工程碩士課件-proe有限元分析

1、CAE技術(shù)及應(yīng)用Pro/MECHANICA工程結(jié)構(gòu)有限元分析汪中厚 教授上海理工大學(xué) 2017年3月23日,,,CONTENTS,目錄,2024/3/22,,2,,,1.Pro/MECHANICA Structure簡介,2024/3/22,,3,,,1.1 Pro/MECHANICA及其工作模式簡介,2024/3/22,,4,美國PTC公司的Pro/ENGINEER Wildf

2、ire 是集CAD/CAM/CAE于一體的大型設(shè)計軟件，其中，CAE常用的模塊為Pro/MECHANICA（Pro/M）。Pro/MECHANICA包含Structural和Thermal Simulation（結(jié)構(gòu)和熱模型）兩個模塊，其中，Structural主要用于解決模型結(jié)構(gòu)方面的問題，Thermal Simulation主要計算與熱傳遞有關(guān)的問題。 Pro/MECHANICA有兩種工作模式：集成模式和獨立模式。前者是在Pro/

3、ENGINEER的操作界面下進行的，后者是在單獨的Mechanica環(huán)境下進行的。本次課程主要講述Structural（結(jié)構(gòu)）分析模塊在工程結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用，為方便起見，均采用集成模式進行分析。,,,1.2 集成模式與獨立模式,2024/3/22,,5,1. 集成模式所謂的集成模式，即是在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0環(huán)境下集成了Pro/MECHANICA的仿真功能，在不脫離Pro/ENGINEER用戶環(huán)境的情況下

4、，可以創(chuàng)建模型、分析模型并優(yōu)化模型。不過在此模式下又包含兩種模式，即軟件自帶模式和FEM（Finite Element Mode）模式。軟件自帶模式為常用的模式；FEM模式表示有限元分析模式，在這種模式下，沒有求解器，需要借助第三方軟件求解，但是在Pro/ENGINEER中可以完成材料的設(shè)置、模型的理想化、約束及載荷的設(shè)置和模型網(wǎng)格的劃分。2. 獨立模式這種模式下，Pro/MECHANICA作為一個獨立的軟件運行，進行建模、分析及

5、設(shè)計優(yōu)化，與Pro/ENGINEER沒有關(guān)聯(lián)。在獨立模式下，可以在Pro/ENGINEER中進行幾何建模，然后導(dǎo)入到Pro/MECHANICA中進行分析，也可以從其他CAD軟件中創(chuàng)建模型進行導(dǎo)入，或者直接在Pro/MECHANICA中創(chuàng)建模型。存在的弊端在于當(dāng)在Pro/MECHANICA中進行了模型的參數(shù)優(yōu)化后，Pro/ENGINEER中的模型并不會隨之更新。因此該模式的操作性欠佳。,,,2.Pro/MECHANICA基本分析流程,20

6、24/3/22,,6,,,2 Pro/MECHANICA基本分析流程,2024/3/22,,7,本次課程主要講述的內(nèi)容為Pro/MECHANICA中集成模式中的軟件自帶模式下的分析過程，因此分析流程著重講述軟件自帶模式下的情況。集成模式下的分析流程與其他傳統(tǒng)的分析流程基本類似，主要包括四部分：創(chuàng)建模型——分析模型——定義設(shè)計參數(shù)和變量——優(yōu)化模型。其中，創(chuàng)建模型主要包括：在Pro/ENGINEER中創(chuàng)建幾何模型或者從第三方軟件中導(dǎo)入幾

7、何模型，然后進行模型的簡化，定義系統(tǒng)的單位，添加載荷、約束和材料性能參數(shù)等，檢查自動化分的網(wǎng)格。分析模型主要包括：定義一個分析任務(wù)，運行分析，查看分析結(jié)果。定義設(shè)計參數(shù)和變量主要包括：定義設(shè)計參數(shù)和變量，修改模型的外形或特性參數(shù)。優(yōu)化模型。優(yōu)化模型主要包括：定義靈敏度和優(yōu)化項目，運行項目，觀察項目的優(yōu)化結(jié)果，更新模型。上面所描述的分析流程代表最常用的方法。最終所使用的工作流程，將取決于分析者的設(shè)計過程、所要實現(xiàn)的目標(biāo)以及模型的性質(zhì)等。

8、,,,3.有限元分析實例,2024/3/22,,8,,,3.1 實例1：集中載荷作用下的懸臂梁頂端位移,2024/3/22,,9,問題描述：如圖所示為一端固定，另一端受集中載荷的懸臂梁。梁的截面形狀是正方形，尺寸為40mm*40mm，長度為400mm。梁的自由端承受400N的力。分析梁在集中載荷作用下的變形和受力。,,,3.3 模態(tài)分析,2024/3/22,,10,任何一個結(jié)構(gòu)或機械部件都有固有頻率。如果外部激勵的頻率和這個固有頻率接近

9、，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或機械部件收到破壞。因此，在機械或結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計師需要知道所設(shè)計的結(jié)構(gòu)或部件的固有頻率，盡量讓外部激勵避開固有頻率或者最大限度地減少對固有頻率的激勵，從而消除震動。在Pro/MECHANICA中，模態(tài)分析的主要任務(wù)就是研究沒有阻尼的自由振動。自由振動意味著沒有給結(jié)構(gòu)或部件施加外部載荷，那么模擬分析的任務(wù)就是找出系統(tǒng)動能和勢能的平衡點，即固有頻率。,,,3.2 實例2：建筑結(jié)構(gòu)頻率分析,2024/3/2

10、2,,11,問題描述：如圖所示的梁結(jié)構(gòu)，對其進行模態(tài)分析。梁的截面形狀為中空矩形，截面長80mm、寬50mm、壁厚5mm，整個梁的長度為1000mm，梁的材料為AL2014。,,,3.3 實例3：疲勞分析：活塞疲勞分析,2024/3/22,,12,當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，雖然應(yīng)力值始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低，但材料還有可能被破壞。這種在交變載荷重復(fù)作用下，材料或結(jié)構(gòu)被破壞的現(xiàn)象，稱作疲勞破壞。疲勞破

11、壞是工程結(jié)構(gòu)和機械失效的主要原因之一，引起疲勞失效的循環(huán)載荷的峰值往往遠小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來的“安全”載荷，因此開展結(jié)構(gòu)疲勞分析有重要的意義。Pro/MECHANICA中的疲勞分析主要是在Fatigue Advisor模塊中進行的，可以對零件的疲勞特性進行評估和預(yù)測，也可以和其他分析一起對零件進行優(yōu)化。Fatigue Advisor進行疲勞分析的主要內(nèi)容包括：1）疲勞壽命；2）疲勞破壞；3）安全系數(shù)；4）疲勞壽命可信度。,,,

12、3.3實例3：疲勞分析：活塞疲勞分析,2024/3/22,,13,問題描述：如圖所示為一個長期承受交變載荷的活塞，上端面承受載荷980N，該零件的材料為STEEL，μ=0.27，E=199948Mpa。其抗張極限應(yīng)力為420kPa，零件設(shè)計疲勞壽命為6e+008次。因為是對稱模型，所以此次分析分割為1/4部分來分析，以節(jié)省分析時間。,,,3.4 失穩(wěn)分析,2024/3/22,,14,構(gòu)件必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，才能保證在外力的

13、作用下正常工作。對于不同形狀的構(gòu)件，這三項要求各有側(cè)重。對于細(xì)長桿、薄壁和薄殼等結(jié)構(gòu)而言，在滿足強度和剛度的前提下，還需要驗證構(gòu)建的穩(wěn)定性。桿件偏離平衡位置而失去正常承載能力的現(xiàn)象，叫做桿件的失穩(wěn)或者構(gòu)建屈曲。桿件失穩(wěn)時的載荷叫做臨界屈曲載荷。結(jié)構(gòu)分析模塊能夠進行失穩(wěn)分析。,,,3.4 實例4：細(xì)長桿失穩(wěn)分析,2024/3/22,,15,問題描述：如圖所示為一細(xì)長桿，當(dāng)理想中心壓桿受到軸向壓力小于壓桿的臨界壓力時，壓桿將保持穩(wěn)定的和唯一

14、的直線平衡，此時稱壓桿的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；當(dāng)理想中心壓桿受到的軸向壓力達到壓桿的臨界力時，直線平衡不再是壓桿穩(wěn)定的或唯一的平衡狀態(tài)，壓桿在軸向壓力的作用下可以在微彎的曲線狀態(tài)下保持平衡，此時稱壓桿的平衡失去了穩(wěn)定性即失穩(wěn)。圖中細(xì)長桿直徑為10mm，長度300，細(xì)長桿一端固定，另一端承受1000N的載荷，材料為STEEL（μ=0.27，E=210GPa）。試求該細(xì)長桿的臨界屈曲載荷。,,2024/3/22,16,,3.6 熱力學(xué)分析,一

15、，概述,熱力學(xué)分析模塊是專門進行零件和組件模式下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分布，其分析結(jié)果數(shù)據(jù)可以返回到結(jié)構(gòu)分析模塊，進行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計。,2024/3/22,17,二，進入熱力學(xué)分析,,3.6 熱力學(xué)分析,連接(Bonded)：連接彼此相接觸的元件或曲面。網(wǎng)格化過程中，Mechanica 會合并重合節(jié)點。,自由 (Free) ：保持彼此相接觸的元件或曲面分開。,隔熱 (Adiabatic)

16、0;：與結(jié)構(gòu)分析中的自由相類似，在通過“隔熱”(Adiabatic) 界面連接的元件之間不會傳遞熱量。它們實質(zhì)上保持熱“獨立”。,接觸(Contact) ：接觸界面可使元件保持彼此分離，但當(dāng)這些元件彼此接觸時，會在它們之間傳遞力?？梢詾榻佑|界面定義多個參數(shù)和設(shè)置(例如分開距離、角度和摩擦特性)。,熱阻(Thermal Resistance) ：熱阻界面將顯示模型中存在缺陷的熱粘合?？梢詾槿笔嶙枨娑x熱傳

17、遞系數(shù)。,2024/3/22,18,,3.6 熱力學(xué)分析,三，熱力學(xué)分析流程,2024/3/22,19,,3.5 實例5：熱力學(xué)分析：平底鍋熱力學(xué)分析,問題描述：如圖所示：有個平底鍋，材料為AL2014，鍋底加熱20W，試分析平底鍋的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。分析條件如下：平底鍋內(nèi)壁規(guī)定溫度為100℃，對流系數(shù)為50mW/(mm^2C)，外壁體表溫度為90℃。,2024/3/22,20,,3.6 實例6：熱力學(xué)分析：平底鍋熱力學(xué)分析,問題描述：試

18、分析例5中平底鍋的瞬態(tài)溫度場分布。分析條件如下：平底鍋內(nèi)壁規(guī)定溫度為100℃，對流系數(shù)為50mW/(mm^2C)，外壁體表溫度為90℃。,2024/3/22,21,,3.7 綜合分析：實例八 電動機吊座的結(jié)構(gòu)分析,問題描述：電動機吊座用于懸掛大型電動機，電動機總重60噸，當(dāng)電動機開始工作以后吊座受到電動機傳遞的振動，以及電動機帶動的機車、汽車等交通工具運行時，產(chǎn)生的非周期性的振動。電動機在復(fù)雜的環(huán)境中工作，試分析其變形、應(yīng)力、壽命等技

19、術(shù)參數(shù)。材料參數(shù)：steel （μ=0.27，E=210GPa） ，拉

20、 伸屈服應(yīng)力345Mpa，抗張極限應(yīng)力400Mpa,2024/3/22,22,,3.7 綜合分析：實例九 活塞結(jié)構(gòu)分析,問題描述：活塞是發(fā)動機的“心臟”，承受交變的機械負(fù)載和熱負(fù)荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵部件之一

21、?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊诟邷?、高壓、高速、潤滑不良的惡劣條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500K以上，因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差?；钊敳砍惺軞怏w壓力很大，特別是作功行程壓力最大，汽油機高達3~5Mpa，柴油機高達6~9Mpa，這就使活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用。所以對活塞進行結(jié)構(gòu)分析是相當(dāng)必要的。分析條件：活塞頂部受到2500K、9Mpa高溫氣體作用，在復(fù)返1千

22、萬次運行的疲勞安全系數(shù)。該零件的材料為AL6061。其抗拉強度為290MPa，屈服強度為240Mpa，疲勞強度為95Mpa，熱傳導(dǎo)為167W/m℃。因為是對稱模型，所以此次分析分割為1/4部分來分析，以節(jié)省分析時間。,,,4.總結(jié),2024/3/22,,23,,,4 總結(jié),2024/3/22,,24,Pro/MECHANICA Structure主要是對模型的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，其所能實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)分析主要包括如下工作：1、在幾何模型上定

23、義載荷、約束和材料特性，從而為設(shè)計模型建立一個真實的工作環(huán)境。2、控制Pro/MECHANICA中對模型的網(wǎng)格劃分，確保獲得有效的解決方案。3、在模擬之前指定收斂方式，并且可以觀察Pro/MECHANICA自動檢查錯誤、收斂方案求解過程和產(chǎn)生收斂的信息。4、用Pro/MECHANICA的自適應(yīng)求解器求解或采用FEM模式利用NASTRAN或者ANSYS求解器求解有限元模型。5、選擇一個或多個在某個特定范圍內(nèi)變化的設(shè)計參數(shù)，對它們進