ProE有限元分析浅析.docx
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ProE有限元分析浅析
1.Pro/MECHANICA简介
Pro/MECHANICA是美国PTC开发的有限元软件。
该软件可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成。
绝大部分有限元分析软件的几何建模功能比较弱，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Pro/MECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。
Pro/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来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。
Pro/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。
2.Pro/MECHANICA工作模式：
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Pro/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。
3.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）Pro/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）ProIMECHANICAMOTIQN:
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。
4.Pro/MECHANICA有限元分析的基本步骤:
1）建立几何模型：
在Pro/ENGINEER中创建几何模型。
2）识别模型类型：
将几何模型由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Pro/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。
5.Pro/MECHANICASTRUCTURE基本分析过程
1.在Pro/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Mechanicastructures
2.添加材料属性
单击材料
进入下图对话框，选取“More”
进入材料库，选取材料
Material&ssign>ent
MaterialAssignl
References
Conponents
•Selectgeometricalrefertnces+
[steel
V
MaterialOrientation
（None）
Properties
Material
■or巳….
IOK
3.定义载荷
轴承力载荷
重为莪荷
离心力载荷热载荷
1）
加载集中力或力矩，点击，出现
Forcc/lobentl.oad.
Hsjie
Loadl
HemberofSet
IL«adSetl
INe*・・「I
References
For匚匕
C^nponents
X
p
Y
0
z
0
N
Properties
CSVSi®^rLdOSelected
[Conponents
-
1
0
T
0
z
0
rtnH
[RclyariGiEcl
Ilorent
pK||Canci£l_|
Name
基本载何工况名称
NumberofSet
载荷集名称
Referenee
points
施加载荷时的参照，可以是surfacesedges/eurves
Properties
选择坐标系，默认为全局坐标系
Advaneed
点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式，可以加载
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
来控制，使得载荷的施加非常方便
加载分布力，点击，出现
Name基本载荷工况名称
NumberofSet载荷集名称
Referenee施加载荷时的参照，只能选择surface
Advaneed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.fnf格式的文件加载
3）
加载重力载荷，点击，出现下图对话框，
Name重力载荷名称
NumberofSet载荷集名称
CoordinateSystem选择坐标系，默认为全局坐标系
Acceleration定义重力加速度方向及大小
4.定义约束
1）:
位移约束
点击I°，出现下图所示对话框,
Name
约束名称
NumberofSet约束集名称
Referenee施加约束时的参照，可以是surfacesedges/curves
points等
CoordinateSystem选择坐标系，默认为全局坐标系
Translation平动约束
Rotation旋转约束
2）:
对称约束
点击，出现下图所示对话框，
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
D壳
严梁
建——弹簧
门质量体
1）:
壳单元点击盯，弹出下图所示窗口，
Name壳单元名称
Type
简单和高级两种类型，高级中可以定义材料方向
Referenee
定义壳单元时的参照
2）回：
梁
点击回，弹出下图所示窗口
Name
梁单元名称
Type默认为梁单元
Referenee定义壳单元时的参照
Materials梁单元的材料
Properties定义梁单元的Y轴方向
5.定义连接形式
1）C3：
连接形式点击印，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
Referenee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）回：
刚性区域
点击回，弹出下图所示窗口，
刚性区域可以模拟铰轴连接，代替ALGOR、ANSYS中杆梁组合模拟铰轴的
形式。
6.定义分析
前处理部分完成后，点击，弹出下图所示窗口,
證AnalysesandDesignStudies
File
EditRunInfo
NewStatic...
Mi&iirllnrl-Al
NewBuckling.・・
NewFatigue...・
NewPrestress►
NewDynamic►
NewStandardDesignStudy,-B
NewSensiti^ityDesignStudy,...s
NewOptimizationDesipiStudy.…
CIosa
Close
・AnalysesandDesignStudies
EditRunInfo
Bucl^ing..uFatiguet..
Prestress
7.结果查看
当分析完成后，点击，弹出下图所示窗口,
显示所有一显示面_显示部件或层显示曲线显示体
■Result
WindowDef1ml11on
冈
Title
Window!
|•甲lindlowi刃—Ana1ys1s：
1—Analys-151
StudySelectIonDesignStudy[j]Aria]„yElL：
Bl~~
Analysis
Analysis1
Displaytype
Fringe
动画显示
nZlAutoStart
U]亠[L
4]
Pjra»e?
EB
OK
[OK曰nd5h<>w~"|[UarLci
6.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examplel.asm如下图所示
图6.1
3.设置模型单位
点击主菜单“编辑”-“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。
菜单管理器
▼鎧件设:
a质量属性
材料
精度
尺寸边界
网榕公差设苴互换
参照控制指定挠性
完成
图6.2
图6.4
4.进入分析程序
点击主菜单“应用程序”—“Mechanica”，图6.5所示，弹出图6.6所示unitinfo
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。
MEHRWi
Idfire4_
o
（Sft.（E）
应用程序（臼
工具（TJ（；
•标准煜】屯境［①
继承（LJ
Mechanics
PlaE-tx^Ad.vL3：
ai±（I）模具布局（£）
NC后处理器（匹）■…
勺Meehaiiiea结果££）...
妙伴ECAH协作（£）
图6.5
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，双击或点击四即可添加到“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”-“材料分配”，图6.9所示,弹出图6.10MaterialAssignment窗口，将examplel.asm选中，即分配完材料。
ro/ENGINEERlildfi
）
1自动几何⑪*
1|
£材料*配：
&）•••旬材料方向（AJ...
—
[®■负荷集（!
：
•••殴约東集匚...
也壳畐性③…鼻梁截面迢;…込梁方向（0：
...¥梁扳本（R：
...
右弾簧冨注©…Q质量畐性:
E）...
Gy:
0{
图6.8
图6.7
o/ENGINEERWildfi
自动几何⑥*
1材料分配迦…
旬材料方向⑧…
0-负荷集（E）…
热约束集①…
CL壳属性⑸…
心梁截面（B）...
9梁方向（QJ...哲梁版本®…
L彈簧属性（Q）...
Q质量属性（E）…
III11
图6.9
图6.10
6.定义约束
点击主菜单“插入”—“位移约束”,图6.11所示，弹出图6.12所示constraint
对话框，选择两个底面进行全约束
创思艮步际上勺束n….
Q夫⑸…坪1滦逗）…一妾稠耋CR）...
JB&屋.（m）
抚中冋曲面伍）….i至挎（Q）
空模挖翻U量CA>...
樽型*莅4
Eal曲面区域g….冋悴积垛艮垢EC空）.血机构闵荷Cm>...
图6.11
axes
'®Indiiridua.1OBound!
ary
Surface:
ZW
Suifaet:
2B0
图6.12
7.定义连接关系
点击右侧快捷菜单6，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，平面夹角小于等于5度。
图6.13
8.定义刚性区域
在距离轴端面100mm处，定义一基准点PNT0。
点击右侧快捷菜单"，弹出
图6.14所示RigidLinkDefinition窗口，选择轴端面及PNT0定义为刚性区域。
9.定义面域
此节内容自己练习
10.定义载荷
窗口，参照全局坐标系，定义z向9800mmsec2
（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。
0気⑤…
彥弹簧®…
0质重（W…
勒中间曲面（£）...
:
少模拟测星⑻…■I
模型卑准（£）閑曲面区域（①….0悴积块区域（血…
旦机构贯荷（15）”-.
图6.18
图6.17
（3）定义扭矩
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
上面我们已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Mechanica分析/研究”，图6.19所示，弹出图
6.20AnalysesandDesignStudie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example!
图6.22所示。
分析⑴
信息辿）应用程序⑵工」
测逼
損型
几何⑹
外部分析（H）
人类工程学分析（E）
第公差研気.一・
“总保存的分析惟隐藏全部
删除
删除全哥
Machan.ica分析/0F究（E）八.
勺進果®…
图6.19
图6.20
图6.21
图6.22
定义完静力分析后，选择图6.22“Run”f“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，（或者直接单击二!
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“Thedesignstudyhasstarted消息。
接下来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Info|Status…（或者单击图标），查
看运算过程信息。
当信息中显示计算完毕（RunCompleted）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中的回图标，弹出图6.24所示窗口，“DisplayType”l“Fringe”即以云图形式显示结果，“Quantity”1“Displacemen”查看变形，在“DisplayOptions”中勾选“Deformed”，点击“OKandShow”即可显示位移结果，图6.25所示。
图6.24
图6.25
（2）应力结果
选择图6.24中“Quantity”l“StresS'查看应力结果，默认为VonMises应力,
如图6.26所示。
图6.26
6.2梁算例
1.A、B、D三处为铰接，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
图6.28
3建立AC梁，点选Edge/Curve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。
图6.29
4建立DB梁，以point_point方式选点为参照，第一点选pnt1第二点选pntO,
材料为steel,截面同前面定义的16#工字钢，释放pntO三个方向的转动自由度，如
图6.30
图6.31所示
6.定义载荷。
图6.32
7.定义静力分析，查看AC梁的应力，如图6.33〜6.34所示
图6.34
结论：
与理论解相当!
max^beamtotal:
-1-011492P+02
40X1&1亠12X10*
^26~lX10*4~14tX10^
■100.5MPa
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