ProE有限元分析浅析.doc

Pro/ENGINEER分析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/MECHANICA STRUCTURE：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/MECHANICA THERMAL：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 ) ProIMECHANICA MOTIQN：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Auto GEM(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/MECHANICA STRUCTURE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”“Mechanica”,弹出下图所示窗口，启用Mechanica structure。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3.定义载荷1）加载集中力或力矩，点击，出现n Name 基本载荷工况名称n Number of Set 载荷集名称n Reference 施加载荷时的参照，可以是surfaces、edges/curves、pointsn Properties 选择坐标系，默认为全局坐标系n Advanced 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。2）加载分布力，点击，出现n Name 基本载荷工况名称n Number of Set 载荷集名称n Reference 施加载荷时的参照，只能选择surfacen 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.fnf格式的文件加载3）加载重力载荷，点击，出现下图对话框，n Name 重力载荷名称n Number of Set 载荷集名称n Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系n 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，出现下图所示对话框，n Name 约束名称n Number of Set 约束集名称n Reference 施加约束时的参照，可以是surfaces、edges/curves、points等n Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系n Translation 平动约束n Rotation 旋转约束2）：对称约束点击，出现下图所示对话框，n Name 约束名称n Number of Set 约束集名称n Type 约束类型有镜像和循环对称两种类型4.定义idealizations1）：壳单元点击，弹出下图所示窗口，n Name 壳单元名称n Type 简单和高级两种类型，高级中可以定义材料方向n Reference 定义壳单元时的参照2）：梁点击，弹出下图所示窗口n Name梁单元名称n Type默认为梁单元n Reference定义壳单元时的参照n Materials梁单元的材料n Properties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n Name连接形式名称n Type连接类型有固结、自由、接触n Reference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）：刚性区域点击，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，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，预先生成网格，通过“自动几何”“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，弹出下图所示窗口，6. 简单算例6.1接触算例1.设置工作目录为盘符：tempexample1。2.打开零件模型example1.asm，如下图所示图6.13.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。 图6.2 图6.3图6.44.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unit info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。图6.5图6.65.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6.10Material Assignment窗口，将example1.asm选中，即分配完材料。 图6.7 图6.8 图6.9 图6.106.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。图6.11图6.127.定义连接关系点击右侧快捷菜单，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6.138.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Rigid Link Definition窗口，选择轴端面及PNT0定义为刚性区域。图6.149.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Gravity Load窗口，参照全局坐标系，定义Z向9800。 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/Moment Load窗口，参照全局坐标系，定义载荷方向及大小。 图6.17 图6.18（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6.20Analyses and Design Studies窗口。点击“File”下的“New Static”，弹出图6.21Static Analysis Definition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。 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”“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，（或者直接单击命令图标），进行上述的设置，如图6.23所示。图6.2312.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“The design study has started.”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（Run Completed）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中的图标，弹出图6.24所示窗口，“Display Type”“Fringe”即以云图形式显示结果，“Quantity”“Displacement”查看变形，在“Display Options”中勾选“Deformed”，点击“OK and Show”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”“Stress”查看应力结果，默认为Von Mises应力，如图6.26所示。图6.266.2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6.272.设置Pro/E的工作路径为盘符:tmepexample2，打开beam.asm，如图6.28所示。图6.283.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