Proe结构分析理想化.docx
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Proe结构分析理想化
理想化
模块概述
在本模块中，您将了解到许多不同的可应用于Pro/ENGINEERMechanica分析模型的理想化类型。
理想化是特定的工作流程概念，是Pro/ENGINEER功能及特定于Mechanica的特征，您可以使用理想化来减少分析模型所需的资源（时间、内存、磁盘空间等等）。
目标
成功完成此模块后，您即可知道如何：
∙描述可用的不同Mechanica模型类型。
∙创建和分析3DMechanica模型。
∙创建和分析2D平面应力Mechanica模型。
∙创建和分析2D平面应变Mechanica模型。
∙创建和分析2D轴对称Mechanica模型。
∙了解梁理想化。
∙创建和应用梁截面。
∙创建和分析梁理想化模型。
∙了解壳理想化。
∙创建和分析标准壳理想化模型。
∙创建和分析中间曲面壳理想化模型。
∙了解质量理想化。
∙创建和分析质量理想化模型。
∙了解弹簧理想化。
∙创建和分析弹簧理想化模型。
∙了解和使用理想化及简化Mechanica分析模型的其他技术。
模型类型概览
Mechanica模型设置是Mechanica分析过程的前几步之一。
Mechanica模型设置
∙功能模式：
MechanicaLite
∙产品：
o结构
o热
∙模式：
o固有
oFEM
∙模型类型：
o3D
o2D平面应力
o2D平面应变
o2D轴对称
∙缺省界面：
o连接
o自由
o接触
模型设置
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Mechanica模型设置
“Mechanica模型设置”（MechanicaModelSetup）对话框是将会显示的前几个对话框之一。
在此对话框中，可以指定影响Mechanica运行的五个主要类别。
∙功能模式（CapabilityMode）：
选中MechanicaLite复选框为简单零件和组件调用Mechanica的限制版本。
MechanicaLite可完成这些结果的简单集成结构分析及可视化，并且只需通过Pro/ENGINEER许可证运行-不需要Mechanica许可证。
∙产品（Product）：
产品选项决定Mechanica是否执行两类分析之一：
o结构（Structure）：
着重于模型的结构特性（应力、应变、位移等）。
o热（Thermal）：
着重于模型的传热特性（温度、热通量等）。
∙模式：
o固有（Native）：
“固有”（Native）模式可启用Mechanica的P代码求解器。
“固有”（Native）模式可启用分析模型创建、P元素网格化以及对内置自适应求解器的使用。
oFEM：
FEM模式基于Pro/ENGINEER零件或组件启用数学模型的创建，然后在多个第三方求解器（例如NASTRAN、ANSYS等）的任意一个中分析该模型。
此课程中将不会涉及FEM模式。
∙模型类型：
o3D：
3D模型在无任何其他理想化模型类型可用时使用。
它包含三维元素，表示可用的最复杂的模型类型。
o2D平面应力（2DPlaneStress）：
“2D平面应力”（2DPlaneStress）模型是二维理想化模型，较其他两个坐标方向来说，在一个坐标方向上非常薄。
对于Mechanica分析，将其视为无限薄。
o2D平面应变（2DPlaneStrain）：
“2D平面应变”（2DPlaneStrain）模型是二维理想化模型，较其他两个坐标方向来说，在一个坐标方向上非常厚。
在“结构”（Structural）分析中，将此模型视为无限厚；在“热”（Thermal）分析中，结果与模型的单位深度相关。
o2D轴对称（2DAxisymmetric）：
2D轴对称模型可用于关于轴对称的模型。
∙缺省界面（DefaultInterface）：
缺省界面指示对组件模型中的重合曲面或元件进行的操作：
o连接（Bonded）：
连接彼此相接触的元件或曲面。
网格化过程中，Mechanica会合并重合节点。
o自由（Free）（结构）：
保持彼此相接触的元件或曲面分开。
o隔热（Adiabatic）（热）：
与结构分析中的自由相类似，在通过“隔热”（Adiabatic）界面连接的元件之间不会传递热量。
它们实质上保持热“独立”。
o接触（Contact）（结构）：
接触界面可使元件保持彼此分离，但当这些元件彼此接触时，会在它们之间传递力。
可以为缺省接触界面定义多个参数和设置（例如分开距离、角度和摩擦特性）。
o热阻（ThermalResistance）（热）：
热阻界面将显示模型中存在缺陷的热粘合。
可以为缺省热阻曲面定义热传递系数。
使用3D模型
3D模型是最灵活，但也是最复杂（及计算密集型）的模型类型。
∙最灵活
∙最复杂
o内存
o磁盘存储
o元素
o计算时间
∙所有可用的理想化
o壳
o连接
o梁
o点焊
o质量（仅结构）
o弹簧（仅结构）
∙6个自由度
o实体：
仅平移DOF
3D模型类型
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使用3D模型
3D模型是最灵活，但也是最复杂（及计算密集型）的模型类型。
如果对2D或3D模型类型的模型进行分析，则3D模型类型需要更多资源：
内存、磁盘存储、元素、计算时间等等。
如果模型中的任何部分（这不仅包括几何，还包括理想化、载荷和位移）位于已定义XY平面的坐标外侧，则必须使用3D模型类型。
与2D模型类型对照，所有理想化在3D模型中都可用。
这表示壳、连接、梁和点焊在结构3D模型和热3D模型中都可用。
此外，质量和弹簧理想化在3D结构模型中可用。
可以六个自由度定义载荷、约束和其他模型特征。
6个自由度由相对于坐标系的3个平移自由度和3个旋转自由度组成。
对于实体，只有三个平移自由度可用。
使用2D平面应力模型
2D平面应力模型类型可以大大简化一些分析。
∙薄板零件
∙“平面内”的所有载荷、约束和位移
∙σz=τxz=τyz=0
∙必须定义壳理想化
∙质量和弹簧理想化可用（仅适用于结构）
2D平面应力
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2D平面应力模型类型
“2D平面应力”模型类型在分析薄板零件时很有用。
如果假定“薄板”方向是Z方向，则对于平面应力分析，假设超出平面法向应力（σz）和超出平面剪切应力（τxz和τyz）的应力都等于零。
在“平面内”应用所有约束和载荷时（垂直于薄板方向），这种假设是可以接受的。
对于所有2D模型类型（包括“2D平面应力”），必须将笛卡尔坐标系指定为参照坐标系。
还必须指定即将进行分析的几何，并且其必须位于参照坐标系的XY平面内。
但不必相对参照笛卡尔坐标系指定载荷、约束及其他模型属性。
Mechanica将网格化具有“2D板元素”的“2D平面应力”模型类型。
“2D板”元素在Z方向非常薄，但具有关联的材料厚度。
除了指定“2D平面应力”模型类型、坐标系和几何外，必须针对分析中包括的几何定义壳模型（简单或高级）。
此外，可为“结构2D平面应力”模型类型创建质量和弹簧理想化，但不能为“热2D平面应力”模型类型创建。
最佳做法
确保所有重要载荷、约束和模型属性在选取“2D平面应力”模型类型之前位于笛卡尔坐标系的XY平面中。
否则，必须创建这样的坐标系或使用3D模型类型。
使用2D平面应变模型
2D平面应变模型类型可以大大简化一些分析。
∙棱柱零件
∙仅适用于载荷、约束和位移F（X，Y）
o不允许Z方向的变化
∙εz=γxz=γyz=0
∙可为实体、壳或实体与壳混合
o必须为边/曲线定义壳理想化
∙质量和弹簧理想化可用（仅适用于结构）
∙表示3D模型的单位深度
实体和壳混合
平面应变模型
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2D平面应变模型类型
2D平面应变模型类型在分析棱柱零件时很有用；换句话说，在单一方向具有相同横截面的零件。
平面应变模型类型假设仅XY平面内存在应变，而Z方向无任何应变。
它对Z方向的应力无任何要求，实际上该应力可能为非零。
“2D平面应变”模型的数学假设是在平面正应变（εz）以外和平面剪切应变（γxz和γyz）以外，所有应变都等于零。
此类装载的常用示例出现在仅装载在X和Y方向的长形成员中，例如，受到其内侧和外侧压力差的管道、水闸和汽缸。
在所有情况下，载荷或约束必须都不沿着Z方向变化-它们必须仅为X和Y的函数。
对于所有2D模型类型（包括“2D平面应变”），必须将笛卡尔坐标系指定为参照坐标系。
还必须指定即将进行分析的几何，并且其必须位于参照坐标系的XY平面内。
但不必相对参照笛卡尔坐标系指定载荷、约束及其他模型属性。
2D平面应变模型类型可由实体、壳或二者混合组成。
选取位于XY平面内的曲面时将产生“平面应变”实体元素，而选取位于XY平面内的曲线或边时则产生“平面应变”壳元素。
当创建具有壳元素的2D平面应变模型类型时，还必须为所选边和曲线指定壳理想化（简单或高级）。
最后一点，所有2D平面应变模型都表示实际3D模型的单位厚度层切面。
最佳做法
确保在选取“2D平面应变”模型类型前，所有载荷、约束和模型属性均未沿Z方向变化。
否则，必须使用3D模型类型。
使用2D轴对称模型
2D轴对称模型类型可以大大简化一些分析。
∙模型关于某一轴（Y轴）对称
∙载荷、约束和位移仅存在于XY平面内
o不允许径向变化
∙可为实体、壳或实体与壳混合
o必须为边/曲线定义壳理想化
∙质量和弹簧理想化可用（仅适用于结构）
∙表示3D模型的单位深度
2D轴对称模型
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2D轴对称模型类型
2D轴对称模型类型在分析关于轴对称的零件时很有用。
常用示例包括箱体、法兰和圆柱或圆锥结构。
2D轴对称模型表示实际3D模型的层切面，在绕参照坐标系的Y轴旋转时将与原始3D模型显示相同。
只要载荷、约束、位移和其他模型属性不会径向变化，就可以使用2D轴对称模型类型。
对于所有2D模型类型（包括2D轴对称），必须将笛卡尔坐标系指定为参照坐标系。
还必须指定即将进行分析的几何，并且其必须位于参照坐标系的XY平面内。
由于假定了模型旋转轴为参照坐标系的Y轴，所有几何必须也位于XY平面的X≥0部分。
但不必相对参照笛卡尔坐标系指定载荷、约束及其他模型属性。
2D轴对称模型类型可由实体、壳或二者混合组成。
选取位于XY平面内的曲面时将产生轴对称实体元素，而选取位于XY平面内的曲线或边时则产生轴对称壳元素。
当创建具有壳元素的2D轴对称模型类型时，还必须为所选的边和曲线指定壳理想化（简单或高级）。
此外，可为“结构2D轴对称”模型类型创建质量和弹簧理想化，但不能为“热2D轴对称”模型类型创建。
最佳做法
确保在选取“2D轴对称”模型类型前，所有载荷、约束和模型属性均未沿径向方向变化。
否则，必须使用3D模型类型。
了解梁理想化
梁理想化可启用沿一维图元的横截面属性的应用。
梁理想化元素
∙梁截面
∙位置
∙定向
∙材料
∙梁释放
∙相对于载荷的位置
梁理想化
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梁理想化
梁是应用于空间中曲线的2D横截面属性的一维理想化；所应用的曲线可通过三维空间转换。
可通过指定横截面形状和位置、方向、材料、梁端的自由度，以及相对于Mechanica应用梁载荷的轴的梁位置来创建梁。
梁被设想为在不存在扭转的情况下具有沿其整个长度的恒定横截面。
∙梁截面（BeamSections）：
梁截面可根据需要创建或存储及从库中检索。
有三种基本类型的截面可以使用：
o标准：
您可以使用标准Mechanica横截面形状并简单指定尺寸。
Mechanica会自动计算所有基于几何的必要的横截面属性。
标准形状包括：
▪实心和空心：
正方形、矩形、圆形和椭圆形
▪仅为实心：
通道、工字梁、L形截面和菱形
o一般：
要创建一般梁截面，您必须提供横截面的属性而非形状。
这些属性包括区域、惯性的2D力矩（Iyy、Iyz、Izz）、扭转刚度（J）、剪切参数及应力栅格。
o草绘：
如果需要，可以草绘梁横截面的形状。
Mechanica会计算所有基于所创建几何的必要的参数。
如果想要拥有不在横截面质心位置的剪切中心，您必须在稍后应用梁理想化截面时，通过指定具有“梁方向”的DY和DZ来指定其距质心的偏移。
这些草绘的横截面可以是以下两种类型之一：
▪实体：
对于这种类型的横截面，可使用草绘模式来草绘并标注梁的横截面形状。
▪薄壁：
对于这种类型的横截面，除了草绘梁的横截面形状外，还必须指定与每个草绘图元相关联的梁截面的厚度。
所指定的厚度被对称应用到每个图元。
∙位置（Position）：
在草绘截面所在的位置，相对于草绘器坐标系，可影响分析模型的行为。
∙方向（Orientation）：
梁的X向量平行于在创建梁理想化时指定的一或多个参照。
X向量的方向取决于选取它时梁参照上箭头的方向。
然后相对于全局坐标系（WCS）、一个点或一个轴可指定Y方向。
X和Y向量的定义将依次设置Z向量的方向。
∙材料（Material）：
当前与模型相关联的任何材料都可以应用于梁理想化。
∙梁释放（BeamRelease）：
梁释放可以指定梁理想化端上的自由度（DOF）。
这些DOF相对于“梁载荷坐标系（BACS）”进行指定。
有关此坐标系的详细信息，请参阅Mechanica帮助系统。
∙相对于载荷的位置（Locationwithrespecttoload）：
控制Mechanica定义和分析梁的方式的坐标系有三种（BSCS、BACS和BCPCS）。
有关如何操纵这些坐标系及何时需要进行如此操作的详细信息，请参阅Mechanica帮助系统。
最佳做法
∙为使用梁理想化，梁应当比其宽度长很多。
请考虑使用10:
1的比例（沿梁与其他两个尺寸相比较的长度）作为准则。
∙在考虑梁释放时要特别注意，从而使分析模型尽可能地逼真。
∙Mechanica假定梁元素的剪切中心位于中性弯曲轴上，这通常仅对对称横截面才正确。
如果正在建模的梁横截面不关于一个或两个主弯曲轴对称，则由Mechanica报告的位移或应力结果可能会不正确。
有关详细信息，请参阅Mechanica帮助系统。
创建与使用梁截面
梁截面定义梁理想化的区域属性。
梁截面类型
∙标准
∙草绘
∙一般
一般截面参数
正方形
矩形
空心矩形
通道
工字梁
L形截面
菱形
实心圆
空心圆
实心椭圆
空心椭圆
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梁截面
梁截面定义梁理想化的区域属性。
可以在常用梁横截面类型的Mechanica库中指定横截面形状，或在草绘器模式下创建横截面。
在这两种情况的任意情况下，Mechanica会根据几何计算截面的2D属性。
第三种选择是可使用“一般”（General）截面类型直接指定区域的2D属性。
梁截面可根据需要即时创建或存储及从横截面库中检索。
有关管理梁截面库的详细信息，请参见Mechanica帮助文件。
标准梁截面
要使用“标准梁截面”，选取横截面形状并指定其尺寸。
标准形状包括：
正方形、矩形、空心矩形、通道、工字梁、L形截面、菱形、实心圆、空心圆、实心椭圆及空心椭圆。
草绘的梁截面
如有必要，可以为分析草绘梁横截面形状。
创建几何后，Mechanica会根据所草绘的几何计算区域的参数。
可以草绘两种不同类型的横截面：
∙实体：
对于实体草绘梁截面，使用草绘模式来草绘并标注梁的横截面形状。
如果几何不关于“草绘器”坐标系对称，则提供了选项可在草绘完成后指定剪切中心距“草绘器”坐标系的距离（DY和DZ）。
∙薄板：
对于薄板草绘梁截面，在草绘模式下草绘薄几何的中心线。
然后，必须使用“草绘”（Sketch）>“特征工具”（FeatureTools）>“厚度”（Thickness）命令指定在草绘中所创建的每个图元周围的横截面厚度。
此厚度规范可单独应用于任何图元及链中的图元，或者可为草绘中的所有图元进行厚度的全局定义。
关于每个图元对称应用厚度。
一般梁截面
对于一般“梁截面”，可直接提供横截面的属性，而不用选取或草绘横截面形状及让Mechanica计算其几何属性。
这些属性包括区域、惯性的2D力矩（Iyy、Iyz、Izz）、扭转刚度（J）、剪切形状因子、剪切中心距参数的位移及应力栅格。
应力栅格
为了检索到有意义的结果，必须指定梁横截面内要恢复应力测量处的特定位置。
这些点即称为梁应力恢复点。
标准截面在其定义中已指定这些点的位置。
对于草绘的梁截面，必须在要恢复分析结果的应力测量处的各个位置手动创建草绘器点。
对于一般梁截面，提供了选项以指定这些点关于“梁形状坐标系”所处的位置。
最佳做法
使用“草绘的薄板梁截面”时，草绘的全部特征尺寸与图元的厚度相比应为20:
1或更高。
使用梁方向
定向梁截面时涉及三个坐标系。
梁坐标系
∙梁载荷坐标系
∙梁形状坐标系
∙梁质心主坐标系
草绘的实体梁截面
“梁方向定义”对话框
3个坐标系
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梁坐标系
为了能够理解如何定位梁截面，必须首先理解三类与梁相关联的坐标系。
∙梁载荷坐标系（BACS）
∙梁形状坐标系（BSCS）
∙梁质心主坐标系（BCPCS）
梁载荷坐标系（BACS）
应用到梁的力和力矩通过称为梁载荷坐标系（BACS）的坐标系起作用。
创建梁时，BACS始终定位在曲线（Mechanica绘制的蓝色线）上；BACS的X轴平行于这条曲线，BACS的Y轴和Z轴通过在“梁定义”（BeamDefinition）对话框上设置Y方向进行控制。
梁形状坐标系（BSCS）
相对于梁形状坐标系（BSCS）定义梁横截面形状。
梁的X轴始终沿着梁长度的方向。
X轴的正方向由选取每个梁段时箭头指向的方向定义。
（可通过单击来更改任何梁X轴定义箭头的方向）。
对于标准梁截面类型，软件通过“梁截面定义”（BeamSectionDefinition）对话框中截面的图形描述上的十字线（+）定义Y轴和Z轴。
Y轴方向为从十字线向上，而Z轴方向为从十字线向右。
对于草绘的梁截面，BSCS的Y轴和Z轴方向分别对应于草绘的坐标系的Y轴和X轴方向。
对于一般横截面，软件会依据规范确定BCPCS，对于该横截面类型，BSCS实质上与BCPCS相同。
Mechanica使用Y轴末端处的Y形和Z轴末端处的箭头描绘BSCS。
可通过在“梁方向定义”（BeamOrientationDefinition）对话框中输入DY和DZ的值来相对于BACS放置BSCS。
可通过在“梁方向定义”（BeamOrientationDefinition）对话框中输入“方向角”（OrientationAngle）来完成BSCS围绕梁X轴的旋转。
此外，可通过单击“剪切中心”（ShearCenter）单选按钮来相对于BACS定位梁截面的剪切中心。
梁质心主坐标系（BCPCS）
梁质心主坐标系（BCPCS）位于截面质心处。
此坐标系的Y轴和Z轴是通过截面质心和定义最大和最小惯性力矩的轴的主轴。
BCPCS相对于BSCS的位置和方向仅是梁截面形状的函数。
对于一般截面和所有标准截面（通道和L除外），BSCS与BCPCS重合。
对于草绘截面、通道截面和L形截面，Mechanica会自动确定BCPCS。
BCPCS有时称作主坐标系。
相对于BCPCS计算查看梁截面期间返回的许多值。
使用梁释放
“梁释放”可以指定要在梁端释放的自由度。
∙在梁端点释放自由度
∙相对于梁载荷坐标系（BACS）
∙适合的自由度
o平移：
Dx、Dy、Dz
o旋转：
Rx、Ry、Rz
梁释放图标
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梁释放
“梁释放”可以指定要在梁端释放的自由度。
如果不明确指定梁释放，则Mechanica会缺省固定所有自由度。
可为直梁和曲梁定义梁释放。
可在给定模型中创建和存储多个梁释放，但没有将梁释放从一个模型传递到另一个模型的库或方法。
Mechanica在指定梁释放时使用梁载荷坐标系（BACS）进行定向。
可以释放以下自由度：
∙平移：
Dx、Dy、Dz
∙旋转：
Rx、Ry、Rz
梁释放图标
梁释放以图形图标显示在梁上，朝着应用释放的端点方向定位。
三重轴的每个轴表示BACS中的X、Y和Z方向。
X方向与梁的X正方向对齐，Y方向与Y正方向对齐。
在任意方向释放自由度时，Mechanica都会向图标添加相应指示符。
箭头表示释放相应平移自由度，环表示释放相应旋转自由度。
图中显示的图标表示已释放所有自由度的梁释放。
了解壳理想化
壳可使您建立已定义厚度的薄层模型作为曲面进行分析。
壳理想化
∙标准壳
o简单
o高级
∙中间曲面壳
∙混合模型
混合模型（壳/实体元素）
22511实体元素
521壳元素
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壳理想化
壳理想化可用于对模型薄区域进行建模，作为具有关联厚度的曲面，代替使用完全的实体元素。
因为曲面元素（三角形和四边形）需要的计算资源少于实体元素（四面体、楔、砖），所以壳可以进行效率更高的计算。
在网格化期间，Mechanica将以蓝色显示实体元素、以绿色显示壳元素并以紫色显示链接。
对于给定的模型，充分表示该模型所需的壳元素数量通常比所需实体元素的数量少很多（通常以数量级计算）。
本幻灯片底部的图中显示了有关于此的一个范例：
相同的模型使用了超过40倍的实体模型。
您可以创建如下两种基本类型的壳：
∙标准壳（StandardShells）：
“标准壳”（StandardShells）通过从模型选取曲面参照并将材料和厚度与其相关联来创建。
∙中间曲面壳（MidsurfaceShells）：
“中间曲面壳”（MidsurfaceShells）通过从Mechanica压缩成单一中间曲面的模型中选取曲面对来创建。
可以如下三种不同方式创建壳以进行使用：
∙您可从零件创建直接基于曲面对的中间曲面壳。
壳的厚度和材料都基于指定给实体模型的几何和材料。
∙您可从零件创建基于曲面对的“中间曲面壳”，但可以编
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