Mechanica+Structure详细学习之概述.doc

Mechanica Structure本课程旨在向那些在有限元建模方面经验较少或没有经验的设计者和工程师介绍 MECHANICA Structure。我们将对广泛模型使用逐步命令，为学生介绍有限元分析 (FEA) 过程以及最常见的分析类型。 随着课程的进展，学生将面临在没有进一步指示的情况下重复先前步骤的挑战，从而增强他们的学习经验。除了特定的菜单拾取之外，由于还介绍了概念，因此我们提供了如何将它们应用于特定情况的说明。概述基于计算机的模拟允许您将项目视为虚拟物理原型。MECHANICA Structure 模块是 MECHANICA 的弹性变形体模拟程序。其它模拟产品可用于研究运动和动力学，但本课程仅学习使用“有限元分析”（或 FEA）来处理弹性变形体。您已经熟悉在 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中创建模型，从而允许您定义形状和配合。模拟通过让您考虑您的设计功能来完成设计过程。 本课程旨在为您讲授如何自信地使用 MECHANICA Structure 产品。您将学习确定所遇问题类型和如何进行必要分析的步骤，以及设计改进的步骤。您还将学习如何确定该模拟是否有效。在此过程中，您将了解新手所犯的一些常见错误以及如何避免这些错误。结束本课程后，您将会满怀信心地完成 FEA 的大多数基本分析类型和使用。在第一节课中，您将熟悉 MECHANICA 环境，包括学习如何定义并更改 CAD 模型的单位系统。您还将学习如何访问 MECHANICA 菜单，以及可能需要使用 MECHANICA“独立模式”的方式和原因。现在就学习 MECHANICA Structure 准备扩展您的知识和技能吧。这是一个令您感到快乐的课程，而且最重要的是，您将学习构建更出色的产品。 单位概念单位是基本的测量系统，用于描述您模型的物理属性。在 CAD 建模中，通常只考虑长度单位。然而，有时您需要确定零件的重量，因此您需输入材料的密度。Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 然后会根据密度和体积的乘积计算出重量。当引入分析数据（如力和应力）时，您必须更深入地了解单位。如果理解了量纲分析，它实际上是相当简单的。例如，如果您用面积除力，就会得到应力。如果使用单位，上述分析就是：用平方英寸除磅力，得到 lbs/in。如果以英尺为单位定义 CAD 尺寸，并且以磅力为单位施加力，则应力将输出为 lbs/ft。虽然数学计算方法相同，但由于单位不同，因此应力值将不同。应用谈及单位时，我们使用术语单位系统来描述长度、质量和时间的三个基本尺寸。Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 提供了 7 种不同的单位系统，如下图所示。图 1设置单位系统时的方法要一致。即，如果以英寸、英尺、米或毫米描述尺寸值，则要相应地设置长度系统。对于质量和力的单位，情况也如此。质量和力以及直接单位或导出单位之间的差异如果长度尺寸以英寸为单位，则将 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 的单位系统从 Pro/E 缺省改为 IPS 非常重要。否则，应力或位移的结果将需要除以或乘以一个因子 386.4。此问题就是由于质量和力的表示方法而引起的。这两个量的单位在两个单位系统中既相互关联，却又有所不同。这两个量中只有一个量可以通过直接单位来描述。另一个将以导出单位来描述。对于 Pro/E 缺省单位系统，质量以直接单位 lbm 表示，而力以导出单位 in-lbm/sec2 表示，如下图所示。图 2对于 IPS 单位系统，质量以导出单位 lbf-sec2/in 表示，而力以直接单位 lbf 表示，如下图所示。图 3MECHANICA 以质量单位 lbf-sec2/in 为基础。此假设允许您以 lbf（磅力）为单位输入作用力。如果您不转换为 IPS 单位系统，则（假设您以 lbf 为单位输入作用力）： 当您对模型只施加静态力时，位移将需要乘以 386.4 当您施加主体负荷（例如重力、离心速度）时，应力将需要除以 386.4 有时，您可能需要手动输入材料密度，因此利用为模型声明单位的知识即可实现此操作。例如，您可能熟悉值 0.283 lbm/in3 是钢的密度。但是，MECHANICA 需要该值为 0.0007324，因为它使用导出单位 lbf-sec2/in 表示质量（您只需将 0.283 除以 386.4 即可得到 MECHANICA 密度值）。定制单位如果您不想使用已提供的单位系统，则 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 允许创建您自己的定制单位系统。通过选取“单位管理器”(Units Manager) 对话框中的“新建”(New)，您可以混合并搭配所需的任何单位。图 4“单位制定义”(System of Units Definition) 对话框允许您指定质量或力，但不允许两者都指定。一个将是导出单位，而另一个就是直接单位或基本单位。更改单位系统最后，假定以某一单位系统为您提供模型，而您却想以其它单位系统对其进行分析。Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 会自动为您进行单位转换。图 5假设向您发送了一个使用以毫米为单位的尺寸创建的模型，但您想以 psi 为单位来显示分析应力结果。您需要将模型尺寸转换为 IPS，并选取单选按钮将尺寸值转换为英寸。然后继续应用 IPS 系统中的材料属性和以 lbs 为单位的负荷。有关单位的其它信息，请参阅为 MECHANICA 提供的在线帮助。有关如何可以访问此材料的信息，请阅读以下内容。 访问 MECHANICA 在线帮助通过选择上下文相关帮助工具 ，然后从菜单栏或工具栏中选取一个命令，您即可获取 MECHANICA 特定于命令的帮助。图 6显示特定于菜单的帮助后，您即可通过单击 Show Navigation 链接来访问顶层的 MECHANICA 帮助索引。 图 7进入 MECHANICA 应用程序后，您还可以通过 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0“帮助”(Help) 下拉菜单来访问顶层的 MECHANICA 帮助索引。图 8MECHANICA 帮助索引如下图所示。图 9演示开始之前，请单击此处以获取本课程的零件文件。请注意，对于整个课程，您只需执行此操作一次即可。目标在下面的演示中，您将打开一个使用以毫米为单位的尺寸创建的零件，并将它转换为 IPS 系统。然后，您将验证这些尺寸值是否已更改以反映转换。工作目录：structure1. 打开文件 conrod.prt。 如有必要，着色其显示 如有必要，关闭基准特征的显示 图 12. 显示一些模型尺寸。 选取如下图所示的模型 图 2 从鼠标右键弹出式菜单中选择“编辑”(Edit) 应显示如下所示的尺寸。注意尺寸值分别为 14、40 和 30。图 3 单击屏幕以清除这些尺寸 3. 将单位设置为 IPS。 从主菜单栏中选择“编辑”(Edit) 选择“设置”(Setup) 在“零件设置”(PART SETUP) 菜单中选择“单位”(Units) 请注意，红色箭头将指向“毫米牛顿秒 (mmNs)”(millimeter Newton Second (mmNs) 单位系统。 选择“英寸磅秒 (IPS)”(Inch Pound Second (IPS) 选择“设置”(Set) 按钮 保留对“转换尺寸”(Convert dimensions) 的缺省拾取 图 4 选择“确定”(OK) 按钮 选择“单位管理器”(Units Manager) 对话框中的“关闭”(Close) 按钮 编辑零件以查看尺寸 请注意，系统已将值分别转换为 0.55、1.57 和 1.18 英寸。图 54. 关闭零件并从内存中将其拭除。演示结束 Mechanica 环境概念MECHANICA 实际上是与 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 分开的程序。它由 Rasna（一家私营公司）开发，并于 1989 年首次发布。该程序被开发为具有它自己的用户界面，而且最初作为独立产品进行销售。PTC 于 1995 年收购该公司后，就开始长期不懈地努力以将 MECHANICA 集成到 Pro/ENGINEER 环境中。 将 CAD 系统与分析集成并不是一项小任务，因为除了用于生成表示 FEA 模型的点和小平面元素的阵列外，常规 FEA 中所用的基础方程均不使用几何。但是，Pro/ENGINEER 和 MECHANICA 的合并却完美无缺。这千真万确，其原因是 Pro/ENGINEER 为实体建模系统，而 MECHANICA 绝无仅有，因为它在 FEA 的基础方程中包含几何。由于 MECHANICA 扩展了基础分析方程以包括几何并允许使用弯曲元素，因此将其称为几何元分析 (GEA)。MECHANICA 为独立程序这一事实对用户而言几乎是显而易见的。但是，在原始 Rasna 界面的所有有用功能尚未引入到 Pro/ENGINEER 之前，MECHANICA 仍可以在其原始界面中使用。在 Wildfire 版本中，MECHANICA 仍可以在其原有界面中使用，这称为“独立模式”；也可以从 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 环境中使用它，这称为“集成模式”。在本节中，您将学习如何从 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中访问和使用 MECHANICA。应用Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中的“应用程序”(Applications) 菜单用于访问不同的模块，如钣金件和模具/铸造。根据所提供的功能，每个模块都为用户提供了要使用的新菜单和图标工具栏。请注意，在缺省情况下，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 以标准模式启动。“应用程序”(Applications) 菜单用于在单独模块和标准模式之间来回导航。要在 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 中访问 MECHANICA，您必须首先打开一个模型。可通过“应用程序”(Applications) 下拉菜单访问 MECHANICA，如下图所示。图 1对于某个指定模型，当您第一次进入 MECHANICA 时，系统将为您显示如下图所示的 Unit Info 对话框。请注意，只要该模型保持在进程中，即使您退出 Mechanica 然后再次进入，您也不会再看到此对话框。 图 2当您进入 MECHANICA 时即会显示此信息，因为它对于明确您将使用的单位系统非常重要，以便与输入的数据保持一致。当您继续输入材料属性和负荷数据时，程序并不会询问您将以什么单位输入数据。这就是在进入 MECHANICA 之前声明所需单位时要万分谨慎的原因。此对话框只是一个善意的提示。如果单位不是您预期要使用的单位，则可以取消此对话框，然后返回到 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 并设置单位。如果选中复选框 Dont display this message again if model units change，即使更改了模型的单位系统，在当前进程中您也不会再次看到此对话框。MECHANICA 模型类型浏览过 Unit Info 对话框后，您必须选择要在 MECHANICA 的哪个模式下工作。您可以从 Structure 和 Thermal 模式中进行选择。当您针对某个指定模型第一次进入 MECHANICA 时，系统会自动显示此对话框。对于本课程的大多数内容而言，我们将在 Structure 模式下工作。 图 3模拟菜单和图标已进入 MECHANICA Structure 应用程序后，主菜单栏中会显示一组新菜单。主窗口的右侧工具栏中显示菜单快捷方式的图标。许多图标可用于简化创建给定模拟图元所需的步骤。通过将光标置于图标上，您可以熟悉它们的功能。图 4模型树当您开发模拟模型时，一些项目（例如，负荷、约束、基准特征和梁属性）会添加到 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 模型树中，如下图所示。图 5MECHANICA 模式下创建的基准特征只存在于 MECHANICA 模式下的模型树和所显示的模型中。在返回到标准模式后，所有模拟特征（包括在 MECHANICA 模式下创建的基准特征）都将消失。您可以使用鼠标右键对 MECHANICA 模式下模型树中的模拟特征执行操作，如同对 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 标准模式下的模型树中的特征执行操作一样。模拟显示设置最后，您将在 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 的“视图”(View) 菜单下发现一个模拟模型的新显示设置选项。仅在您处于 MECHANICA 模式下时，才显示“模拟显示”(Simulation Display) 选项。您也可以使用顶部工具栏中的图标快捷方式 。图 6演示开始之前，请单击此处以获取本课程的零件文件。请注意，对于整个课程，您只需执行此操作一次即可。目标在下面的演示中，您将从 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 标准模式导航至 MECHANICA 集成模式并创建一个曲面约束，再使用模型树中的对象-操作方法修改该约束，然后通过拾取屏幕上的图标再次修改该约束。工作目录：structure1. 打开文件 lug.prt。图 12. 进入 MECHANICA 模式。 从主菜单中选择“应用程序”(Applications) 选择 Mechanica 图 2请注意，此模型的单位系统是 IPS，而不是 Pro/E 缺省单位。图 3 选择 Unit Info 对话框中的 Continue 按钮 图 4 从“模型类型”(Model Type) 对话框中选择“确定”(OK)，进入 MECHANICA Structure 3. 创建一个新曲面约束。 选择“插入”(Insert) 选择“位移约束”(Displacement Constraint) Constraint 对话框随即出现。图 5 选取模型的底部曲面，如下图所示 请注意，如果将光标移至模型上直至其预加亮，单击鼠标右键将浏览模型，并加亮光标路径内的任何图元。当相应的图元加亮后，用鼠标左键选取它。图 6 按鼠标中键以接受该曲面 从 Constraint 对话框中选择 OK 按钮 重画屏幕 请注意，一个新模拟特征已添加到模型树中，并且向模型视图添加了一个约束图标。图 7 4. 使用模型树修改新约束。 在模型树中展开 Loads/Constraints 以显示 Constraint1 图元 图 8 使用鼠标右键单击模型树中的 Constraint1 请注意，模型窗口中的 Constraint1 图标已变为红色，表明其处于已选取状态。 从弹出式菜单中选择“编辑定义”(Edit Definition) Constraint 定义对话框现在可用于进行修改，尽管您在本节中尚未这样操作过。 选择 Cancel 按钮以关闭 Constraint 对话框 在图形窗口中距模型较远处单击，以取消选取约束。 5. 通过在屏幕上选取来修改新约束。 将光标置于屏幕中的 Constraint1 图标上，但不要选取它 Constraint1 图标及其分布以青色加亮显示。图 9 选取 Constraint1 Constraint1 图标及其分布以红色加亮显示，表明其处于已选取状态。图 10 从鼠标右键弹出式菜单中选择“编辑定义”(Edit Definition) Constraint 对话框现在可用于进行修改。图 11 选择 Cancel 按钮以关闭 Constraint 对话框 6. 关闭零件并从内存中将其拭除。演示结束 独立模式概念尽管原始 Rasna 界面中的大多数有用功能均已引入到 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 的 MECHANICA 集成模式中，但仍有一些可能需要使用独立模式的原因，例如，由于几何质量不佳而排除网格化问题故障时。本课程旨在为您讲授如何将 MECHANICA 与 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 结合使用。但是，至少要对如何访问“独立模式”和为什么可能仍然需要使用该模式做简要论述，否则有关 MECHANICA 的基本课程将不够全面。在本节中，您将学习如何在使用和不使用 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 这两种情况下访问 MECHANICA“独立模式”。您还将学习访问“独立模式”仍然很重要的几个原因。但是，请注意，使用“独立模式”将不能完成演示。 需要许可证密钥要在“独立模式”下运行 MECHANICA，您必须先为此特定目的获取一个许可证密钥并安装该密钥。应用网格化问题访问“独立模式”的最重要原因是能够对“集成模式”下运行失败的模型进行故障排除。通常，这是由于在生成有限（几何）元过程中发生网格化问题所致。自动网格化在“集成模式”下对用户是完全透明的，因此如果出现问题并且运行失败，您很少会收到关于导致此问题的原因的信息。网格化在“独立模式”下是由用户驱动的步骤。如果在此过程中发生故障，系统会提示您任意数量的帮助消息，并且通常加亮问题区域以便您进行检查。只要您不更改自动网格设置，“独立模式”下的网格化就会采用与“集成模式”下完全相同的路径。在“独立模式”下查明问题区域后，您就可以返回到 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 并修复几何。其它独立模式功能在“独立模式”下还提供了其它次要功能，如混合元素网格化和使用拆分窗口。此外，对于那些熟悉旧界面的用户而言，“独立模式”还提供了一个非常快捷的方法来创建简单梁和壳类模型，并使用拉伸和旋转命令生成元素。它还允许导入 IGES、DXF 和 STEP 文件，甚至可用于导入 Pro/ENGINEER、UniGraphics 和 Catia 模型。图 1从 Pro/ENGINEER 外部访问 MECHANICA即使不熟悉“独立模式”，您也可以轻松地打开一个已在“集成模式”下完全准备好的模型，并在“独立模式”下运行它。新增的一个优点是：当您仅使用 MECHANICA 许可证时，可释放 Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 许可证以供其他人在网络上使用。通过“集成模式”运行某个分析后，如果它是一个零件，则在研究目录中有一个名为研究名称.mdb 的文件；如果它是一个组件，则在研究目录中有一个名为研究名称.mda 的文件。虽然这是一个从“集成模式”内部提交到 MECHANICA 引擎的文件，但它可以从“独立模式”内部打开并运行。由于该文件包含所有