CATIA有限元分析计算实例.docx

1、CATIA有限元分析计算实例CATIA有限元分析计算实例11.1例题1 受扭矩作用的圆筒11.11划分四面体网格的计算（1）进入【零部件设计】工作台启动CATIA软件。单击【开始】【机械设计】【零部件设计】选项，如图111所示，进入【零部件设计】工作台。图111单击【开始】【机械设计】【零部件设计】选项单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Part1】。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。（2）进入【草图绘制器】工作台在左边的模型树中单击选中【xy平面】, 如图11-3所示。单击【草图编辑器】

2、工具栏内的【草图】按钮，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】工作台。 图112【新建零部件】对话框 图113单击选中【xy平面】（3）绘制两个同心圆草图点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮，如图11-5所示。在原点点击一点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。用同样分方法再绘制一个同心圆，如图11-6所示。 图114【草图编辑器】工具栏 图115【轮廓】工具栏下面标注圆的尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮，如图11-7所示。点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所示。 图116 两个同心圆草图 图117【约束】工具栏双击一个尺寸线，弹

3、出【约束定义】对话框，如图119所示。在【直径】数值栏内输入100mm，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为100mm。用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的圆如图11-10所示。 图118标注直径尺寸的圆草图 图119【约束定义】对话框（4）离开【草图绘制器】工作台点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮，如图11-11所示。退出【草图绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。 图1110 修改直径尺寸后的圆 图1111【工作台】工具栏（5）拉伸创建圆筒点击【基于草图的特征】工具栏内的【凸台】按钮，如图11-12所示。弹出【凸台定义】对话框，

4、如图11-13所示。在【第一限制】选项组内的【长度】数值栏内输入50mm，点击对话框内的【确定】按钮，生成一个圆筒体，如图11-14所示。在左边的模型树上出现【填充器.1】元素。 图1112【基于草图的特征】工具栏 图1113【凸台定义】对话框（6）对零件赋予材料属性在左边的模型树中点击选中零件名称【Part1】，如图11-15所示。点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮，如图11-16所示。先弹出一个【打开】警告消息框，如图11-16所示，这是因为使用简化汉字界面，但没有相应的简化汉字材料库造成的，点击警告消息框内的【确定】按钮，关闭消息框。弹出【库（只读）】对话框，如图11-18所示。

5、点击【Metal】（金属）选项卡，在列表中选择【Steel】（钢）材料。点击对话框内的【确定】按钮，将钢材料赋予零件。 图1114拉伸创建的一个圆筒体 图1115选中的零件名称【Part1】 图1116【应用材料】工具栏 图1117【打开】警告消息框图1118【库（只读）】对话框如果对软件内钢铁材料的属性不了解，可以查看定义的材料属性，也可以修改材料属性参数。在左边的模型树上双击材料名称【Steel】，如图11-19所示。弹出【属性】对话框，如图11-20所示。 图1119材料名称【Steel】 图1120【属性】对话框 （7）进入【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分

6、工具）工作台点击菜单中的【开始】【分析与模拟】【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）选项，如图11-21所示。点击后进入了【高级网格划分工具】工作台。进入工作台后，生成一个新的分析文件，并且弹出一个【新分析算题】对话框，如图1122所示。点击后，在对话框内选择【Static Analysis】（静态分析算题），然后点击【确定】按钮。图1121【开始】【分析与模拟】【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）选项点击【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（Octree

7、四面体网格划分）按钮，如图1123所示。需要在【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏内点击中间按钮的下拉箭头才能够显示出【Octree Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分）按钮。 图1122【新分析算题】对话框 图11-23【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏在图形区左键点击选择圆筒三维实体模型，如图1124所示。选择实体后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分器）对话框，如图11-25所示。点击【Global】（全局）选项卡，在【Size】（尺寸）栏内输入5mm作为网格的尺寸

8、；点击选中【Absolute sag】（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入0.5mm；在【Element type】（单元类型）选项区内选中【Paraboic】二次单元。点击对话框内的【确定】按钮，完成设置，关闭对话框。 图1124选择圆筒三维实体模型 图1125【OCTREE Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分器）对话框在左边的模型树上右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，如图11-26所示。在弹出的右键快捷菜单中选择【Update Mesh】（更新网格）选项，如图11-27所示。程序开始划分网格，划分后的四面体网格如图11-28

9、所示。 图11-26右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素 图11-27选择【Update Mesh】（更新网格）选项（8）进入【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）工作台点击主菜单中的【开始（S）】 【分析与模拟】【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）选项，如图11-29所示，进入【创成式结构分析】工作台。 图11-28划分后的四面体网格 图11-29点击【开始（S）】 【分析与模拟】【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）选项（9）指

10、定3D属性点击【Model Manager】（模型管理器）工具栏内的【3D Property】（三维属性）按钮，如图1130所示。点击后弹出【3D Property】（三维属性）对话框，如图11-31所示。在左边的模型树上点击选择【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，将3D属性指定到三维零件上。 图11-30【Model Manager】(模型管理器)工具栏 图11-313D Property】(三维属性)对话框（10）设置固支边界条件点击【Restraints】（约束）工具栏内的【Clamp】（固支）按钮，如图1132所示。在

11、图形区选择圆筒体的一个底面，如图1133所示。弹出【Clamp】（固支）对话框，如图11-34所示。点击对话框内的【确定】按钮，对圆筒体的一个底面增加了固支约束。 图11-32【Restraints】（约束）工具栏 图11-33 图11-34【Clamp】（固支）对话框（11）对圆筒施加扭矩点击【Loads】（载荷）工具栏内的【Moment】（扭矩）按钮，如图1135所示。弹出【Moment】（扭矩）对话框，如图1136所示。在【Moment Vector】（扭矩分量）选项区内的【Z】数值栏内输入100Nxm，即设置扭矩z方向的分量为100Nxm。在图形区点击选择圆筒的内表面，如图1137所示

12、，即设置内表面上的扭矩为100Nxm。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框。 图1135【Loads】（载荷）工具栏 图1136【Moment】（扭矩）对话框同理，用同样的方法设置圆筒的外表面，对外部施加相反方向的扭矩，即要把z方向的扭矩设置为100Nxm。设置完成后，显示的模型如图1138所示。 图1137 图1138添加两个扭矩和固支约束后的模型 (12）计算模型点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute】（计算）按钮，如图1139所示。弹出【Compute】（计算）对话框，如图11-40。点击勾选【Preview】（预览）选项，点击对话框内的【确定】按钮，开始计算分析。点

13、击后会弹出两个对话框，一个是【Computing】（正在计算）进程显示框，如图1141所示，显示计算进程；另外一个是【Computation】（计算）框，显示当前的计算步骤和已经使用的计算时间，如图1142所示。 图1139【Compute】（计算）工具栏图 1140【Compute】（计算）对话框 图11-41【Computing】（正在计算）进程显示框 图11-42【Computation】(计算）框当计算进程把网格划分完毕，并计算完成刚度矩阵后，会弹出一个【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框，如图1143所示，显示需要的CPU时间、需要

14、的内存、需要的硬盘储存量，并且询问用户是否继续计算，如果点击【No】（否）按钮，则退出计算，如果点击【Yes】（是）按钮，则计算继续。如果用户在图1140【Compute】（计算）对话框内未选中【Preview】（预览）选项，则不会弹出【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框，直接运行计算。对于比较复杂的结构，计算时间比较长时，建议用户选中该选项，这样可以大致了解算题所需要的时间和计算机资源，用户自己也估算，计算机配置是否能够满足要求。点击对话框内【Yes】（是）按钮，继续计算。程序重新弹出【Computing】（正在计算）进程对话框，此时，如果

15、用户想终止计算，仍然可以点击该对话框内的【取消】按钮，取消计算过程。图1143【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框（13）显示模型计算结果在左边的模型树中鼠标右击【Static Case Solution.1】，如图1144所示。在出现的菜单中选择【Generate Image】（生成图像）选项，如图11-45。选择后弹出【Image Generation】（图像生成）对话框，如图1146所示。在对话框内选择【Stress full tensor component】（应力张量的分量）选项，选择后，出现应力张量图像，如图1147所示。 图11

16、-44右击【Static Case Solution.1】 图11-45选择【Generate Image】(生成图像)选项 图1146【Generate Image】（生成图像）选项 图1147应力张量图应力张量图中，含有网格、边界条件，同时未显示为彩色，下面对图像进行修改。在图像区或者模型树上点击选中固支约束和扭矩载荷名称或者符号，然后在【视图（v）】工具栏内点击【隐藏/显示】按扭，如图1148所示。将固支边界条件、扭矩载荷条件隐藏起来。将图例移动到图形旁边。在图例上点击左键，然后在图例上按下中间键不松开，即可移动图例。移动到合适位置后，再点击左键。图形区重新处于激活状态。在【视图（v）】

17、工具栏内点击【带材料着色】按扭，如图1149所示，显示材料。最终修改后显示的应力张量图如图1150所示。 图11-48【视图（v）】工具栏内 图11-49【视图（v）】工具栏内点击【带材料着色】按扭图1150修改后显示的应力张量图下面将圆筒剖开，查看其内部应力分布情况。点击【Analysis Tools】（分析工具）工具栏内的【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）按钮，如图1151所示。弹出【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）对话框，如图1152所示，不选中对话框内的【Show cutting plane】（显示剖切面）选项，在图形区不显示出剖切面。同时在

18、图形区显示罗盘，用户可以操作罗盘，对应力分布图进行不同方向的剖切，如图1153所示。 图11-51【Analysis Tools】（分析工具）工具栏 图11-52【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）对话框图1153剖切的应力分布图（14）修改网格的参数从图中可以看出，圆筒内部的应力较高。为了使计算结果更加准确，对圆筒内壁的有限元网格进行细化处理。在左边的模型树上双击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，如图11-54所示。双击后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框，如图1155所示。点击【Local】（局部）选项卡，在【Av

19、ailable specs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Local size】（局部尺寸）选项，然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【Local Mesh Size】（局部网格尺寸）对话框，如图1156所示。在【Value】（数值）栏内输入2mm，在图形区选择圆筒的内表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框。图1154双击的【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素 图1155【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框 图1156【Local Mesh Size】（局部网格尺寸）对话

20、框在【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框内，在【Available specs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Local sag】（局部垂度）选项，如图1157所示。然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【Local Mesh Sag】（局部网格垂度）对话框，如图1158所示。在【Value】（数值）栏内输入2mm，在图形区选择圆筒的内表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框。 图1157选择【Local sag】(局部垂度)选项 图11-58【Local Mesh Sag】(局部网格垂度)对话框在左

21、边的模型树上右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【Update Mesh】（更新网格）选项。程序开始划分网格，重新划分后的四面体网格如图11-59所示，可以看到，圆筒内壁的网格明显比其它部分细化。图1159重新划分后的四面体网格点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute】（计算）按钮。弹出【Compute】（计算）对话框，开始进行计算。重新计算的应力张量结果如图1160所示。应力值有所提高。图1160重新计算的应力张量结果11.12 划分结构化六面体网格计算分析（1）进入【线框和曲面设计】工作台启动CATIA软件。单击【开

22、始】【机械设计】【线框和曲面设计】选项，如图1161所示，进入【线框和曲面设计】工作台。图1161【开始】【机械设计】【线框和曲面设计】选项单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-62所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用零件名称为【Part12】。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【线框和曲面设计】工作台。（2）定义点点击【线框】工具栏内的【点】按钮，如图1163所示。点击后弹出【点定义】对话框，如图1164所示。在【Y】数值栏内输入50mm，即在（0，50，0）位置创建一个点。点击对话框内的【确定】按钮，创建一个点。 图1162【新建零部件】对话框 图1163【线框

23、】工具栏用同样的方法创建第二个点（0，100，0），第三个点（0，0，0）。（3）创建线段点击【线框】工具栏内的【直线】按钮，弹出【直线定义】对话框，如图1165所示。在图形区选择【点1】和【点2】，如图1166所示。点击对话框内的【确定】按钮，创建一条线段。 图1164【点定义】对话框 图1165【直线定义】对话框继续创建第二条线段，但方法与第一条线段出创建方法不同。点击【线框】工具栏内的【直线】按钮，弹出【直线定义】对话框，在图形区选择第三个点，然后再选择【xy plane】参考平面，如图1167所示。此时，【直线定义】对话框内【线型】下拉列表框自动更改为【点方向】，如图1168所示。在【

24、结束】数值栏内输入20mm，即线段的长度为20mm。 图1166选择【点1】和【点2】 图1167选择第三个点【xy plane】参考平面（4）旋转创建面点击【曲面】工具栏内的【旋转】按钮，如图1169所示。弹出【旋转曲面定义对话框】，如图1170所示。在图形区选择【直线.1】作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴，如图1171所示。 图1168【线型】下拉列表框自动更改为【点方向】 图1169【曲面】工具栏 图1170【旋转曲面定义对话框】 图1171选择【直线.1】作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴（5）拉伸创建曲面点击【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮，如图1172所示。弹出【拉伸曲面定义】

25、对话框，如图1173所示。选择上一步旋转创建的曲面内圆作为轮廓，选择第二条线段【直线.2】作为方向，在【拉伸限制】区内的【限制1】【尺寸】数值栏内输入50mm，即拉伸的高度为50mm。预览生成的拉伸曲面如图1174所示。 图1172【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮 图1173【拉伸曲面定义】对话框用同样的方法拉伸外侧的圆弧，最终形成的图形如图1175所示。（6）赋予钢铁材料在左边的模型树中点击选中零件名称【Part1】。点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮。先弹出一个【打开】警告消息框点击警告消息框内的【确定】按钮，关闭消息框。弹出【库（只读）】对话框。点击【Metal】（金属）选项卡，在

26、列表中选择【Steel】（钢）材料。点击对话框内的【确定】按钮，将钢材料赋予零件。 图1174预览生成的拉伸曲面 图1175最终形成的图形（7）进入【ADCANCED MESHING TOOLS】（高级网格划分工具）工作台单击【开始】【分析与模拟】【ADCANCED MESHING TOOLS】（高级网格划分工具）选项，如图1176所示，进入【ADCANCED MESHING TOOLS】（高级网格划分工具）工作台。图1176【开始】【分析与模拟】【ADCANCED MESHING TOOLS】（高级网格划分工具）选项（8）划分底面网格点击【Meshing Method】（网格划分方法）工具栏

27、内的【Advanced Surface Mesher】（高级曲面划分器）按钮，如图1177所示。点击后在图形区选中底面，如图1178所示。 图1177【Advanced Surface Mesher】（高级曲面划分器）按钮 图1178选中的底面注意！只选择底面。选中底面后，弹出【Global Parameter】（全局参数）对话框，如图1179所示。点击【Mesh】（网格）选项卡，在【Mesh Type】（网格类型）栏内点击四边形网格按钮，在【Element type】（单元类型）栏内勾选【Parabolic】（二次网格）选项，在【Mesh Size】（网格尺寸）数值栏内输入5mm，勾选【Mi

28、nimize triangle】（最小化三角形）选项。全部设置完成后，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，完成平面网格划分设置。平面轮廓的边缘显示为绿色，如图1180所示。 图1179【Global Parameter】（全局参数）对话框 图1180平面轮廓的边缘显示为绿色点击【Execution】（执行）工具栏内的【Mesh The Part】（对零件划分网格）按钮，如图1181所示。程序开始对底面划分四边形网格，划分完成后，弹出【Mesh The Part】（对零件划分网格）对话框，如图1182所示。对话框显示网格的尺寸，节点数量，单元数量，以及划分网格的结果。在本例题中，划分的四边形

29、网格，网格尺寸为5mm，创建了3437个节点，创建了1083个单元，划分网格结果是正常完成。对底面划分的四边形网格如图1183所示。 图1181【Execution】（执行）工具栏 图1182【Mesh The Part】（对零件划分网格）对话框点击【Exit】（退出）工具栏内的【Exit】（退出）按钮，如图1184所示。退出【Surface MESHING TOOLS】（曲面网格划分）工作台，进入【ADCANCED MESHING TOOLS】（高级网格划分工具）工作台。 图1183对底面划分的四边形网格 图1184【Exit】（退出）工具栏（8）拉伸生成六面体网格点击【Mesh Transformation】（网格变换）工具栏内的【Extrude Mesher with Translation】（平动拉伸网格）按钮，如图1185所示。点击后弹出【Extrude Mesher with Translation】（平动拉伸网格）对话框，如图所示。1186在图形区选择上一步划分的四边形网格，点击选择第二条线段作为拉伸六面体网格的轴，