CATIA有限元分析计算实例

CATIA有限元分析计算实例

（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11T5所示。点击【应用材料】工具栏内的【应

用材料】按钮.温：，如图1176所示。先弹出一个【打开】警告消息框，如图11T6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11T8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。

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享部件几何体

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图11—14拉伸创建的一个圆筒体

图11-15选中的零件名称【Parti】

应.

图11—16【应用材料】工具栏图11—17【打开】警告消息框

库（只读）

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11T9所示。弹出【属性】对话框，如图11-20所示。

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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】-*【分析与模拟】-*［AdvancedMeshingTools］（高级网格划分工具）选项，

如图11-21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】f［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［OctreeTetrahedronMesher］（Octree四面体

网格划分）按钮金,如图11—23所示。需要在［MeshingMethod］（网格划分方法）工具栏内点击中间按钮

的下拉筋头才能够显示出【OctreeTetrahedronMesher］（Octree四面体网格划分）按钮造。

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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【OCTREETetrahedron

Mesher］（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5nlm作为网格的尺寸；点击选中【Absolute

sag］（绝对■垂度）选项，在该数值栏内输入；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【OCTREETetrahedron］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。

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图11—26右击【OCTREETetrahedron］元素

图11—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】-*［GenerativeStructuralAnalysis］（创成式结

构分析）选项，如图11-29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）］一【分析与模拟［f［GenerativeStructuralAnalysis］（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【3DProperty］（三维属性）按钮⑦，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］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。

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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）按钮去,如图11—32所示。在图形区选择

圆筒体的•个底面，如图11—33所示。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11-32（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）按钮国如图11—35所示。弹出【Moment］（扭

矩）对话框，如图11—36所示。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,

9便

[1H嗅nt]

图11-35（Loads］（载荷）工具栏

图11-36［Moment］（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

lOONxmo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）按钮图，如图11—39所示。弹出【Compute】

（计算）对话框，如图11-40。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己经使用的计算时间，如图

11—42所示。

Cotepute匚1一区］

图11—39［Compute］（计算）工具栏

图11—40［Compute］（计算）对话框

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11*［Computation

ResourceEstimation］（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。

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【StaticCase】，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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图11—44右击【StaticCase]

图11—45选择【GenerateImage］（生成图像）选项

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图11—46［GenerateImage］（生成图像）选项

图11-47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】按扭囹，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®，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11-49【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【CutPlane

Analysis］（剖切平面分析）按钮包，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【Shewcuttingplan。］（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。

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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】元素，如图11-54所示。双击后弹出【OCTREETetrahedron

Mesh］对话框,如图11—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【Localsize］（局部尺寸）选项，然后点击【Add］（添加）按钮，弹出［LocalMesh

Size］（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【OCTREETetrahedronMesh】对话框。

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图11-54双击的［OCTREETetrahedron］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［LocalMesh

Sag］（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。

OCTREETetrahedronMesh巨!区1

图11—57选择【Localsag］（局部垂度）选项

图11—58[LocalMeshSag]（局部网格垂度）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedron）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

网格明显匕其它部分细化。

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）按钮国。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。

图11-60重新计算的应力张量结果

-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【线框和由面设计】选项，如图11-61所示，进入【线

框和曲面设计】工作台。

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图11-61【开始】一【机械设计】一【线框和曲面设计】选项

单击后弹出【新建零部件】对话框，如图1卜62所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使

用零件名称为[Partl-2].点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【线框和曲面设计】工作台。

（2）定义点

点击【线框】工具栏内的【点】按钮-■一如图11-63所示。点击后弹出【点定义】对话框，如图11

-64所示。在【丫=】数值栏内输入50nun,即在（0,50,0）位置创建一个点。点击对话框内的【确定】按

钮，创建一个点。

图11—62【新建零部件】对话框

图11—63【线框】工具栏

用同样的方法创建第二个点(0,100,0),第三个点(0,0,0)。

(3)创建线段

点击【线框】工具栏内的【直线】按钮/一，弹出【直线定义】对话框，如图11-65所示。在图形区选

择【点1】和【点2】，如图11—66所示。点击对话框内的【确定】按钮，创建一条线段。

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图11—64【点定义】对话框

图11—65【直线定义】对话框

继续创建第二条线段，但方法与第一条线段出创建方法不同。点击【线框】工具栏内的【直线】按钮/一

弹出【直线定义】对话框，在图形区选择第三个点，然后再选择【xyplane］参考平面，如图11—67所示。

此时，【直线定义】对话框内【线型】下拉列表框自动更改为【点一方向】，如图11—68所示。在【结束】

数值栏内输入20mm,即线段的长度为20mm。

图11-66选择【点1］和【点2】

图11-67选择第三个点【xyplane］参考平面

（4）旋转创建面

点击【曲面】工具栏内的【旋转】按钮虢，如图11-69所示。弹出【旋转曲面定义对话框】，如图11

一70所示,在图形区选择【直线.1］作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴，如图11-71所示。

国

0公O区分今

图11-68【线型】下拉列表框自动更改为【点一方向】

图11—69【曲面】工具栏

图11—70【旋转曲面定义对话框】

图11—71选择【直线.1］作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴

（5）拉伸创建曲面

点击【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮上\如图11—72所示。弹出【拉伸曲面定义】对话框，如图11

—73所示c选择上一步旋转创建的曲面内圆作为轮廓，选择第二条线段【直线.2］作为方句，在【拉伸限制】

区内的【限制1］【尺寸】数值栏内输入50mm,即拉伸的高度为50mm。预览生成的拉伸曲面如图11-74所

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拉伸曲面定义叵园

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图11-72【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮

图11—73【拉伸曲面定义】对话框

用同样的方法拉伸外侧的圆弧，最终形成的图形如图11—75所示。

（6）赋予钢铁材料

在左边的模型树中点击选中零件名称【Parti】。点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮一目。

先弹出一个【打开】警告消息框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。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。

图11-74预览生成的拉伸曲面

图11-75最终形成的图形

(7)进入[ADCANCEDMESHINGTOOLS]（高级网格划分工具）工作台

单击【开始】一【分析与模拟】f［ADCANCEDMESHINGTOOLS］（高级网格划分工具）选项，如图11-

76所示，进入【ADCANCEDMESHINGTOOLS］（高级网格划分工具）工作台。

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图11-76【开始】f【分析与模拟】一【ADCANCEDMESHINGTOOLS］（高级网格划分工具）选项

（8）划分底面网格

点击［MeshingMethod］（网格划分方法）工具栏内的【AdvancedSurfaceMesher】（高级曲面划分器）

按钮［"1,如图11—77所示。点击后在图形区选中底面，如图11—78所示。

图11—77［AdvancedSurfaceMesher］（高级曲面划分器）按钮

图11-78选中的底面

注意！只选择底面。

选中底面后，弹出【GlobalParameter］（全局参数）对话框，如图H—79所示。点击【Mesh】（网格）

选项卡，在【MeshType］（网格类型）栏内点击四边形网格按钮I®,在【Elementtype］（单元类型）栏

内勾选［Parabolic］（二次网格）选项，在【MeshSize】（网格尺寸）数值栏内输入5mm,勾选【Minimize

triangle］（最小化三角形）选项。全部设置完成后，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，完成平

面网格划分设置。平面轮廓的边缘显示为绿色，如图11—80所示。

图11—79［GlobalParameter］（全局参数）对话框

图11-80平面轮廓的边缘显示为绿色

点击【Execution】（执行）工具栏内的【MeshThePart］（对零件划分网格）按钮如图11~81

所示。

程序开始对底面划分四边形网格，划分完成后，弹出【MesaThePart】（对零件划分网格）对话框，如

图11—82所示。对话框显示网格的尺寸，节点数量，单元数量，以及划分网格的结果。在本例题中，划分的

四边形网格，网格尺寸为5mm,创建了3437个节点，创建了1083个单元，划分网格结果是正常完成。对底

面划分的四边形网格如图11-83所示。

图11—81［Execution）（执行）工具栏

图11—82［MeshThePart］（对零件划分网格）对话框

出

点击【Exit】（退出）工具栏内的【Exit］（退出）按钮如图11一84所示。退出［SurfaceMESHING

TOOLS］（曲面网格划分）工作台，进入（ADCANCEDMESHINGTOOLS］（高级网格划分工具）工作台。

图11-83对底面划分的四边形网格

图11—84［Exit］（退出）工具栏

（8）拉伸生成六面体网格

点击［MeshTransformation］（网格变换）工具栏内的［ExtrudeMesherwithTranslation］（平动

拉伸网格）按钮一如图11—85所示。点击后弹出［ExtrudeMesherwithTranslation］（平动拉伸网格）

对话框，如图所示。11—86

在图形区选择上一步划分的四边形网格，点击选择第二条线段作为拉伸六面体网格的轴，在【Start］（开

始）数值栏内输入0mm,在【End】（结束）数值栏内输入50mm,在【Distribution】（分布）选项区内，在

［Type］（类型）下拉列表框内选择【Uniform］（均匀）选项，在【Layersnumber］（层数）数值栏内输

入23。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，完成拉伸六面体网格的设置。

在左边的模型树上右击【ExtrusionMeshWith］元素，如图11—87所示。在弹出的右键快捷菜单中选

择【Upda.tR\fpsh］（更新网格）选项,如图11—88所示°程序开始更新六面体网格，拉伸创建的六面体网

格如图11-89所示。

图11—85［MeshTransformation］（网格变换）工具栏

图11—86[ExtrudeMesherwithTranslation]（平动拉伸网格）对话框

LinksManager.1

FiniteElementModel.1

lesandELcaents

AdvancedSurfaceHesh.I

ExtrusionMesh»lthTrnnBlntlon^

-^Properties.1

EnaI懒踞曲皿。回於a

'一▲StaticCnea

图11—87右击的【ExtrusionMeshWith）元素

图11—88选择【UpdateMesh］（更新网格）选项

（9）使平面网格处于非激活状态

在左边的模型树上右击【AdvancedSurface］元素，如图11—90所示“在弹出的右键快捷菜单中选择

［Active/Deactivel（激活/非激活）选项，如图11-91所示。执行本操作后，平面网格处于非激活状态。

换句话说，就是在有限元计算分析过程中，并不计算平面网格。如果用户没有执行本步骤的操作，在后面的

限元计算中，会提示，有些单元未赋单元属性，计算无法进行。

比LinksManager.1

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NodesandEleaents

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图11-89拉伸创建的六面体网格

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图11—91选择的［Active/Deactive］（激活/非激活）选项

(10)进入[GenerativeStructuralAnalysis](创成式结构分析)工作台

单击【开始（§）］f［分析与模拟】f［GenerativeStructuralAnalysis］（创成式结构分析）选项,

如图11—92所示，进入【GenerativeStructuralAnalysis］（创成式结构分析）工作台。

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注出

图11—92【开始（S）]f[分析与模拟】f[GenerativeStructuralAnalysis]（创成式结构分析）选

项

（11）对六面体网格指定3D属性

点击[ModelManager]（模型管理器）工具栏内的13DProperty]（3D属性）按钮如图11—93

所示。弹出【3DProperty]（3D属性）对话框，如图11—94所示。在图形区点击选择六面体网格，或者在

左边的模型树上点击选择六面体网格的名称。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，将六面体网格指

定3D属性。

图11-93[ModelManager]（模型管理器）工具栏

图11—94[3DProperty]（3D属性）对话框

（12）创建曲面组

对于拉伸或者其它变换创建的六面体网格，由于不象通过对实体直接划分网格一样，实体直接划分四面

体网格时，实体的面和I四面体的外轮廓等都有一一对应关系，而六面体是通过对平面网格进行操作才完成的,

没有一一对应的几何形状，为了方便施加载荷和边界条件，需要定义而组，使六面体网格与几何图形之间保

持对应关系。

为了方便选择曲面，可以将六面体网格隐藏起来，并把在【线框和曲面设计】工作台内创建的曲面都显

示出来，具体操作方法是使用【显示/隐藏】按钮凰，在此处不再进行详细介绍。隐藏六面体网格之后的几

何图形显示如图11-95所示。

点击【Groups】（组）工具栏内的【SurfaceGroupbyNeighborhood］（由相邻部分组成的曲面组）

按钮匕，如图11-96所示。

图11—95隐藏六面体网格之后的几何图形显示

图11-96［Groups］（组）工具栏

点击后弹出［SurfaceGroup］（曲面组）对话框，如图11-97所示。在图形区选择几何图形的底面,

在【Toler既nee］（公差）数值栏内输入，点击对话框内的【确定】按钮，完成面组设置。

用同样的方法定义定义圆筒内外两个圆弧面的面组0

（13）创建固支边界条件

点击【Restraints】