CATIA有限元分析教程

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1、8.1 进 入 工 程 分 析 模 块8.2施 加 约 束8.3 施 加 载 荷8.4 静 态 有 限 元 计 算 过 程 和 后 处 理8.5动 态 分 析 的 前 处 理 和 显 示 计 算 结 果8.6 有 限 元 分 析 实 例习 题 工 程 分 析 指 的 是 有 限 元 分 析 ， 包 括 静 态 分 析 （ StaticAnalyses） 和 动 态 分 析 。 动 态 分 析 又 分 为 限 制 状 态 固 有 频 率 分 析（ FrequencyAnalyses） 和 自 由 状 态 固 有 频 率 分 析 （ FreeFrequencyAnalyses） ， 前 者 在 物

2、 体 上 施 加 一 定 约 束 ， 后 者 的 物体 没 有 任 何 约 束 ， 即 完 全 自 由 。8.1进 入 工 程 分 析 模 块1.进 入 工 程 分 析 模 块 前 的 准 备 工 作（ 1） 在 三 维 实 体 建 模 模 块 建 立 形 体 的 三 维 模 型 ， 为 三 维 形 体 添加 材 质 ， 见 4.7。（ 2） 将 显 示 模 式 设 置 为 Shading（ 着 色 ） 和 Materials（ 材 料 ） ，这 样 才 能 看 到 形 体 的 应 力 和 变 形 图 ， 详 见 2.11.6。 2.进 入 工 程 分 析 模 块选 择 菜 单 【 Start

3、】 【 Analysis&Simulation】 【 GenerativeStructuralAnalysis】 弹 出 图 8-1所 示 新 的 分 析 实例 对 话 框 。在 对 话 框 中 选 择 静 态 分 析 （ StaticAnalyses） 、 限 制 状 态固 有 频 率 分 析 （ FrequencyAnalyses） 还 是 自 由 状 态 固 有 频 率分 析 （ FreeFrequencyAnalyses） ， 单 击 OK按 钮 ， 将 开 始 一个 新 的 分 析 实 例 。 图 8-1新 的 分 析 实 例 对 话 框 3. 有 限 元 分 析 的 过 程有 限

4、元 分 析 的 一 般 流 程 为 ：（ 1） 从 三 维 实 体 建 模 模 块 进 入 有 限 元 分 析 模 块 。（ 2） 在 形 体 上 施 加 约 束 。（ 3） 在 形 体 上 施 加 载 荷 。（ 4） 计 算 （ 包 括 网 格 自 动 划 分 ） ， 解 方 程 和 生 成 应力 应 变 结 果 。（ 5） 分 析 计 算 结 果 ， 单 元 网 格 、 应 力 或 变 形 显 示 。（ 6） 对 关 心 的 区 域 细 化 网 格 、 重 新 计 算 。上 述 （ 1） （ 3） 过 程 是 有 限 元 分 析 预 （ 前 ） 处 理 ，（ 4） 是 计 算 过 程 ，

5、（ 5） 、 （ 6） 是 有 限 元 后 处 理 。有 限 元 文 件 的 类 型 为 CATAnalysis。 8.2施 加 约 束1.夹 紧 约 束该 约 束 施 加 于 形 体 表 面 或 边 界 ， 使 其 上 的 所 有 节 点 的 位置 固 定 不 变 （ 三 个 平 移 自 由 度 全 部 约 束 ） 。 施 加 夹 紧 约 束的 过 程 是 ： （ 1） 单 击 该 图 标 ， 弹 出 图 8-2所 示 夹 紧 约 束 对话 框 。 （ 2） 选 择 约 束 对 象 （ 曲 面 或 边 界 ） ， 例 如 选 择 形 体的 一 个 表 面 ， 单 击 OK按 钮 。 在 所

6、选 形 体 表 面 和 特 征 树 的 相应 节 点 处 产 生 了 夹 紧 约 束 标 记 ， 见 图 8-3。图 8-2夹 紧 约 束 对 话 框 图 8-3选 择 夹 紧 约 束 表 面 2 表 面 滑 动 约 束 该 约 束 施 加 于 形 体 表 面 ， 使 得 表 面 上 的 节 点 只 能 沿 着 与 此表 面 滑 动 ， 而 不 能 沿 此 表 面 有 法 线 方 向 的 运 动 。 施 加 此 约 束的 过 程 是 ： （ 1） 单 击 该 图 标 ， 弹 出 与 图 8-2类 似 的 表 面 滑 动 约束 对 话 框 。 （ 2） 选 择 约 束 对 象 （ 形 体 表 面

7、 ） ， 单 击 OK按 钮 。在 所 选 形 体 表 面 和 特 征 树 的 相 应 节 点 处 产 生 了 滑 动 约 束 的 标记 ， 见 图 8-4。 图 8-4选 择 滑 动 约 束 表 面 3.高 级 约 束该 功 能 提 供 了 对 任 意 节 点 的（ 平 移 ） 自 由 度 的 约 束 控 制 。 施 加此 约 束 的 过 程 是 ： （ 1） 单 击 该 图标 ， 弹 出 图 8-5所 示 高 级 约 束 对 话框 。 （ 2） 选 择 约 束 对 象 （ 曲 面 或棱 边 ） 。 （ 3） 选 择 坐 标 系 类 型 ，其 中 Implicit： 隐 含 （ 局 部 ）

8、坐 标系 、 Global： 全 局 坐 标 系 、 User：用 户 定 义 坐 标 系 。 （ 4） 选 择 要 约束 的 自 由 度 （ 旋 转 自 由 度 只 对 壳体 单 元 或 虚 拟 实 体 起 作 用 ） ， 图 8-5高 级 约 束 对 话 框 例 如 约 束 图 8-6所 示 形 体 外 棱 边 的 2（ Y方 向 ） 和 3（ Z方向 ） 的 平 移 自 由 度 ， 第 一 自 由 度 （ X方 向 ） 未 被 约 束 ，因 此 X轴 上 无 箭 头 。 图 8-6选 择 棱 边 为 高 级 约 束 4 静 态 约 束 该 功 能 使 形 体 不 能 产 生 刚 体 运

9、动 ， 成 为 静 定 状态 （ 约 束 平 移 和 旋 转 自 由 度 ） 。 操 作 步 骤 是 ： （ 1）单 击 图 标 ， 弹 出 对 话 框 。 （ 2） 选 择 约 束 对 象 ， 同时 在 形 体 附 近 显 示 静 态 约 束 标 记 。 8.3施 加 载 荷1.均 匀 压 力 载 荷该 载 荷 施 加 于 曲 面 或 平 面 ， 均 匀 分 布 ， 方 向 为 表 面 的 法 向 方向 。 操 作 步 骤 为 ： （ 1） 单 击 该 图 标 ， 弹 出 图 8-7所 示 施 加压 力 载 荷 对 话 框 。 （ 2） 选 择 施 加 对 象 （ 表 面 ） 。 （ 3）

10、输 入压 力 数 值 （ 压 强 ） ， 参 照 图 8-8。图 8-7施 加 压 力 载 荷 对 话 框 图 8-8选 择 施 加 均 匀 压 力 载 荷 的 表 面 2.分 布 力 、 扭 矩 和 轴 承 载 荷该 类 载 荷 作 用 于 点 、 表 面 或 虚拟 单 元 ， 等 价 于 节 点 上 的 力 和 力 矩 。施 加 方 法 是 ： （ 1） 单 击 图 标 （ 或 、 ） ， 弹 出 图 8-9所 示施 加 载 荷 的 对 话 框 。 （ 2） 选 择 施加 对 象 （ 表 面 或 棱 边 ） 。 （ 3） 选择 力 的 坐 标 系 。 （ 4） 输 入 力 或 力矩 的 大

11、 小 和 方 向 。 图 8-10是 在 形体 的 内 孔 处 施 加 轴 承 载 荷 后 的 结 果 。 图 8-9 施 加 载 荷 的 对 话 框 图 8-10施 加 轴 承 载 荷 3.加 速 度 载 荷 （ 形 体 的 重 力 ） 该 功 能 提 供 了 施 加 惯 性 力 或 重 力 的 方 法 。 一 般 流程 是 ： （ 1） 单 击 图 标 。 （ 2） 选 择 施 加 对 象 。（ 3） 选 择 坐 标 轴 。 （ 4） 输 入 加 速 度 x、 y、 z方 向 载荷 的 分 量 。4.离 心 （ 向 心 ） 力 定 义 由 于 旋 转 产 生 的 离 心 力 。 一 般 的

12、 流 程 是 ： （ 1）单 击 图 标 。 （ 2） 选 择 形 体 。 （ 3） 选 择 旋 转 轴 。（ 4） 输 入 角 速 度 和 角 加 速 度 值 。 5.力 密 度力 密 度 包 括 ： 线 密 度 力 、 面 密 度 力 和 体 密 度 力 。 是 施 加 于 直 线 、 曲 面 或 实 体 上 的 均 匀载 荷 。 一 般 流 程 是 ： （ 1） 单 击 力 密 度 图 标 。 （ 2）选 择 施 加 对 象 (曲 线 ,表 面 或 形 体 )。 （ 3） 选 择 轴 系 。（ 4） 选 择 力 的 方 向 和 密 度 。 （ 5） 选 择 坐 标 系 类 型 ，其 中

13、： Implicit为 隐 含 （ 局 部 ） 坐 标 系 、 Global为 全局 坐 标 系 、 User为 用 户 定 义 坐 标 系 。 6. 位 移 载 荷该 载 荷 在 前 面 施 加 的 约 束 基 础 上 给 定 强 制 位 移 ， 等 价 于 在实 体 约 束 表 面 施 加 载 荷 ， 例 如一 个 表 面 施 加 了 夹 紧 （ clamp）约 束 后 可 以 给 定 此 表 面 上 的 三 个平 移 位 移 一 定 的 数 值 ， 相 当 于 对此 表 面 施 加 了 一 定 的 载 荷 。 一 般的 流 程 是 ： （ 1） 单 击 该 图 标 ，弹 出 图 8-11

14、所 示 位 移 载 荷 对 话框 。 （ 2） 选 择 已 施 加 的 约 束 。（ 3） 输 入 每 个 约 束 自 由 度 的 位移 值 ， 参 照 图 8-12。 图 8-11位 移 载 荷 对 话 框 图 8-12在 夹 紧 约 束 上 施 加 位 移 载 荷 8.4静 态 有 限 元 计 算 过 程 和 后 处 理如 果 在 进 入 工 程 分 析 模 块 时 选 择 了 StaticAnalyses（ 见 图 8-1所 示 对 话 框 ） ， 在 确 定 了 约 束 条 件 和 施 加 载 荷 之 后 就 可 以 进行 静 态 有 限 元 计 算 和 后 处 理 工 作 。例 如

15、上 述 零 件 的 底 部 选 择 了 夹 紧 约 束 ， 左 孔 施 加 了 X、 Y分量 均 为 -1000N的 轴 承 载 荷 ， 右 孔 施 加 了 X分 量 为 1000N、 Y分量 为 -1000N的 轴 承 载 荷 ， 见 图 8-13。图 8-13选 择 了 夹 紧 约 束 和 施 加 了 轴 承 载 荷 的 零 件 8.4.1计 算1.确 定 存 放 计 算 数 据 和 计 算 结 果 文 件 的 的 路 径 .可 以 通 过 下 面 两 种 方 法 指 定 计 算 数 据 和 结 果 存 储 路 径 ：（ 1） 选 择 图 标 ， 通 过 随 后 弹 出 的 图 8-14所

16、 示 的 确 定 存 储 路径 对 话 框 输 入 计 算 数 据 和 计 算 结 果 文 件 的 的 路 径 。图 8-14确 定 存 储 路 径 对 话 框 （ 2） 通 过 图 8-15特 征 树 LinksManager节 点 的 目 录 ，双 击 该 目 录 的 分 支 ， 即 可 更 改 存 储 路 径 。图 8-15特 征 树 的 LinksManager节 点 2.启 动 有 限 元 计 算 功 能单 击 该 图 ， 弹 出 图 8-16所 示 有 关 计 算 的 对 话 框 ， 在 该 对话 框 的 下 拉 列 表 里 选 择 All， 单 击 OK按 钮 即 可 开 始 计

17、 算 ， 完 成计 算 后 ， 有 关 显 示 有 限 元 分 析 结 果 的 图 标 改 变 为 可 用 的 状 态 。图 8-16有 关 计 算 的 对 话 框 8.4.2显 示 静 态 分 析 结 果1.产 生 /显 示 自 动 划 分 的 网 格单 击 该 图 标 ， 显 示 了 增 添 网 格 后 的 形 体 ， 网 格 是 CATIA自 动 划分 的 ， 见 图 8-17。 图 8-17增 添 网 格 后 的 形 体将 光 标 移 至 形 体 或 特 征 树 的 节 点 上 面 之 后 单 击 鼠 标 右 键 ，在 随 后 弹 出 的 上 下 文 相 关 菜 单 中 选 择 【 D

18、eformedMeshobject】 【 Definition】 ， 将 弹 出 图 8-18（ a） 所 示 控 制 网 格 效 果 的 对 话 框 。 若 切 换 开 关 DisplayonDeformedMesh为 开 ， 显 示 变 形后 的 形 体 ， 见 图 8-17， 否 则 显 示 变 形 前 的 形 体 ， 见 图 8-18（ b） 。（ a） （ b）图 8-18控 制 网 格 效 果 的 对 话 框 1.冯 米 斯 应 力 （ Stress Von Mises） 显 示单 击 图 标 ， 显 示 了 冯 米 斯 应 力 图 ， 见 图 8-19。 冯 米 斯应 力 图 用

19、 于 评 价 应 力 分 布 情 况 ， 右 面 是 CATIA自 动 生 成 的 调色 板 ， 颜 色 从 蓝 到 红 ， 表 示 应 力 逐 渐 变 大 。 当 鼠 标 指 向 节 点时 ， 显 示 此 节 点 的 冯 米 斯 应 力 值 。图 8-19冯 米 斯 应 力 图 1.位 移 显 示单 击 图 标 ， 显 示 了 位 移 图 ， 见 图 8-20。 位 移 显 示 代 表 变形 情 况 ， 也 是 用 颜 色 代 表 位 移 值 ， 自 动 产 生 调 色 板 ， 代 表 一定 范 围 的 位 移 值 ； 鼠 标 在 节 点 上 ， 可 显 示 此 点 的 位 移 值 。图 8

20、-20位 移 显 示 图 4.主 应 力 张 量 显 示单 击 图 标 ， 显 示 了 主 应 力 张 量 图 ， 见 图 8-21。 该 功 能 显示 节 点 处 应 力 张 量 的 符 号 ， 从 整 个 显 示 图 可 以 看 到 形 体 承 接载 荷 的 路 径 和 状 态 ， 颜 色 从 蓝 到 红 ， 表 示 应 力 逐 渐 变 大 。图 8-21主 应 力 张 量 显 示 图 5.显 示 位 移 或 应 力 的 最 大 最 小 值单 击 图 标 ， 可 以 在 位 移 或 应 力 图 上 标 注 位 移 或 应 力 的 最大 最 小 值 ， 见 图 8-22。图 8-22显 示

21、应 力 的 最 大 最 小 值 8.5动 态 分 析 的 前 处 理 和 显 示 计 算 结 果如 果 在 进 入 工 程 分 析 模 块 时 选 择 了 FrequencyAnalyses或FreeFrequencyAnalyses（ 见 图 8-1所 示 对 话 框 ） ， 将 进 行 形体 的 动 态 分 析 。 FrequencyAnalyses和 FreeFrequencyAnalyses都 是 形 体 的 固 有 频 率 分 析 ， 但 前 者 需 要 对 形 体 施 加 一定 的 约 束 ， 后 者 完 全 自 由 。8.5.1动 态 分 析 前 处 理1.施 加 约 束动 态

22、分 析 中 约 束 有 clamp（ 夹 紧 ） 、 SurfaceSlider（ 曲 面 滑动 ） 和 AdvancedRestraints（ 高 级 自 由 度 约 束 ） 三 种 类 型 。如 果 在 进 入 工 程 分 析 模 块 时 选 择 了 FrequencyAnalyses， 就 需要 对 形 体 施 加 一 定 的 约 束 ， 施 加 约 束 的 方 法 同 静 态 分 析 。 2.附 加 质 量通 过 Mass工 具 栏 为 形 体 附 加 质 量 。（ 1） 附 加 分 布 质 量分 布 质 量 施 加 于 形 体 表 面 或 虚 拟 单 元 上 ， 代 表 着 节 点

23、上 的 附加 质 量 ， 计 算 中 等 价 到 各 个 节 点 之 上 。单 击 图 标 ， 弹 出 图 8-23所 示 分 布 质 量 对 话 框 。 选 择 形 体表 面 、 棱 边 或 虚 拟 单 元 ，在 对 话 框 中 输 入 质 量 数 值 。例 如 选 择 了 图 8-24所 示 零件 的 右 孔 表 面 ， 输 入 1kg的 质 量 ， 单 击 OK按 钮 ，结 果 见 图 8-24。图 8-23分 布 质 量 对 话 框 图 8-24施 加 分 布 质 量 后 的 零 件 （ 3） 附 加 面 质 量 密 度 以 单 位 面 积 的 方 式 为 形 体 附 加 质 量 。

24、单 击 图 标 ， 弹 出与 图 8-25所 示 对 话 框 类 似 的 面 线 质 量 密 度 对 话 框 。 选 择 形 体的 表 面 ， 输 入 面 质 量 密 度 数 值 即 可 。上 述 约 束 施 加 方 法 和 静 态 分 析 施 加 约 束 方 法 .8.5.2计 算1.确 定 存 放 计 算 数 据 和 计 算 结 果 文 件 的 的 路 径 （ 同 静 态 分 析 ） 。2.确 定 计 算 模 态 的 最 高 阶 数双 击 图 8-26(a)所 示 特 征 树 上 频 率 分 析 工 况 节 点， 弹 出 图 8-26(b)所 示 频 率 参 数 对 话 框 ， 在 对 话

25、 框 中 指 定 计 算 模态 的 最 高 阶 数 ， 例 如 10。 （ a） （ b）图 8-26特 征 树 和 频 率 参 数 对 话 框 8.5.3显 示 动 态 分 析 结 果1. 冯 米 斯 应 力 （ Stress von Mises） 显 示单 击 图 标 ， 显 示 形 体 的 冯 米 斯 应 力 图 ， 见 图 8-27（ a） 。 双 击 该 应力 图 或 特 征 树 的 节 点 ， 将 弹 出 图 8-27（ b） 所 示 图 像 编 辑对 话 框 。 通 过 该 对 话 框 选 择 不 同 的 频 率 阶 数 ， 即 可 得 到 相 应 的 应 力 图 。 （ a）

26、（ b）图 8-27形 体 的 冯 米 斯 应 力 图 和 图 像 编 辑 对 话 框 2. 位 移 显 示 （ 模 态 显 示 ）单 击 该 图 标 ， 显 示 形 体 的 位 移 图 ， 见 图 8-28。 双 击 该 应 力图 或 特 征 树 的 节 点 ， 将 弹 出 图 8-27（ b） 所 示 图 像 编 辑 对 话 框 。通 过 该 对 话 框 选 择 不 同 的 频 率 阶 数 ， 即 可 得 到 相 应 的 位 移 图 。图 8-28是 频 率 阶 数 为 10时 形 体 的 位 移 图 。图 8-28形 体 的 位 移 显 示 图 3. 模 态 的 动 画 显 示单 击 该

27、 图 标 ， 弹 出 图 8-29（ b） 所 示 动 画 窗 口 。 该 窗 口 的图 像 按 钮 与 播 放 影 像 设 备 的 按 钮 用 法 相 同 。 通 过 这 些 按 钮 详细 地 观 察 形 体 在 不 同 时 刻 应 力 或 位 移 的 变 化 。图 8-29动 画 窗 口 8.6有 限 元 分 析 实 例例 8-1以 第 4章 建 立 的 摇 杆 为 例 ， 演 示 有 限 元 分 析 的 过 程 。图 8-30摇 杆1.进 入 有 限 元 分 析 模 块 前 的 准 备 工 作（ 1） 首 先 打 开 摇 杆 的 三 维 形 体 文 件 YaoGan.CATPart， 显

28、 示了 图 8-30所 示 的 摇 杆 。 选 择 摇 杆 ， 单 击 图 标 ， 在 随 后 弹 出的 图 8-31所 示 材 料 库 的 【 Library】 对 话 框 中 选 择 Steel（ 钢 ） 。 （ 2） （ 2） 将 显 示 模 式 设 置 为 。图 8-31【 Library】 对 话 框 （ 3） 选 择 菜 单 【 Start】 【 Analysis&Simulation】 【 GeneralStructureAnalysis】 ， 在 图 8-1所 示 对 话 框 中 选 择StaticAnalysis（ 静 态 分 析 ） ， 进 入 有 限 元 分 析 模 块

29、， 将 产 生一 个 新 的 CATAnalysis文 件 。2.施 加 约 束单 击 图 标 ， 选 择 摇 杆 中 心 孔 ， 为 摇 杆 施 加 滑 动 约 束 ， 见图 8-32。 图 8-32在 摇 杆 中 心 孔 施 加 滑 动 约 束 单 击 图 标 ， 选 择 摇 杆 左 孔 ， 为 摇 杆 施 加 夹 紧 约 束 ，见 图 8-33。 图 8-33在 摇 杆 左 孔 施 加 夹 紧 约 束 3.单 击 图 标 、 选 择 摇 杆 右 边 的 长 孔 ， 在 分 布 载 荷 对 话 框 内 输入 X轴 反 方 向 、 大 小 为 1500N的 分 布 载 荷 ， 见 图 8-3

30、4。图 8-34在 摇 杆 右 边 的 长 孔 施 加 载 荷 4.单 击 图 标 ， 通 过 图 8-15所 示 的 确 定 存 储 路 径 对 话 框 输 入 计算 数 据 和 计 算 结 果 文 件 的 的 路 径 。5.单 击 图 标 开 始 计 算 。6 显 示 分 析 结 果单 击 图 标 显 示 摇 杆 的 网 格 变 形 图 ， 见 图 8-35。图 8-35摇 杆 网 格 变 形 图 习 题1 孔 板 （ 取 四 分 之 一 ） 见 图 8-86， 边 界 条 件 为 沿 着 平 面 滑 动 ，作 孔 板 受 压 力 应 力 分 析 。 图 8-86 2 图 8-87为 球

31、冠 受 力 图 ， 已 知 球 冠 的 材 料 为 钢 ， F=3000N均 匀分 布 。 作 球 冠 应 力 和 变 形 分 析 。图 8-87 3 钢 材 悬 臂 梁 的 尺 寸 见 图 8-88， 做 该 悬 臂 梁 的 特 征 值 分 析 。图 8-884 四 边 刚 性 固 定 的 方 形 板 ， 尺 寸 为 200 200 2.5。 表 面 均 匀 压力 =1600N， 材 料 为 钢 材 ， 求 解 中 心 挠 度 。5 图 8-89所 示 连 杆 ， 材 料 为 钢 材 ， 厚 度 为 6mm， 两 端 孔 受 杆 轴线 方 向 压 力 F=980N， 求 解 应 力 和 变 形 。