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1、CAE技术及应用Pro/MECHANICA工程结构有限元分析汪中厚 教授上海理工大学 2017年3月23日,CONTENTS,目录,2017/6/26,2,1.Pro/MECHANICA Structure简介,2017/6/26,3,1.1 Pro/MECHANICA及其工作模式简介,2017/6/26,4,美国PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire 是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，其中，CAE常用的模块为Pro/MECHANICA（Pro/M）。Pro/MECHANICA包含Structural和Thermal Simulation（结构和热模型）两个模块，
2、其中，Structural主要用于解决模型结构方面的问题，Thermal Simulation主要计算与热传递有关的问题。 Pro/MECHANICA有两种工作模式：集成模式和独立模式。前者是在Pro/ENGINEER的操作界面下进行的，后者是在单独的Mechanica环境下进行的。本次课程主要讲述Structural（结构）分析模块在工程结构方面的应用，为方便起见，均采用集成模式进行分析。,1.2 集成模式与独立模式,2017/6/26,5,1. 集成模式所谓的集成模式，即是在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0环境下集成了Pro/MECHANICA的仿真功能，在不脱离Pro/
3、ENGINEER用户环境的情况下，可以创建模型、分析模型并优化模型。不过在此模式下又包含两种模式，即软件自带模式和FEM（Finite Element Mode）模式。软件自带模式为常用的模式；FEM模式表示有限元分析模式，在这种模式下，没有求解器，需要借助第三方软件求解，但是在Pro/ENGINEER中可以完成材料的设置、模型的理想化、约束及载荷的设置和模型网格的划分。2. 独立模式这种模式下，Pro/MECHANICA作为一个独立的软件运行，进行建模、分析及设计优化，与Pro/ENGINEER没有关联。在独立模式下，可以在Pro/ENGINEER中进行几何建模，然后导入到Pro/MECHA
4、NICA中进行分析，也可以从其他CAD软件中创建模型进行导入，或者直接在Pro/MECHANICA中创建模型。存在的弊端在于当在Pro/MECHANICA中进行了模型的参数优化后，Pro/ENGINEER中的模型并不会随之更新。因此该模式的操作性欠佳。,2.Pro/MECHANICA基本分析流程,2017/6/26,6,2 Pro/MECHANICA基本分析流程,2017/6/26,7,本次课程主要讲述的内容为Pro/MECHANICA中集成模式中的软件自带模式下的分析过程，因此分析流程着重讲述软件自带模式下的情况。集成模式下的分析流程与其他传统的分析流程基本类似，主要包括四部分：创建模型分析
5、模型定义设计参数和变量优化模型。其中，创建模型主要包括：在Pro/ENGINEER中创建几何模型或者从第三方软件中导入几何模型，然后进行模型的简化，定义系统的单位，添加载荷、约束和材料性能参数等，检查自动化分的网格。分析模型主要包括：定义一个分析任务，运行分析，查看分析结果。定义设计参数和变量主要包括：定义设计参数和变量，修改模型的外形或特性参数。优化模型。优化模型主要包括：定义灵敏度和优化项目，运行项目，观察项目的优化结果，更新模型。上面所描述的分析流程代表最常用的方法。最终所使用的工作流程，将取决于分析者的设计过程、所要实现的目标以及模型的性质等。,3.有限元分析实例,2017/6/26,
6、8,3.1 实例1：集中载荷作用下的悬臂梁顶端位移,2017/6/26,9,问题描述：如图所示为一端固定，另一端受集中载荷的悬臂梁。梁的截面形状是正方形，尺寸为40mm*40mm，长度为400mm。梁的自由端承受400N的力。分析梁在集中载荷作用下的变形和受力。,3.3 模态分析,2017/6/26,10,任何一个结构或机械部件都有固有频率。如果外部激励的频率和这个固有频率接近，会使结构产生共振，最终导致结构或机械部件收到破坏。因此，在机械或结构设计中，设计师需要知道所设计的结构或部件的固有频率，尽量让外部激励避开固有频率或者最大限度地减少对固有频率的激励，从而消除震动。在Pro/MECHAN
7、ICA中，模态分析的主要任务就是研究没有阻尼的自由振动。自由振动意味着没有给结构或部件施加外部载荷，那么模拟分析的任务就是找出系统动能和势能的平衡点，即固有频率。,3.2 实例2：建筑结构频率分析,2017/6/26,11,问题描述：如图所示的梁结构，对其进行模态分析。梁的截面形状为中空矩形，截面长80mm、宽50mm、壁厚5mm，整个梁的长度为1000mm，梁的材料为AL2014。,3.3 实例3：疲劳分析：活塞疲劳分析,2017/6/26,12,当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，虽然应力值始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低，但材料还有可能被破坏。这种在交变载荷重复作用下
8、，材料或结构被破坏的现象，称作疲劳破坏。疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，因此开展结构疲劳分析有重要的意义。Pro/MECHANICA中的疲劳分析主要是在Fatigue Advisor模块中进行的，可以对零件的疲劳特性进行评估和预测，也可以和其他分析一起对零件进行优化。Fatigue Advisor进行疲劳分析的主要内容包括：1）疲劳寿命；2）疲劳破坏；3）安全系数；4）疲劳寿命可信度。,3.3实例3：疲劳分析：活塞疲劳分析,2017/6/26,13,问题描述：如图所示为一个长期承受交变载荷的活塞，上端面承
9、受载荷980N，该零件的材料为STEEL，=0.27，E=199948Mpa。其抗张极限应力为420kPa，零件设计疲劳寿命为6e+008次。因为是对称模型，所以此次分析分割为1/4部分来分析，以节省分析时间。,3.4 失稳分析,2017/6/26,14,构件必须具有足够的强度、刚度和稳定性，才能保证在外力的作用下正常工作。对于不同形状的构件，这三项要求各有侧重。对于细长杆、薄壁和薄壳等结构而言，在满足强度和刚度的前提下，还需要验证构建的稳定性。杆件偏离平衡位置而失去正常承载能力的现象，叫做杆件的失稳或者构建屈曲。杆件失稳时的载荷叫做临界屈曲载荷。结构分析模块能够进行失稳分析。,3.4 实例4
10、：细长杆失稳分析,2017/6/26,15,问题描述：如图所示为一细长杆，当理想中心压杆受到轴向压力小于压杆的临界压力时，压杆将保持稳定的和唯一的直线平衡，此时称压杆的平衡状态是稳定的；当理想中心压杆受到的轴向压力达到压杆的临界力时，直线平衡不再是压杆稳定的或唯一的平衡状态，压杆在轴向压力的作用下可以在微弯的曲线状态下保持平衡，此时称压杆的平衡失去了稳定性即失稳。图中细长杆直径为10mm，长度300，细长杆一端固定，另一端承受1000N的载荷，材料为STEEL（=0.27，E=210GPa）。试求该细长杆的临界屈曲载荷。,2017/6/26,16,3.6 热力学分析,一，概述,热力学分析模块是
11、专门进行零件和组件模式下的稳态和瞬态温度场分布，其分析结果数据可以返回到结构分析模块，进行灵敏度分析和优化设计。,2017/6/26,17,二，进入热力学分析,3.6 热力学分析,连接(Bonded)：连接彼此相接触的元件或曲面。网格化过程中，Mechanica会合并重合节点。,自由(Free)：保持彼此相接触的元件或曲面分开。,隔热(Adiabatic)：与结构分析中的自由相类似，在通过“隔热”(Adiabatic)界面连接的元件之间不会传递热量。它们实质上保持热“独立”。,接触(Contact) ：接触界面可使元件保持彼此分离，但当这些元件彼此接触时，会在它们之间传递力。可以为接触界面定义
12、多个参数和设置(例如分开距离、角度和摩擦特性)。,热阻(ThermalResistance)：热阻界面将显示模型中存在缺陷的热粘合。可以为缺省热阻曲面定义热传递系数。,2017/6/26,18,3.6 热力学分析,三，热力学分析流程,2017/6/26,19,3.5 实例5：热力学分析：平底锅热力学分析,问题描述：如图所示：有个平底锅，材料为AL2014，锅底加热20W，试分析平底锅的稳态温度场分布。分析条件如下：平底锅内壁规定温度为100，对流系数为50mW/(mm2C)，外壁体表温度为90。,2017/6/26,20,3.6 实例6：热力学分析：平底锅热力学分析,问题描述：试分析例5中平底
13、锅的瞬态温度场分布。分析条件如下：平底锅内壁规定温度为100，对流系数为50mW/(mm2C)，外壁体表温度为90。,2017/6/26,21,3.7 综合分析：实例八 电动机吊座的结构分析,问题描述：电动机吊座用于悬挂大型电动机，电动机总重60吨，当电动机开始工作以后吊座受到电动机传递的振动，以及电动机带动的机车、汽车等交通工具运行时，产生的非周期性的振动。电动机在复杂的环境中工作，试分析其变形、应力、寿命等技术参数。材料参数：steel （=0.27，E=210GPa） ，拉 伸屈服应力345Mpa，抗张极限应力400Mpa,2017/6/26,22,3.7 综合分析：实例九 活塞结构分析
14、,问题描述：活塞是发动机的“心脏”，承受交变的机械负载和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转。活塞在高温、高压、高速、润滑不良的恶劣条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差。活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达35Mpa，柴油机高达69Mpa，这就使活塞产生冲击，并承受侧压力的作用。所以对活塞进行结构分析是相当必要的。分析条件：活塞顶部受到2500K、9Mpa高温气体作用，在复返1千万次运行的疲劳安全系数。该零件的材料为AL6061。其抗拉强度为
15、290MPa，屈服强度为240Mpa，疲劳强度为95Mpa，热传导为167W/m。因为是对称模型，所以此次分析分割为1/4部分来分析，以节省分析时间。,4.总结,2017/6/26,23,4 总结,2017/6/26,24,Pro/MECHANICA Structure主要是对模型的结构进行有限元分析，其所能实现的结构分析主要包括如下工作：1、在几何模型上定义载荷、约束和材料特性，从而为设计模型建立一个真实的工作环境。2、控制Pro/MECHANICA中对模型的网格划分，确保获得有效的解决方案。3、在模拟之前指定收敛方式，并且可以观察Pro/MECHANICA自动检查错误、收敛方案求解过程和产生收敛的信息。4、用Pro/MECHANICA的自适应求解器求解或采用FEM模式利用NASTRAN或者ANSYS求解器求解有限元模型。5、选择一个或多个在某个特定范围内变化的设计参数，对它们进行灵敏度分析，以图形的方式显示研究模型的质量、应力、位移等随设计参数的改变而改变的情况。6、优化设计模型，满足最初设计要求，同时降低成本。7、可以用云图、等值线和查询显示等方式显示和存储选定几何模型元素的位移、应力和应变等计算结果。,
