Q）

夕模拟測埜（£）・・・

模型基准（E）创曲五区域（卫）・・・理懺积块区域包）二回机构负荷（K）...

图6.17

（3）定义扭矩

Hone

|Load3|

HenberofSet

LoadSetl

References

SurfacesV

Suxfaccs:

Surface:

ZHOU

Surface:

ZHOU

SurfaceSstg・・・J

Properties

CSYS:

Force

Monent

图6.18

图6.20

品Mechanica分析完（E）...

TH结果®・・・

图6.19

图6.21

同

（2）的定义方式相同，只是在Moment栏定义载荷即可。

11•定义分析

上面我们己经建立起了有限元计算所需要的几何模型、材料、约束以及载荷边界条件，点击主菜单“分析”一"Mechamca分析/研究”，图6.19所示，弹出图

6.20AiialysesandDesignStudies窗口。

点击“File"下的"NewStatic",弹出图6.21StaticAnalysisDefinition窗口,选中上述定义的载荷集和约束集。

在名称中输入example1,图6.22所示。

分析（A）

信息（N）应用程序（E）

测壘►

模型►

几何（G）►

外部分析（H）►

人类工程学分析（E）►

公差研究・・・

亠自保存的分析叫隐藏全部

删除

删除全都►

图6.22

定义完静力分析后，选择图6.22“Rim”一“Setting”进行分析运行时的各项设置，包括文件的存放路径以及分配的内存数量等，（或者直接单击园命令图标）,

进行上述的设置，如图6.23所示。

图6.23

12•运行分析

点击图6.22中的"，开始分析计算。

分析任务开始执行，屏幕会闪动几次，最终会在信息栏中出现“Thedesignsmdyhasstarted."消息。

接下來Pro/MECHANIC进行自动网格划分、建立方程、求解方程等一系列工作，这些工作是在后台进行

的，对用户不可见；不过用户可以通过选择hifo|Stauis...（或者单击圜图标），查看运算过程信息。

当信息中显示计算完毕（RimCompleted）后单击“完成”按钮关闭对话框。

13.查看分析结果

（1）直接点击图6.22中的砂图标，弹出图6.24所示窗口，“DisplayType”

IuFnngen即以云图形式显示结果，"Qiiamity”丨“Displacement”查看变形，在“DisplayOptions”中勾选“Defomied”，点击“OKandShow”即可显示位移结果，图6.25所示。

图6.24

9.000e-02

（2）应力结果

选择图6.24中“Quality”I“Stiess”查看应力结果，默认为VonMises应力,

如图6.26所示。

4.000c^013.500e^01

3.000e40iN・5001012・000u十01】・500er011e000e^Ql

S・000c^-00Q・000e*-00

图6.26

6.2梁算例

l.A、B、D三处为狡接，AC梁和DB梁均采用16#工字梁，在C处施加8000N

集中力，如图6.27所示

2•设置Pio/E的工作路径为盘^:

\tmep\example2\,打开beam.asm,如图6.28

所示。

by0be.O

oooo

owcAvz—fioo?

图6.28

3•建立AC梁，点选Edge/Cuive为参照，定义材料为Steel，定义16#工字钢截

面形状如图6.29所示。

Name

Beairil

References

Edge/Curve

Dimensions

b：

|"V|Curve

Material

STEEL

t：

di:

tw：

miTi

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