CATIA V5 FEA教学.doc

CATIA V5 FEA教学弯棒实体单元的分析前沿本教学中，建立承受复合载荷的弯棒的实体有限元模型。由于不存在对称面，因此无法简化。最后，讨论设计方程中冯米泽斯应力（von Mises stress）的意义。1问题陈述如下图所示，弯棒一端固定，另一端承受2000 lb的载荷。钢棒的杨氏模量为30E+6psi，泊松比0.3。基本尺寸如图下载次数:62007-3-18 12:09尽管用梁单元能够有效地处理问题，我们建议用实体单元。在CATIA V5中有两种实体单元：线性的及抛物线的。它们都涉及四面体单元，如图) H5 I, I- E/ p7 R( L$ X三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa线性四面体单元计算快但不够精确。抛物线四面体单元需要较多的计算资源但结果较精确。抛物线单元的另一个重要特征是能较好地拟合曲面。总之，大型物体的分析需用实体单元。2机械设计模块中创建零件进入零件设计工作台,模型树上默认名称为Part.1，右键属性产品，该Part Number为wrench在XY平面上绘制半径为25.4mm（相当于1in）的圆退出草绘，在YZ平面绘制如图所示轨迹（分别对应1in、5in、8in），退出草绘。选择肋（rib）图标，结果如图，保存文档3进入分析模块Generative Structural Analysis- s5 W6 v- c M& 三维网技术论坛由于没有设置材料，会出现警告，在这里暂不指定材料，后面再设定，OK后选择静态分析。注意图中零件旁边代表大小和垂度的图标三网格“单元大小”不言而喻。较小的单元大小能产生较精确的结果，但花费较长的计算时间。“垂度”是CATIA独有的术语。在FEA中，零件的几何形状用单元体来近似表示。零件的真实表面与零件FEA近似表面的并不重合。“垂度”参数控制两者间的偏差。因此，较小的垂度产生较好的结果。用户不得不关注这些参数间的关系。+ T! r5 G n+ q用户可以更改屏幕上代表网格大小和垂度的物理大小。两种方法：1双击屏幕上代表网格大小和垂度的图标，2双击模型树上OCTREE Tetrahedron Mesh。网格大小改为7.62mm（0.3in），垂度为1.778mm（0.07in）为了看到产生的网格，在Node and Elements上右键选择Mesh Visualization。在代表网格大小和垂度的图标上右键Hide，可以隐藏它们。这是CATIA V5中隐藏任何实体的标准过程。三维网技术论坛+ R* o( |8 U/ S7 n U _# Z在继续进行设置前，讨论一下网格大小。就像前面说到，较小的网格能产生较精确的结果，当然，不能不加区分地处理。在高应力梯度区如应力集中的地方网格单元必须小。几何变化迅速如弯曲、圆角及键槽这些区域。为整个零件均匀划分网格大小是很差的策略。wwwSTEP1：指定材料属性在零件设计模块可以通过Material 来指定材料，在这里我们采用不同的方法。用Model Manager中的选择金属中的钢三模型树中出现了User Material.1，右键定义杨氏模量（会自动转化为2.068e+011N_m2）、泊松比剩余留空，因为弯棒的标准线性静态分析中不要求这些值。/ h9 ! E- M* S仅仅定义了材料属性并不表示网格单元采用了它。在模型树上双击3D Property.1， $ m6 G. _6 4 k5 v8 k8 H, j4 N7 i, |7 s+ 在Node and Elements上右键选择Mesh Visualization。Q9 T. h7 Z6 o8 Z6 三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江保存STEP2：添加约束三维,c CATIA的FEA模块是建立在几何学基础上的，这表示边界条件不能用在节点和单元上。边界条件只能用在零件层。一进入Generative Structural Analysis工作台，零件自动隐藏。因此，在用边界条件前，零件必须为未隐藏模式。为此，在模型树上，右键点击Links Manager.1选择Show。此时，网格和零件同时显示。如果不想网格显示，在Node and Elements上右键Hide。点击固定Clamp,选择棒的底面（注意:不是底面圆的边）STEP3：添加载荷选择分布力Distributed Force,选择圆棒的另一面，X负方向2000 lb的力（自动转换为8896.441N）STEP4：开始求解三点击计算，选择All三上图是计算资源评估。如果评估中列表为0，说明在前面的步骤中有问题存在，需要检查。如果所有的数字均为0，程序可以运行但不产生任何有用的结果。下图为计算和结果的存放位置，用户双击它可以修改。STEP5：后处理变形工具用来看变形，这变形后的图像可以非常假，因为扭转实际上在很大程度上偏移。位移可以采用适当比例以便用户来观测变形。尽管比例因子自动设定，用户也可以通过Amplification Magnitude 来改变119.073mm是实际最大位移的120倍。位移可以用来看位移场。默认显示的是位移箭头，颜色和箭头长短代表位移大小，等值线表明最大位移为0.992mm。为了看位移场的等值线图表，鼠标双击场中箭头，出现Image Edition对话框。选择AVERAGE-ISO。忽略弯曲的圆角半径，该问题的梁弯曲求解可以通过卡斯底葛吕恩诺定理获得。近似值是0.044 in，FEA求得的值是0.0391 in（0.992mm）。差距主要是由于大的弯曲半径引起的。冯米泽斯应力图 ，显示冯米泽斯应力图最大应力是1.35e008N_m2（1.96e+4psi），低于大多数钢的屈服强度。在等值线图例上双击，等值线可用光滑或分段绘制如果对承载区或支撑截面的冯米泽斯应力感兴趣，可以双击屏幕上的等值线，打开图像编辑对话框。等值线的极值的位置和大小（如冯米泽斯应力）可以通过图像极值显示出来 上面只是显示冯米泽斯应力的极值，实际可以显示位移极值和冯米泽斯应力极值，首先在模型树上选中位移，然后点击Image Extrema ，即可。另外，可同时显示位移和冯米泽斯应力图，首先两者都激活（在模型树上执行），然后点击Image Layout在模型树上选择要对齐的图像，用Ctrl键选择详细说明冯米泽斯应力图的意义。剖面分析可以在零件需要的位置进行切割以检查零件内部的应力。下面来后处理主应力。主方向是三个相互垂直的方向，沿着它仅有法向应力作用。这些法向应力被看作是主应力。下图显示的就是主应力的方向x1，x2和x3和主应力1，2，3。应力分析中约定123。这些主应力在理论上和实践上都是重要的。在应力分析实验中，应变片的定位取决于零件表面上的主应力方向。三点击主应力Principal Stress,显示主应力方向。可以改善主应力的显示，在屏幕上双击箭头，弹出Image EditionComponent中选择C11，在CATIA中C11代表1。此时矢量显示的仅是1的方向主应力另一个矢量图是1的等值线图。在Image Edition对话框中Visu栏选AVERAGE-ISO。用生成报告Generate Report 来生成HTML格式的报告。用动画Animate来获得模型动画，且生成avi格式文件。 下面是练习问题1：脚踏的分析脚踏的材料是钢，杨氏模量为30E6psi泊松比为0.3。脚踏承载沿着边的法向力100 lb（444.822N）。: T7 n- j* ! 5 三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa脚踏另一端固定。几何尺寸如图（单位均为in，自己换算为mm，1in25.4mm）尝试用两种不同的网格大小和垂度及线性和抛物线型单元来计算模型。记录最大位移和最大冯米泽斯应力。上表显示出有限元分析的一个非常重要的事实。做单次运行及接受表面值的结果是一个严重的错误。注意对于线性单元由于重新定义网格，在位移和冯米泽斯应力中存在显著的变化。用户不应该接受它们的值且必须重新进一步定义网格。重新定义应达到一点，这时与先前网格的区别用户认为不明显。这个过程涉及到网格收敛研究。应注意网格重新定义并不需要在整个零件上均匀。用户仅需在关键区域定义即可。很明显抛物线单元比线性单元精确。而且，尽管位移看起来很稳定，但冯米泽斯应力仍不可靠。大家都知道FEA中位移要比应力精确。原因是应力是通过微分位移得到的，这个过程放大了误差。问题2：扭矩下圆柱棒的分析圆柱棒一端固定。另一端承受一对方向相反的力1000 lb（4448.22N），两力相距1.5in。相当于1500 lb*in的力矩作用在圆柱上。材料是钢，杨氏模量为30E6psi泊松比为0.3。圆柱直径为1in。且受载端尺寸如上图所示。圆柱长度为5in，且矩形凸台长0.5in。受载端所有的尖角倒半径为0.1in。建模后线性实体单元网格大小为0.1，垂度0.025，如上图所示。比较圆周应力（圆周应力是最大主应力C11）与材料强度计算得到的理论值。材料强度计算是建立在=Tr/，这里T是力矩，r是圆柱半径J是惯性极距。rD/2，JD­­­­&