ProMECHANICA入门实例.doc

第2章 入门实例入门实例通过两个简单实体模型分析实例介绍使用Pro/MECHANICA进行分析任务（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Pro/MECHANICA进行分析的基本方法。本章主要内容包括：u Pro/MECHANICA分析任务分类u 入门实例2.1 Pro/MECHANICA分析任务分类在Pro/MECHANICA中，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Pro/MECHANICA中，每一个分析任务都可以看作一项设计研究。Pro/MECHANICA的设计研究种类可以分为以下3种类型。l 标准分析（Standard）：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。l 灵敏度分析（Sensitivity）：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。l 优化设计分析（Optimization）：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，Pro/MECHANICA Structure能够完成的任务可以分为两大类：l 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Pro/MECHANICA中，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。l 第二类可以称之为模型的设计优化，这是Pro/MECHANICA区别与其他有限元软件最显著的特征。在Pro/MECHANICA中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。2.2 入门实例2.2.1 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ch2。（2） 打开零件模型example1，如图2.1所示。图2.1 步骤二：设置模型单位（1） 打开Pro/ENGINEER主界面的Edit菜单，然后选择Setup选项。（2） 系统弹出Part Setup菜单管理器，如图2.2所示。 图2.32 （3） 在Part Setup菜单中单击Units选项，系统弹出Units Manager对话框，如图2.3所示。图2.3 （4） 我们要将模型的单位设置为毫米牛顿秒的形式，所以在Systems of Units中选择millimeter Newton Second(mmNs)，如图2.4所示。（5） 单击Units Manager对话框右侧的Set按钮进行单位设定。（6） 系统弹出警告对话框要求选择模型单位转化方式，选择Convert Existing Numbers（Same Size）不改变模型大小方式，如图2.4所示。图2.4 （7） 单击OK按钮完成单位转化。（8） 单击Close按钮完成单位系统设置。步骤三：进入Pro/MECHANICA模式（1） 打开Pro/ENGINEER主界面的Applications菜单，选择Mechanica，系统弹出模型单位系统信息对话框，如图2.5所示。图2.5 （2） 单击Continue按钮继续，系统进入Pro/MECHANICA模式，如图2.6所示。图2.6 （3） 为进入Pro/MECHANICA Structure模块，选择MECHANICA菜单管理器中的Structure选项，系统进入结构分析主界面。步骤四：设置模型材料（1） 选择MEC STRUCT菜单ModelMaterials，系统弹出材料定义对话框。（2） 在Materials对话框左侧的Materials in Library:列表框中选择SS，然后单击按钮，将SS添加至右侧的Materials in Model:列表框中，如图2.7所示。 图2.7 （3） 在图2.7对话框中单击Edit按钮，系统弹出材料属性修改对话框，如图2.8所示。从该对话框中可以看出SS这种材料的基本属性，单击OK按钮关闭该对话框。图2.8 （4） 在图2.7对话框中单击Assign|Part按钮， 系统提示选择一个Part模型。（5） 选择example1模型，然后单击OK按钮关闭选择对话框。（6） 系统返回Materials对话框，单击Materials对话框中的Close按钮。（7） 完成模型材料的定义。步骤五：定义约束我们要将example1的左端面固定，所以需要在左端面定义面约束。（1） 在MEC STRUCT菜单中选择ConstraintsNewSurface（也可以直接单击右侧工具栏上的命令图标），系统弹出Constraints定义对话框，如图2.9所示。图2.9 （2） 保留默认的约束名称Constraints1和默认的约束组名称ConstraintSet1。（3） 单击Reference|Surface(s)下侧的按钮，系统提示Select Surfaces:（选择面）。（4） 选择图2.10所示的左端面，单击OK关闭选择对话框。选择此面图2.10 （5） 系统回到Constraints对话框。（6） 保留默认坐标系设置。（7） 图2.9对话框的底部为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2.9所示默认的约束形式。（8） 单击OK按钮完成约束的定义。（9） 约束定义完成后的模型如图2.11所示。图2.11 步骤六：定义载荷要求在本模型的右侧圆孔表面施加4448.22N的向下的均布力。（1） 在MEC STRUCT菜单中选择LoadsNewSurface（也可以直接单击右侧工具栏的命令图标），系统弹出Force/Moment定义对话框，如图2.12所示。（2） 保留默认的载荷名称Load1和默认的载荷组名称LoadSet1。（3） 单击Reference|Surface(s)下侧的按钮，系统提示Select Surfaces:（选择面）。（4） 选择图2.13所示圆孔的圆柱面，单击OK按钮关闭选择对话框。（5） 保留默认坐标系设置。（6） 在Distribution下方的列表框中分别选择Total Load和Uniform，即载荷为以合力形式给出的均布载荷。（7） 在Force下方的列表框中选择Components，即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4448.22，如图2.14所示。选择此面 图2.12 图2.13 （9） 单击Preview按钮可以预览载荷的位置及状态。（10） 单击OK按钮关闭Loads对话框。（11） 完成载荷定义。载荷定义完毕后的模型效果如图2.15所示。 图2.14 图2.15 2.2.2 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MEC STRUCT菜单中选择Analyses/Studies，系统弹出Analyses and Design Studies对话框。（2） 在Analyses and Design Studies对话框中选择File|New Static，系统弹出Static Analysis Defination对话框。（3） 在Name中输入分析任务名称Struct。（4） 接受默认Constraints中的项目ConstraintSet1和Loads中的项目LoadSet1，意即所建立的静态分析包含约束组ConstraintSet1和载荷组LoadSet1。（5） 在Method中选择Single-Pass Adaptive。（6） 切换到Output，在Plot中将Plot Grid设置为6，如图2.16所示。图2.16（7） 单击OK完成静态分析任务的定义。（8） 系统回到Analyses and Design Studies对话框，此时Analyses and Studies中出现了前面建立的分析任务，名称为struct，类型为StandartStatic，如图2.17所示。图2.17 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2.17所示对话框的Run菜单下的Settings命令（或者直接单击命令图标），进行上述的设置，如图2.18所示。图2.18 （2） 选择Analyses and Design Studies对话框的Run|Start（或者单击图标），开始分析计算。（3） 系统首先问询是否进行错误检查，单击Yes进行错误检查。（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“The design study has started.”消息。（5） 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Close按钮关闭对话框。（6） 单击Analyses and Design Studies对话框中的Close按钮关闭对话框。步骤三：计算结果显示（1） 在MEC STRUCT菜单中选择Resulsts，系统弹出结果后处理主界面，如图2.19所示。图2.19 （2） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入init_stress，在Title中填入Von Mises Stress of Bracket，如图2.20所示。图2.20（3） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的分析Struct，单击Open按钮。（4） 系统回到Result Window Definition对话框，如图2.21所示。（5） 在Display type中选择Fringe，在Quantity中选择Stress，在Component中选择Von Mises，意即以云图的形式显示Von Mises应力。图2.21 （6） 在图2.21对话框下部区域切换至Display Option，勾选Continuous Tone，如图2.22所示。图2.22（7） 单击OK关闭对话框，完成结果窗口init_stess的定义。（8） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框，在Name中填入Init_disp，在Title中填入Displacement of Bracket， 如图2.23所示。图2.23 （9） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的分析Struct，单击Open按钮。（10） 系统回到Result Window Definition对话框。（11） 在Display type栏中选择Fringe，在Quantity中选择Displacement，在Component中选择Magnitude。（12） 将对话框下部区域切换至Display Option，如图2.24所示，勾选Continuous Tone和Deformed。图2.24 （13） 单击OK按钮关闭对话框，完成结果窗口Init_disp的定义。（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init_stess和Init_disp，如图2.25所示。图2.25 （15） 单击OK按钮，显示出如图2.26所示结果。图2.26 从图2.26可以看出，最大应力为132.6Mpa，最大变形为0.11354mm。V 提示：Pro/MECHANICA Wildfire比Pro/MECHANICA 2001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2.22和图2.24所示对话框中分别勾选Show Element Edges。（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init_stess和Init_disp。（18） 单击OK按钮，显示出如图2.27所示结果。图2.27 2.2.3 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2.28所示。此处圆角大小设为参数Round此处圆孔直径大小设为参数Hole_Dia此处厚度设为参数Thinckness图2.28 这3个参数分别为Round、Thinckness和Hole_Dia，分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Round（1） 在MEC STRUCT菜单中选择Model。（2） 在STRC MODEL菜单中选择Dsgn ControlDesign Params，系统弹出Design Parameters对话框，如图2.29所示。图2.29 （3） 单击Create按钮新建一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框，如图2.30所示。图2.30 （4） 在设计参数定义对话框中的Type设置为Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺寸。（5） 选择圆角半径尺寸，如图2.31所示。选择此圆角直径图2.31 （6） 系统返回设计参数定义对话框，在Name中填入Round，同时设置该参数的变化范围，在Minimum（最小值）中填入2.54，在Maximum（最大值）中填入12.7。（7） 单击Accept完成参数Round的定义，系统返回Design Parameters对话框，如图2.32所示。图2.32 步骤二：建立参数Hole_Dia（1） 单击Design Parameters对话框中的Create按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2.33所示。图2.33 （2） 在设计参数定义对话框中将Type设置为Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺寸。（3） 选择圆孔直径尺寸，如图2.34所示。选择此圆孔尺寸图2.34 （4） 系统返回设计参数定义对话框，在Name中填入Hole_Dia，现在设置该参数的变化范围，在Minimum（最小值）中填入3.175，在Maximum（最大值）中填入46.99。（5） 单击Accept按钮完成参数Hole_Dia的定义，系统返回Design Parameters对话框。步骤三：建立参数Thinckness（1） 单击Design Parameters对话框中的Create按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Type设置为Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺寸。（3） 选择悬臂厚度尺寸，如图2.35所示。选择此尺寸图2.35 （4） 系统返回设计参数定义对话框，在Name中填入Thinckness，同时设置该参数的变化范围，在Minimum（最小值）中填入5.08，在Maximum（最大值）中填入19.05。（5） 单击Accept按钮完成参数Thinckness的定义。（6） 系统返回Design Parameters对话框，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Review按钮，可以进行设计参数的修改工作。（8） 单击Done按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MEC STRUCT菜单中选择Model。（2） 在STRC MODEL菜单中选择Dsgn ControlShape Animation。（3） 系统弹出Shape Animation对话框，勾选参数Round、Thinckness、Hole_Dia，接受默认的参数范围，在Number of Intervals中填入10，意即动画演示步骤为10步，如图2.36所示。图2.36 （4） 单击Animate按钮进行动画演示。（5） 模型形状根据3个参数的变化进行改变，每改变一步，Pro/MECHANIC会在信息窗口内提示“Continue to Step 5”类似的信息，单击Yes继续。（6） 动画演示到最后一步，系统弹出如图2.37所示的对话框，询问是否使模型恢复到最初的状态。图2.37 （7） 单击Yes按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MEC STRUCT菜单中选择Analyses/Studies，系统弹出Analyses and Design Studies对话框。（2） 在Analyses and Design Studies对话框中选择File|New Design Study，系统弹出设计分析定义对话框。（3） 在Study Name中填入分析名称sens_round。（4） 在Type中选择Global Sensitivity。（5） 在Analyses中选择前面所建立的基本应力分析任务Struct。（6） 在Parameters中勾选Round（由于我们要单独研究Round参数对模型应力的影响程度，所以每次都只选择一个参数），在Start和End中接受默认的Minimum和Maximum。（7） 在Number of Intervals中输入10。（8） 不要选择Repeat P-Loop Convergence。（9） 设置的参数如图2.38所示。图2.38 （10） 单击Accept按钮完成sens_round任务的定义。（11） 按照同样的方法建立另外两个灵敏度分析任务sens_holedia和sens_thinckness，如图2.39和图2.40所示。（12） 3个分析任务建立后的Analysis and Design Studies对话框如图2.41所示。图2.39图2.40 图2.41 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2.41的对话框中选择sens_round。（2） 选择Run|Start（或者单击图标），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sens_holedia和sens_thinckness的计算。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MEC STRUCT菜单中选择Resulsts，系统弹出结果后处理主界面，如图2.27所示。（2） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入sens_round，在Title中填入round vs stress。（3） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的分析sens_round，单击Open按钮。（4） 系统回到Result Window Definition对话框。（5） 在Display type中选择Graph，在Quality中选择Measure，如图2.42所示。图2.42 （6） 单击下方的命令图标，选择要显示的结果，选择max_stresss_vm，如图2.43所示。图2.43 （7） 单击Accept按钮完成选择，系统返回到sens_round结果窗口定义对话框，如图2.44所示。图2.44 （8） 确认Graph Location的选项为Design Var，单击下方的按钮，选择设计变量，如图2.45所示。图2.45 （9） 单击Accept接受选择，系统返回sens_round结果窗口定义对话框。（10） 单击OK按钮完成结果窗口sens_round的定义（11） 开始定义新的结果窗口sens_holedia。从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入sens_ holedia，在Title中填入holedia vs stress。（12） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的分析sens_holedia，单击Open按钮。（13） 系统回到Result Window Definition对话框。（14） 在Display type中选择Graph，在Quality中选择Measure，如图2.46所示。图2.46 （15） 单击下方的命令图标，选择要显示的结果，选择max_stresss_vm。（16） 单击Accept按钮完成选择，系统返回到sens_holedia结果窗口定义对话框，如图2.47所示。图2.47 （17） 确认Graph Location的选项为Design Var，单击下方的按钮，选择设计变量，如图2.48所示。图2.48（18） 单击Accept按钮接受选择，系统返回sens_holedia结果窗口定义对话框。（19） 单击OK按钮完成结果窗口sens_holedia的定义。（20） 开始定义新的结果窗口sens_thinckness：从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入sens_thinckness，在Title中填入thinckness vs stress。（21） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的分析sens_thinckness，单击Open按钮。（22） 系统回到Result Window Definition对话框。（23） 在Display type中选择Graph，在Quality中选择Measure，如图2.49所示。图2.49 （24） 单击下方的命令图标，选择要显示的结果，选择max_stresss_vm。（25） 单击Accept按钮完成选择，系统返回到sens_thinckness结果窗口定义对话框，如图2.50所示。图2.50 （26） 确认Graph Location的选项为Design Var，单击下方的按钮，选择设计变量，如图2.51所示。图2.51（27） 单击Accept接受选择，系统返回sens_thinckness结果窗口定义对话框。（28） 单击OK按钮，完成结果窗口sens_thinckness的定义。（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sens_round、sens_holedia和sens_thinckness，如图2.52所示。图2.52 （30） 单击OK按钮，显示出如图2.53所示结果。图2.53 （31） 从图2.53中，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2.54、图2.55和图2.56所示。从图中可以很清楚地看出，对于模型的应力来说，Hole_Dia参数和Thinckness参数影响较大，随着Thinckness的增大，应力迅速下降，随着Hole_Dia的增大，应力迅速增大；而应力受Round参数的影响较小。图2.54 图2.55 图2.56 2.2.4 优化设计分析2.2.3节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。l 优化目标：质量最小l 优化约束：应力不超过124.1Mpal 优化参数：Hole_Dia、Thinckness、Round步骤一：建立优化任务（1） 在MEC STRUCT菜单中选择Analyses/Studies，系统弹出Analyses and Design Studies对话框。（2） 在Analyses and Design Studies对话框中选择File|New Design Study。（3） 在Study Name中填入分析名称study1。（4） 在Type中选择Optimization，如图2.57所示。图2.57 （5） 在Goal中接受默认的Minimize；在Measure中接受默认的total_mass。（6） 勾选Limit On Measure，单击下方的Create按钮，系统提示选择测量值，选择max_stress_vm。单击Accept按钮接受选择。（7） 系统返回到Design Study定义对话框，并在Measure右侧的文本框中出现了max_stress_vm，在关系符号中选择“”，在右侧填入数值124.1，如图2.58所示。图2.58 （8） 在对话框底部的Parameters区域，勾选3个参数，输入必需的参数数值（如表2.1所示），如图2.59所示。表2.1 所需输入的参数数值参数名称最小值初始值最大值Round2.542.5412.7Thickness5.085.0819.05Hole_Dia3.17546.9946.99（9） 在Optim Convergence中选择1，在Max Iterations中选择20，勾选Repeat P-Loop Convergence。图2.59 （10） 单击Accept按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Analyses and Design Studies对话框中选择study1，如图2.60所示。（2） 选择Run|Start（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Info|Status（或者单击图标），查看运算过程信息。图2.60步骤三：显示优化分析结果1定义结果窗口Optimization_Stress（1） 在MEC STRUCT菜单中选择Resulsts，系统弹出结果后处理主界面。（2） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入Optimization_Stress，在Title中填入Optimization Stress。（3） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的优化分析study1，单击Open按钮。（4） 系统回到Result Window Definition对话框。（5） 在Display type中选择Fringe，在Quantity中选择Stress，在Component中选择von Mises，意即以云图的形式显示von Mises应力，如图2.61所示。图2.61 （6） 单击OK按钮完成Optimization_Stress结果窗口的定义。2定义结果窗口Optimization_Displacement（1） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入Optimization_Displacement，在Title中填入Optimization Displacement。（2） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的优化分析study1，单击Open按钮。（3） 系统回到Result Window Definition对话框。（4） 在Display type中选择Fringe，在Quantity中选择Displacement，在Component中选择Magnitude，意即以云图的形式显示位移变形结果。（5） 单击OK按钮完成Optimization_Displacement结果窗口的定义。3、定义结果窗口Optimization_History（1） 从图2.19中选择主菜单Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标），系统弹出Result Window Definition对话框。在Name中填入Optimization_History，在Title中填入Optimization Mass History。（2） 在Study Selection中的Design Study下方单击按钮，选择上面完成的优化分析study1，单击Open按钮。（3） 在Display type中选择Graph，在Quality中选择Measure。（4） 单击下方的命令图标，选择要显示的结果，选择total_mass，单击Accept按钮接受选择。（5） 系统返回到