CATIA有限元分析计算实例

CATIA有限元分析计算实例

IL1例题1受扭矩作用的圆筒

H.1-1划分四面体网格的计算

(1)进入【零部件设计】工作台

启动CATIA软件。单击【开始】-＞【机械设计】一【零部件设计】选项，如

图11—1所示，进入【零部件设计】工作台。

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图11—1单击【开始】f【机械设计】f【零部件设计】选项

单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。在对话框内输入新的

零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Parti］。点击对话框内的【确

定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。

(2)进入【草图绘制器】工作台

在左边的模型树中单击选中【xy平面】，如图11-3所示。单击【草图编辑

器】工具栏内的【草图】按钮四，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】

工作台。

新蔻零部件区I

输入竽部件名酢皿L

口信用温合改计

口包塘几何用募集；pPartl

□-=xy平面

一=yz平面

□不要在信动肝显示U用皆植

图11—2【新建零部件】对话框

图11—3单击选中【xy平面】

(3)绘制两个同心圆草图

点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮包,，如图11-5所示。在原点点击一

点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。用同样分方法再绘制

一个同心圆，如图11-6所示。

口里20/7二|

wl\I\

图11-4【草图编辑器】工具栏

图11-5【轮廓】工具栏

下面标注圆的尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮国，如图11-7所示。

点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所

7Ko

图11—6两个同心圆草图

图11一7【约束】工具栏

双击一个尺寸线，弹出【约束定义】对话框，如图11-9所示。在【直径】数值栏内

输入100mm,点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为100mm。

用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的圆如图11-10所示。

图11一9【约束定义】对话框

(4)离开【草图绘制器】工作台

点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮且，如图11-11所示。退出【草图

绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。

•E俎出•表台1

图11—10修改直径尺寸后的圆

图n—11【工作台】工具栏

(5)拉伸创建圆筒

点击【基于草图的特征】工具栏内的【凸台】按钮迎，如图11T2所示。

弹出【凸台定义】对话框，如图11T3所示。在【第一限制】选项组内的【长度】

数值栏内输入50mm,点击对话框内的【确定】按钮，生成一个圆筒体，如图11T4

所示。在左边的模型树上出现【填充器.1】元素。

图11-12【基于草图的特征】工具栏

图11—13【凸台定义】对话框

（6）对零件赋予材料属性

在左边的模型树中点击选中零件名称［Parti］,如图11-15所示。点击【应

用材料】工具栏内的【应用材料】按钮舒.，如图11-16所示。先弹出一个【打

开】警告消息框，如图UT6所示，这是因为使用简化汉字界面，但没有相应的

简化汉字材料库造成的，点击警告消息框内的【确定】按钮，关闭消息框。弹出

【库（只读）】对话框，如图UT8所示。点击【Metal］（金属）选项卡，在

列表中选择【Steel】（钢）材料。点击对话框内的【确定】按钮，将钢材料赋

予零件。

oxy平面

oya平面

ozx平面

，汐斗部件几何体

fLrR填充器.！

匚的电图.1

图11—14拉伸创建的一个圆筒体

图11-15选中的零件名称【Parti】

打开画

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位干目录】

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图H-16【应用材料】工具栏图11-17【打开】警告消息框

图11—18【库（只读）】对话框

如果对软件内钢铁材料的属性不了解，可以查看定义的材料属性，也可以

修改材料属性参数。在左边的模型树上双击材料名称【Steel】，如图11-19所

示。弹出【属性】对话框，如图1120所示。

属性

(PartI

-oxy平面

-Oyz平面

-Ozx平面

”•参数

।L,零部件几何体

人用填充器，1

Ri草图.i

Li

图11-19材料名称【Steel】图11-20【属性】对话框

（7）进入【AdvancedMeshingTools］（高级网格划分工具）工作台

点击菜单中的【开始】f【分析与模拟】f［AdvancedMeshingTools］信

级网格划分工具）选项，如图1『21所示。点击后进入了【高级网格划分工具】

工作台。进入工作台后，生成一个新的分析文件，并且弹出一个【新分析算题】

对话框，如图11-22所示。点击后，在对话框内选择【StaticAnalysis】（静

态分析算题），然后点击【确定】按钮。

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图11—21【开始】一【分析与模拟】一【AdvancedMeshingTools］（高

级网格划分工具）选项

点击［MeshingMethod］（网格划分方法）工具栏内的【OctreeTetrahedron

MesherKOctree四面体网格划分）按钮&，如图11—23所示。需要在【Meshing

Method］（网格划分方法）工具栏内点击中间按钮的下拉箭头才能够显示出

［OctreeTetrahedronMesher］（Octree四面体网格划分）按钮。

OctreeTetrahedronMesher|

图11—22【新分析算题】对话框图11—23[MeshingMethod](网

格划分方法）工具栏

在图形区左键点击选择圆筒三维实体模型，如图11-24所示。选择实体后

弹出【OCTREETetrahedronMesher】（Octree四面体网格划分器）对话框，如

图11-25所示。

点击［Global］（全局）选项卡，在［Size］（尺寸）栏内输入5mm作为网

格的尺寸；点击选中【Absolutesag］（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入

0.5mm;在［Elementtype］（单元类型）选项区内选中【Paraboic】二次单元。

点击对话框内的【确定】按钮，完成设置，关闭对话框。

图11—24选择圆筒三维实体模型

图11-25［OCTREETetrahedronMesher］（Octree四面体网格划分器）

对话框

在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，如图11-26

所示。在弹出的右键快捷菜单中选择【UpdateMesh］（更新网格）选项，如图

11-27所示。程序开始划分网格，划分后的四面体网格如图11-28所示。

♦AFlnKeElementModel.I

esandEleiients

»Tetr^edronM然h.£：

-S?Properties.1

，j-JkSTaticCase

图11—26右击【OCTREETetrahedronMesher.1］元素

图H—27选择【UpdateMesh］（更新网格）选项

（8）进入【GenerativeStructuralAnalysis］（创成式结构分析）工作台

点击主菜单中的【开始（S）］f［分析与模拟】f［GenerativeStructural

Analysis］（创成式结构分析）选项，如图1『29所示，进入【创成式结构分析】

工作台。

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图11—28划分后的四面体网格

图11—29点击【开始（S）］f［分析与模拟】-*［GenerativeStructural

Analysis］（创成式结构分析）选项

（9）指定3D属性

点击［ModelManager］（模型管理器）工具栏内的13DProperty］（三

维属性）按钮多，如图11—30所示。点击后弹出［3DProperty］（三维属性）

对话框，如图11-31所示。在左边的模型树上点击选择【OCTREETetrahedron

Mesher.l］元素，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，将3D属性指定

到三维零件上。

[3DProperty]

图11-30［ModelManager］（模型管理器）工具栏

图11-31［3DProperty］（三维属性）对话框

（10）设置固支边界条件

点击【Restraints】（约束）工具栏内的【Clamp】（固支）按钮射，如图

11—32所示。在图形区选择圆筒体的一个底面，如图11—33月示。弹出【Clamp】

（固支）对话框，如图11-34所示。点击对话框内的【确定】按钮，对圆筒体的

一个底面增加了固支约束。

图11一32［Restraints］（约束）工具栏

图11-33

图11—34［Clamp］（固支）对话框

（11）对圆筒施加扭矩

点击【Loads】（载荷）工具栏内的［Moment］（扭矩）按钮三，如图11

—35月示弹出【Moment］（扭矩）对话框，如图11—36所*在［MomentVector】

（扭矩分量）选项区内的【Z】数值栏内输入lOONxm,即设置扭矩z方向的分量

为lOONxm。在图形区点击选择圆筒的内表面，如图11-37所示，即设置内表面

上的扭矩为lOONxm。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框。

图11-35［Loads］（载荷）工具栏

图11-36［Moment1（扭矩）对话框

同理，用同样的方法设置圆筒的外表面，对外部施加相反方向的扭矩，即要

把z方向的扭矩设置为一lOONxm。设置完成后，显示的模型如图11—38所示。

图11-37

图11—38添加两个扭矩和固支约束后的模型

12）计算模型

点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute］（计算）按钮圜如图

11—39所示。弹出［Compute］（计算）对话框，如图1140。点击勾选（Preview］

（预览）选项，点击对话框内的【确定】按钮，开始计算分析。点击后会弹出两

个对话框，一个是【Computing］（正在计算）进程显示框，如图11—41所示,

显示计算进程；另外一个是【Computation】（计算）框，显示当前的计算步骤

和已经使用的计算时间，如图11-42所示。

图11-39［Compute1（计算）工具栏

图11-40［Compute1（计算）对话框

cwuHnttee0:00:0g

0p”3Uor>KscIE】3"edTxael

■erhxnjexec...OsCOsO?

tucturo8…0:00:02

四30四疝!0［］。@0©（1

图11—41［Computing］（正在计算）进程显示框

图11—42[Computation]（计算）框

当计算进程把网格划分完毕，并计算完成刚度矩阵后，会弹出一个

［ComputationResourceEstimation］（计算资源估计）对话框，如图11—43

所示，显示需要的CPU时间、需要的内存、需要的硬盘储存量，并且询问用户是

否继续计算，如果点击［No］（否）按钮，则退出计算，如果点击【Yes】（是）

按钮，则计算继续。如果用户在图11—40［Compute］（计算）对话框内未选中

[Preview]（预览）选项，则不会弹出【ComputationResourceEstimation]

（计算资源估计）对话框，直接运行计算。对于比较复杂的结构，计算时间比较

长时,建议用户选中该选项，这样可以大致了解算题所需要的时间和计算机资源,

用户自己也估算，计算机配置是否能够满足要求。点击对话框内【Yes】（是）

按钮，继续计算。程序重新弹出【Computing】（正在计算）进程对话框，此时,

如果用户想终止计算，仍然可以点击该对话框内的【取消】按钮，取消计算过程。

ComputationResourcesEstim...匕］回区|

［322gofCPU

SlfrHMMkilo-Vytegof*g»ory

［t.4e4OO$Jcilor-byte#ofdisk

youtocentinueth*coaputation?

（TO—明由邮。备印

图11—43［ComputationResourceEstimation］（计算资源估计）对话框

（10）显示模型计算结果

在左边的模型树中鼠标右击【StaticCaseSolution.1］,如图11—44所

示。在出现的菜单中选择［GenerateImage］（生成图像）选项，如图11-45。

选择后弹出［ImageGeneration］（图像生成）对话框，如图11-46所示。在

对话框内选择【Stressfulltensorcomponent］（应力张量的分量）选项，选

择后，出现应力张量图像，如图11-47所示。

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川国性Alt*Enter

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e-AstaticCase

*3txeCatoSolut)«n.I

1Restraints.1

i尸第Loads.1£Report

-<：>StaticCaseSolution.1-啮SaluRionExtenulStoraceCleanmp

•Sensors]r向

StaticC&seSolution.I窗Sb9v/Htd。Cos9utedDala

图11—44右击【StaticCaseSolution.1]

图11-45选择[GenerateImage]（生成图像）选项

ImageGeneration

AvailableI»a<es

TaixeNi»e,IFhyrica..,I

P4lntai4$3/*bolPointaa£2

PoxMaust<xtaxes

Strainfullt<n»«rc«*pw»rnt(nodsl...Stran

Strainptincipaltenrorronyoncn?(n...Strain

Strainpnrw»palterrorrjubolStrain

fullt.figrcwyw>E，(olen.ru..Stro”

RTTmfullt»m©rccaponen?(nodU...Str。”

Stc«srfulltenrortextStrersI,

Stresspxincipk)terrorroxponent(e...Stress

Stc«5xptir<c»paltenrorcy»bolStre”

Suxfic«rtr«rxprwcipaltenxorsymbolStress

■...

lBa1«MJW;p

PhysWtypetpin-a

Occwrrenjeesi

□PoacUvateexisting叼即限P黜鹤坪

图11—46[GenerateImage]（生成图像）选项

图H-47应力张量图

应力张量图中，含有网格、边界条件，同时未显示为彩色，下面对图像进行

修改。

在图像区或者模型树上点击选中固支约束和扭矩载荷名称或者符号，然后在

【视图（V）】工具栏内点击【隐藏/显示】按扭圉，如图11—48所示。将固

支边界条件、扭矩载荷条件隐藏起来。

将图例移动到图形旁边。在图例上点击左键，然后在图例上按下中间键不松

开，即可移动图例。移动到合适位置后，再点击左键。图形区重新处于激活状态。

在【视图（v）】工具栏内点击【带材料着色】按扭圈，如图11—49所示,

显示材料。最终修改后显示的应力张量图如图11—50所示。

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图11—48【视图（v）］工具栏内

图H-49【视图（v）］工具栏内点击【带材料着色】按扭

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图11—50修改后显示的应力张量图

下面将圆筒剖开，查看其内部应力分布情况。点击【AnalysisTools】（分

析工具）工具栏内的［CutPlaneAnalysis］（剖切平面分析）按钮感I,如图

11—51所示。弹出［CutPlaneAnalysis］（剖切平面分析）对话框，如图11

-52所示，不选中对话框内的【Showcuttingplane］（显示剖切面）选项，

在图形区不显示出剖切面。同时在图形区显示罗盘，用户可以操作罗盘，对应力

分布图进行不同方向的剖切，如图11—53所示。

c*e?iu

Cut

图11-51[AnalysisTools]（分析工具）工具栏

图11—52［CutPlaneAnalysis］（剖切平面分析）对话框

图11—53剖切的应力分布图

（13）修改网格的参数

从图中可以看出，圆筒内部的应力较高。为了使计算结果更加准确，对圆筒

内壁的有限元网格进行细化处理。在左边的模型树上双击【OCTREETetrahedron

Mesher.1］元素，如图11-54所示。双击后弹出【OCTREETetrahedronMesh］

对话框，如图H-55所示。点击［Local］（局部）选项卡,在［Availablespecs］

（可用的特定参数）区内，点击选择ILocalsize］（局部尺寸）选项，然后点

击【Add］（添加）按钮，弹出［LocalMeshSize］（局部网格尺寸）对话框，

如图11—56所示。在［Value］（数值）栏内输入2mm,在图形区选择圆筒的内

表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到【OCTREE

TetrahedronMesh］对话框。

teElementModel.1

『知NodesandElements

L；OCTREETetr&edronMesh.1:Pirtil

Properties.I

OCTEEETetrahedxonKesh.I:P*it1

1^Materials.1

^Restraints.1

笊Loads.1

图11-54双击的【OCTREETetrahedronMesher.1］元素

图11-55［OCTREETetrahedronMesh］对话框

图11-56［LocalMeshSize］（局部网格尺寸）对话框

在【OCTREETetrahedronMesh】对话框内，在［Availablespecs］（可用

的特定参数）区内，点击选择［Localsag］（局部垂度）选项，如图11—57

所示。然后点击【Add］（添加）按钮，弹出［LocalMeshSag］（局部网格垂

度）对话框，如图11-58所示。在【Value】（数值）栏内输入2mm,在图形区

选择圆筒的内表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到

［OCTREETetrahedronMesh］对话框。

图11—57选择［Localsag］（局部垂度）选项

图11一58［LocalMeshSag］（局部网格垂度）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1］元素，在弹出的

右键快捷菜单中选择【UpdateMesh］（更新网格）选项。程序开始划分网格，

重新划分后的四面体网格如图11-59所示，可以看到，圆筒内壁的网格明显比其

它部分细化。

I©deffl

图11—59重新划分后的四面体网格

点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute］（计算）按钮触。弹出

［Compute］（计算）对话框，开始进行计算。重新计算的应力张量结果如图11

—60所示。应力值有所提高。

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图11—60重新计算的应力张量结果

H.1-2划分结构化六面体网格计算分析

（1）进入【线框和曲面设计】工作台

启动CATIA软件。单击【开始】一【机械设计】一【线框和曲面设计】选项,

如图11—61所示，进入【线框和曲面设计】工作台。

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