Pro-MECHANICA入门实例

终极教程 门实例 通过两个简单实体模型分析实例介绍使用 行分析任务（包括基本应力分析、灵敏度分析和优化设计等）的基本过程，通过这一章的学习后，读者应该能够掌握使用 行分析的基本方法。本章主要内容包括： 入门实例 2 在 ， 将每一项能够完成的工作称之为设计研究。所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或一系列需要解决的 问题。在 ，每一个分析任务都可以看作一项设计研究。设计研究种类可以分为以下 3 种类型。 标准分析（ 最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。 灵敏度分析（ 可以根据不同的目标设计参数或者物性参数的改变计算出一些列的结果。除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、指定参数 的变化范围。用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。 优化设计分析（ 在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性约束）、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。 因此 ， 概括的说 ， 够完成的任务可以分为两大类 ： 第一类可以称之为设计验证，或者称为设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，这也是其他有限元分析软件所只能完成的工作。在 ，完成这种工作需要依次进行以下步骤： （ 1） 创建几何模型。 （ 2） 简化模型。 （ 3） 设定单位和材料属性。 （ 4） 定义约束。 （ 5） 定义载荷。 （ 6） 定义分析任务。 （ 7） 运行分析。 （ 8） 显示、评价计算结果。 第二类可以称之为模型的设计优化 ， 这是 别与其他有限元软件最显著的特征。在进行模型的设计优化需要完成以下工作： （ 1） 创建几何模型。 （ 2） 简化模型。 （ 3） 设定单位和材料属性。 （ 4） 定义约束。 （ 5） 定义载荷。 （ 6） 定义设计参数。 （ 7） 运行灵敏度分析。 （ 8） 运行优化分析。 （ 9） 根据优化结果改变模型。 本章将通过两个简单的实例来介绍上述 过程。 入门实例 有限元模型的建立 步骤一：打开模型零件 （ 1） 设置工作目录为 （ 2） 打开零件模型 图 示。 第 2 章 入门实例 3 图 步骤二：设置模型单位 （ 1） 打开 界面的 单 ， 然后选择 选项。 （ 2） 系统弹出 单管理器 ， 如图 示。 图 （ 3） 在 单中单击 项，系统弹出 话框，如图 示。 4 图 （ 4） 我们要将模型的单 位设置为毫米牛顿秒的形式，所以在 选择 如图 示。 （ 5） 单击 话框右侧的 钮进行单位设定。 （ 6） 系统弹出警告对话框要求选择模型单位转化方式，选择 不改变模型大小方式，如图 示。 图 （ 7） 单击 钮完成单位转化。 （ 8） 单击 钮完成单位系统设置。 步骤三 ： 进入 （ 1） 打 开 界面的 单 ， 选择 系统弹出模型单位系统信息对话框 ，如图 示。 第 2 章 入门实例 5 图 （ 2） 单击 钮继续，系统进入 式，如图 示。 图 （ 3） 为进入 块，选择 单管理器中的 项，系统进入结构分析主界面。 步骤四：设置模型材料 （ 1） 选择 单 系统弹出材料定义对话框。 （ 2） 在 话框左侧的 表框中选择 然后单击 按钮 ， 将 加至右侧的 表框中 ， 如图 示。 6 图 （ 3） 在图 话框中单击 按钮，系统弹出材料属性修改对话框，如图 示。从该对话框中可以看出 种材料的基本属性，单击 钮关闭该对话框。 图 （ 4） 在图 话框中单击 钮， 系统提示选择一个 型。 （ 5） 选择 型，然后 单击 钮关闭选择对话框。 （ 6） 系统返回 话框，单击 话框中的 钮。 （ 7） 完成模型材料的定义。 步骤五 ： 定义约束 我们要将 左端面固定 ， 所以需要在左端面定义面约束。 （ 1） 在 单中选择 可以直接单击右侧工具栏上的 命令图标），系统弹出 义对话框，如图 示。 第 2 章 入门实例 7 图 （ 2） 保留默认的约束名称 默认的约束组名称 （ 3） 单击 s)下侧的 按钮，系统提示 选择面）。 （ 4） 选择图 示的左端面，单击 闭选择对话框。 图 （ 5） 系统回到 话框。 （ 6） 保留默认坐标系设置。 （ 7） 图 话框的底部为 3 个移动自由度和 3 个转动自由度的约束形式定义区域，由于要将左端面固定，所以需要将 6 个自由度完全固定，因此保留如图 示默认的约束形式。 （ 8） 单击 钮完成约束的定义。 （ 9） 约束定义完成后的模型如图 示。 选择此面 8 图 步骤六：定义 载荷 要求在本模型的右侧圆孔表面施加 向下的均布力。 （ 1） 在 单中选择 可以直接单击右侧工具栏的 命令图标），系统弹出 义对话框，如图 示。 （ 2） 保留默认的载荷名称 默认的载荷组名称 （ 3） 单击 s)下侧的 按钮，系统提示 选择面）。 （ 4） 选择图 示圆孔的圆柱面，单击 钮关闭选择对话框。 （ 5） 保留默认坐标系设置。 （ 6） 在 方的列表框中分别选择 载荷为以合力形式给出的均布载荷。 （ 7） 在 方的列表框中选择 给出各个分立的大小。 （ 8） 由于圆柱面的载荷垂直向下，所以在 Z 右侧的文本框中填入数字 图 示。 图 图 （ 9） 单击 钮可以预览载荷的位置及状态。 （ 10） 单击 钮关闭 话框。 （ 11） 完成载荷定义 。 载荷定义完毕后的模型效果如图 示。 选择此面 第 2 章 入门实例 9 图 图 进行基本应力分析 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，这一节里我们将对上面建立的模型进行基本的应力计算。 步骤一：建立分析任务 （ 1） 在 单中选择 系统弹出 话框。 （ 2） 在 话框中选择 ，系 统弹出 话框。 （ 3） 在 输入分析任务名称 （ 4） 接受默认 的项目 的项目 即所建立的静态分析包含约束组 载荷组 （ 5） 在 选择 （ 6） 切换到 将 置为 6，如图 示。 10 图 7） 单击 成静态分析任务的定义。 （ 8） 系统回到 话框，此时 出现了前面建立的分析任务，名称为 型为 图 示。 图 至此，基本应力分析任务建立完毕。 步骤二：设置和运行分析 （ 1） 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，选择图 示对话框的单下的 命令（或者直接单击 命令图标），进行上述的设置，如图 示。 第 2 章 入门实例 11 图 （ 2） 选择 话框的 者单击 图标），开始分析计算。 （ 3） 系统首先问询是否进行错误检查，单击 行错误检查。 （ 4） 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“ 消息。 （ 5） 接下来 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 （或者单击 图标），查看运算过程信息。当信息中显示计算完毕（ 单击 钮关闭对话框。 （ 6） 单击 话框中的 钮关闭对话框。 步骤三：计算结果显示 （ 1） 在 单中选择 系统弹出结果后处理主界面 ， 如图 示。 图 （ 2） 从图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框。在 填入 填入 图 示。 图 3） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的分析 击 钮。 （ 4） 系统回到 话框，如图 示。 （ 5） 在 选择 选择 选择 即以云图 12 的形式显示 力。 图 （ 6） 在图 话框 下部区域切换至 选 图 示。 图 7） 单击 闭对话框，完成结果窗口 定义。 （ 8） 从图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框，在 填入 填入 示。 图 （ 9） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的分析 击 钮。 （ 10） 系统回到 话框。 第 2 章 入门实例 13 （ 11） 在 中选择 选择 选择 （ 12） 将对话框下部区域切换至 图 示，勾选 图 （ 13） 单击 钮关闭对话框，完成结果窗口 定义。 （ 14） 显示已经定义的窗口，单击结果窗口上的 命令图标，在弹出的结果窗口选择对话框中选择 图 示。 图 （ 15） 单击 钮，显示出如图 示结果。 14 图 从图 以看出，最大应力为 大变形为 提示 ： 001在结果显示上较大的改进是在结果窗口中可以直接显示有限元网格。 下面就来练习这一功能： （ 16） 在图 图 示对话框中分别勾选 （ 17） 单击结果窗口上的 命令图标，在弹出的结果窗口选择对话框中选择 （ 18） 单击 钮，显示出如图 示结果。 图 第 2 章 入门实例 15 进行模型的灵敏度分析 灵敏度分析研究的主要内容是研究特定参数对模型特性的影响情况，即研究模型特定变化对于参数变化的灵敏程度。在本例中，设置 3 个参数，如图 示。 图 这 3 个参数分别为 别指代圆角半径 大小、悬臂厚度、圆孔的直径大小。本小节中所要进行的灵敏度分析就是研究这 3 个参数对模型应力的影响情况，即研究一下模型应力随着这三个参数变化而变化的程度。 步骤一 ： 建立参数 1） 在 单中选择 （ 2） 在 单中选择 统弹出 话框，示。 图 （ 3） 单击 钮新建一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框，如图 示。 此 处 圆 角 大 小 设 为 参 数处圆孔直径大小设为参数 处厚度设为参数 16 图 （ 4） 在设计参 数定义对话框中的 置为 后单击右侧的 按钮，系统提示选择一个尺寸。 （ 5） 选择圆角半径尺寸，如图 示。 图 （ 6） 系统返回设计参数定义对话框，在 填入 时设置该参数的变化范围，在 小值）中填入 大值）中填入 （ 7） 单击 成参数 定义，系统返回 话框，如图 示。 选择此圆角直径 第 2 章 入门实例 17 图 步骤二 ： 建立参数 1） 单 击 话框中的 钮新建另一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框，如图 示。 图 （ 2） 在设计参数定义对话框中将 置为 后单击右侧的 按钮，系统提示选择一个尺寸。 （ 3） 选择圆孔直径尺寸，如图 示。 图 （ 4） 系统返回设计参数定义对话框，在 填入 在设置该参数的变化范围，在 小值）中填入 大值）中填入 （ 5） 单击 钮完 成参数 定义，系统返回 话框。 步骤三 ： 建立参数 1） 单 击 话框中的 钮新建另一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框。 （ 2） 在设计参数定义对话框中将 置为 后单击右侧的 按钮，系统提示选择一个尺寸。 （ 3） 选择悬臂厚度尺寸，如图 示。 选择此圆孔尺寸 18 图 （ 4） 系统返回设计参数定义对话框，在 填入 时设置该参数的变化范围，在 小值）中填入 大值）中填入 （ 5） 单击 钮完成参数 定义。 （ 6） 系统返回 话框，此时已经完成 3 个设计参数的定义。 （ 7） 选中其中一个设计参数，然后单击右侧的 钮，可以进行设计参数的修改工作。 （ 8） 单击 钮完成设计参数的定义。 步骤四：进行形状改变动画演示 上面建立了 3 个设计参数，这 3 个参数指代三个不同的尺寸参数。为了防止设计参数在变化过程中引起几何干涉，通常在参数建立后进行几何形状改变动画演示 ，意即动画演示根据参数改变引起模型几何的改变情况。 （ 1） 在 单中选择 （ 2） 在 单中选择 （ 3） 系统弹出 话框，勾选参数 受默认的参数范围，在填入 10，意即动画演示步骤为 10 步，如图 示。 图 （ 4） 单击 钮进行动画演示。 （ 5） 模型形状根据 3 个参数的变化进行改变，每改变一步， 在信息窗口内提示“ ”类似的信息，单击 续。 （ 6） 动画演示到最后一步，系统弹出如图 示的对话框，询问是否使模型恢复到最初的状态。 选择此尺寸 第 2 章 入门实例 19 图 （ 7） 单击 钮使模型恢复到最初的状态。 步骤五：建立灵敏度分析任务 我们要研究模型的应力分别随着三个参数的改变而发生的改变情况，必须针对每个设计参数建立一个灵敏度分析任务。 （ 1） 在 单中选择 统弹 出 话框。 （ 2） 在 话框中选择 ，系统弹出设计分析定义对话框。 （ 3） 在 填入分析名称 （ 4） 在 选择 （ 5） 在 选择前面所建立的基本应力分析任务 （ 6） 在 勾选 于我们要单独研究 数对模型应力的影响程度，所以每次都只选择一个参数 ），在 接受默认的 （ 7） 在 输入 10。 （ 8） 不要选择 （ 9） 设置的参数如图 示。 图 （ 10） 单击 钮完成 务的定义。 （ 11） 按照同样的方法建立另外两个灵敏度分析任务 图 图 示。 （ 12） 3 个分析任务建立后的 话框如图 示。 20 图 图 第 2 章 入门实例 21 步骤六：进行灵敏度分析计算 上面建立了 3 个灵敏度分析任务，接着要分别进行这 3 个任务的计算。 （ 1） 在图 对话框中选择 （ 2） 选择 者单击 图标），开始分析计算。 （ 3） 计算大约进行 10 分钟才能完成。 （ 4） 同样的方法进行 计算。 步骤七 ： 显示灵敏度分析计算结果 显示灵敏度分析计算结果就是显示模型的应力随着 3 个设计参数的变化情况。 （ 1） 在 单中选择 统弹出结果后处理主界面，如图 示。 （ 2） 从图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框。在 填入 填入 vs （ 3） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的分析 击 钮。 （ 4） 系统回到 话 框。 （ 5） 在 选择 选择 图 示。 图 （ 6） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 图 示。 图 22 （ 7） 单击 钮完成选择，系统返回到 果窗口定义对话框，如图 示。 图 （ 8） 确认 选项为 击下方的 按钮，选择设计变量，如图 示。 图 （ 9） 单击 受选 择，系统返回 果窗口定义对话框。 （ 10） 单击 钮完成结果窗口 定义 （ 11） 开始定义新的结果窗口 图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框。在 填入 vs （ 12） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的分 析 击 （ 13） 系统回到 话框。 （ 14） 在 选择 选择 图 示。 第 2 章 入门实例 23 图 （ 15） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 （ 16） 单击 钮完成选择，系统返回到 果窗口定义对话框，如图 示。 图 （ 17） 确认 选项为 击下方的 按钮 ，选择设计变量，如图 示。 图 18） 单击 钮接受选择，系统返回 果窗口定义对话框。 （ 19） 单击 钮完成结果窗口 定义。 （ 20） 开始定义新的结果窗口 图 选择主菜单 者直接单击上 24 方工具栏中的 图标），系统弹出 话框。在 填入 填入 vs （ 21） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的分析 击 （ 22） 系统回到 话框。 （ 23） 在 选择 选择 图 示。 图 （ 24） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 （ 25） 单击 钮完成选择，系统返回到 果窗口定义对话框， 如图 示。 图 （ 26） 确认 选项为 击下方的 按钮，选择设计变量，如图 示。 第 2 章 入门实例 25 图 27） 单击 受选择，系统返回 果窗口定义对话框。 （ 28） 单击 钮，完成结果窗口 定义。 （ 29） 同时显示上面已经建立起来的 3 个结果窗口。单击结果窗口上的 命令图标，在弹出的结果窗口选择对话框中选择 图 示。 图 （ 30） 单击 钮，显示出如图 示结果。 图 （ 31） 从图 ，可以看出图形的大致走向。下面单独显示每一个结果窗口，并将结果图形的显示方式相应修改，结果图形分别如图 图 示。从图中可以很清楚地看出，对于模型的应力来说， 数和 数影响较大，随着 增大，应力迅速下降，随着 力迅速增大；而应力受 数的影响较小。 26 图 图 第 2 章 入门实例 27 图 优化设计分析 里完成了对于模型零件的灵敏度分析，通过灵敏度分析，可知随着左侧圆孔直径的增大和悬臂厚度的减小，模型的应力会增大。那么如何保证模型的应力值不超过一定的额定值并且成本最小（所耗材料最少，亦即质量最轻），这就是一个优化问题。这一节里，将对模型进行优化分析。 优化目标：质量最小 优化约束：应力不超过 优化参数： 骤一： 建立优化任务 （ 1） 在 单中选择 系统 弹出 话框。 （ 2） 在 话框中选择 。 （ 3） 在 填入分析名称 （ 4） 在 选择 图 示。 28 图 （ 5） 在 接受默认的 接受默认的 （ 6） 勾选 n 击下方的 钮，系统提示选择测量值，选择 击 （ 7） 系统返回到 义对话框，并在 侧的文本框中出现了 关系符号中选择“ ”，在右侧填入数值 图 示。 图 （ 8） 在对话框底部的 域，勾选 3 个参数，输入必需的参数数值（如表 示），如图 示。 表 所需输入的参数数值 参数名称 最小值 初始值 最大值 9） 在 选择 1，在 选择 20，勾选 第 2 章 入门实例 29 图 （ 10） 单击 钮完成优化分析任务的定义。 步骤二：运行优化分析计算 （ 1） 在 话框中选择 如图 示。 （ 2） 选择 或者单击 图标 ）， 开始分析计算。 （ 3） 计算大约进行 90 分钟才能完成。 （ 4） 可以通过选择 （或者单击 图标），查看运算过程信息。 图 骤三：显示优化分析结果 1定义结果窗口 1） 在 单中选择 系统弹出结果后处理主界面。 （ 2） 从图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框。在 填入 填入 （ 3） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的优化分析 击 钮。 （ 4） 系统回到 话框。 30 （ 5） 在 选择 选择 选择 即以云图的形式显示 力，如图 示。 图 （ 6） 单击 钮完成 果窗口的定义。 2 定义结果窗口 1） 从图 选择主菜单 者直接单击上方工具栏中的 图标），系统弹出 话框 。 在 填入 在 填入 （ 2） 在 的 方单击 按钮，选择上面完成的优化分析 击 钮。 （ 3） 系统回到 话框。 （ 4） 在 选择 选择 选择 即以云图的形式显示位移变形结果。 （