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1、Creo Simulate 高阶单元分析软件典范 陈陈利民利民 Senior AE 2 2 目录 Creo Simulate 功能简介 Creo Simulate 原理 P-Method Creo Simulate 有效性证明 典型用户案例 Creo Simulate 应用场景定位 总结 3 功能类型 Structure 结构受力分析 Vibration 结构动响应分析 Thermal 热分析 Fatigue 疲劳寿命预测 主要分析功能 结构静强度变形分析 结构大变形分析、接触分析 模态分析 有预载荷的模态分析 时域、频域动响应分析 随机振动分析 屈曲分析 稳态及瞬态热分析 疲劳寿命分析 灵敏
2、度、设计优化 Creo Simulate 功能简介 Creo 结构和热分析功能 2014 PTC 3 4 P-Method方法 5 FEA是Finite Element Analysis 的缩写，它是Finite Element Method (FEM) 的一部分，帮助工 程师进行手工无法完成的复杂仿真分析工作 FEA将模型离散化为1D,2D或3D的微小形状，并基于边界条件求解它们的位移 所有的FEA仿真分析都采用数值逼近的方法 结果的精确性依赖于正确的模型和数值收敛效果 有限元法入门 6 Creo Simulate有限元理论P-Method FEA专业人员的典型问题 网格这么稀疏，为什么结果
3、会准确？ ANSYS有超过100种的单元类型，Creo Simulate却不超过20种， Simulate能行吗？ ANSYS Creo Simulate 7 已知单元节点Nodei和Nodej的位移，求解单元内PointX点的位移？ 有限元法基本概念：形函数 （Shape function） x Pointx T? 一阶形函 数S=f(x) 悬臂梁静强度分析 原始形状 变形后 定义 T:位移 Ti Tj Nodei Nodej 8 通常的有限元分析方法 (H-Method) 梁尺寸: 10” x 1” x 1” 弹性模量: 30,000,000 psi 荷载: 150 lb. at tip
4、梁理论最大位移: 0.2” 梁理论最大应力: 90,000 psi Model 1, 严重误差 Model 2, 依然是严重误差 Model 3, 开始有些效果 Model 4, 可以接受的分析 线性方程 组数量 9 Creo Simulate有限元分析理论：P-Method方法方法 薄板零件P-Method与H-Method方法对比 ? Creo Simulate只用4个单元 使用几何单元(单元精确吻合几何) 解算精度不是通过增加单元数，而是自 动调整单元的多边形阶次(P-method) Creo Simulate 的P-method 一般有限元分析软件的H-method ANSYS/NAS
5、TRAN要用数十至数百个单元 不使用几何单元(单元为直边) 解算精度通过增加单元数 10 Polynomial order 1 (Y=AX+B) 1st PASS Creo Simulate P-Method 11 Polynomial order 2 (Y=AX2+BX+C) 2nd PASS Creo Simulate P-Method 12 Polynomial order 3 (Y=AX3+BX2+CX+D) 3rd PASS Creo Simulate P-Method 13 Polynomial order 4 (Y=AX4+BX3+CX2+DX+E) 4th PASS Creo
6、Simulate P-Method 14 Polynomial order 5 (Y=AX5+BX4+CX3+.+F) 5th PASS Creo Simulate P-Method 15 Polynomial order 6 (Y=AX6+BX5+CX4+.+G) 6th PASS Creo Simulate P-Method 16 Polynomial order 7 (Y=AX7+BX6+CX5+.+H) 7th PASS Creo Simulate P-Method 17 Polynomial order 8 (Y=AX8+BX7+CX6+.+I) 8th PASS Creo Simu
7、late P-Method 18 Polynomial order 9 (Y=AX9+BX8+CX7+.+J) 9th PASS Creo Simulate P-Method 19 Creo Simulate Creo Simulate 与一般有限元分析方法的比较 一般有限元方法 20 Creo Simulate （以前称Mechanica） 有效性证明 21 证明数据来源 吉林大学机械学院工程力学结构分析室 研究员 张洪涛 注：此书非PTC公司赞助出版 22 序序 号号 方案方案 说明说明 1 试验研究 试验是一个非常有效的手段，通过试验可以增加我们对分析结 果的信心和分析精度的认识 2 解
8、析法计算 对这个简单问题，解析法很容易就可以得到理论解 3 Mechanica分析 利用Mechanica环境进行建模、分析，得到关心区域的应变值 等强度梁的例子 23 等强度梁的例子 试验法 24 等强度梁的例子 Mechanica 分析：3D CAD/CAE模型 25 砝码重量：505g 砝码个数：1 加载位置：D0最远端 强度结果：均值14.4MPa 等强度梁的例子 Mechanica 分析：分析结果 26 应力值 14.46 MPa 等强度梁的例子 解析法 27 加载加载 序号序号 加载位加载位 置点置点 砝码数量砝码数量 试验数据计算后得到试验数据计算后得到 的应力值的应力值/Mpa
9、 解析法计算的应力解析法计算的应力 值值/Mpa Mechanica计算的计算的 应力值应力值/Mpa 1 D0 1 14.91 14.46 14.36 2 D0 2 29.61 28.92 28.73 3 D0 3 44.52 43.38 43.09 等强度梁的结果对比 加载位置点加载位置点 砝码数量砝码数量 试验与解析法的应力值的相试验与解析法的应力值的相 对偏差（对偏差（%） Mechanica与解析法的应力值的相对与解析法的应力值的相对 偏差（偏差（%） D0 1 1.53 0.33 D0 2 1.18 0.33 D0 3 1.30 0.33 应力值相对偏差比较 试验、解析法、Mech
10、anica应力值对比 28 接触问题分析 29 接触问题分析 接触问题分析：MECHANICA结果 30 接触问题分析 接触问题分析： ANSYS结果 31 方案方案 最大位移最大位移(mm) 最大应力最大应力 （MPa） 备注备注 解析法计算 30.5 240.0 A悬臂梁模型 Mechanica悬臂梁验算 31.9 241.5 A悬臂梁模型 Mechanica接触 31.1 235.2 A/B接触模型 Ansys12经典环境接触 29.8 235.0 A/B接触模型 Ansys12 Workbench 接触 31.2 244.0 A/B接触模型 接触问题分析 Mechanica与解析法、A
11、nsys12的结果对比 “Mechanica接触计算非常高效，从建模到分析直接操 作Ansys12经典环境中接触区域的选取与创建、接触 相关参数的设置、载荷步的调整都需要花费更多的精力。 Ansys12 Workbench 不利于普遍应用。 通过对比，认为Pro/Mechanica对于我们需要处理的问 题提供了更高的效率和更大的方便性。” -摘自野火版4.0/5.0机械结构分析实战第32页 32 有效性证明之 结果准确性校验 33 分析结果准确性校验指南 MECHANICA提供校验样例，具体信息位于帮助文档的“校验指南”部分 34 分析结果准确性校验指南 静态分析校验的例子：3D 半球壳 35
12、 分析结果准确性校验指南 静态分析校验的例子（续）：3D 半球壳 Mechanica 36 经过著名的 MacNeal-Harder 有限元问题集的验证 A Proposed Standard Set of Problems to Test Finite Element Accuracy * 其他CAE软件也经过该问题集的验证 NASTRAN ANSYS ALGOR Creo Simulate 的结果与使用传统分析软件 (如 ANSYS、NASTRAN 和 NAFEMS) 获得的结果几乎一致，或与理论分析结果几乎一致。 * 参考 MacNeal, R.H., and Harder, R.L.
13、“A Proposed Standard Set of Problems to Test Finite Element Accuracy.“ Finite Elements in Analysis and Design I. Elsevier Science Publishers, 1985. Creo Simulate有效性证明 小结 37 典型用户案例 38 国外超过8,000家工业企业在产品研发中使用PTC仿真产品： 成功案例和用户列表 被广泛的客户使用和验证 2014 PTC 38 2014 PTC 2007 PTC BUSINESS INITIATIVE PTC Global Ser
14、vices Enhances Dynamic Behavior at Zeiss Optical Systems SOLUTION “The simulation service was delivered in high quality within the promised schedule. We appreciate the reliability of the performed work and the delivered simulation models as well as the ongoing excellent cooperation with our design t
15、eam.” Dirk Weisser, Head of Design Department, Carl Zeiss Optronics GmbH RESULT Aerospace & Defense Aerospace & Defense Carl Zeiss Optronics GmbH, located in Oberkochen, Germany, is a member of the Carl Zeiss group, a worldwide leading manufacturer of optical systems. Carl Zeiss Optronics is focused
16、 on high-precision and robust opto-electronic systems for observation and defense purposes. Carl Zeiss Optronics includes structural analysis and dynamic optimization very early in the product development process to assure that the optical systems fulfill the high standards regarding optical precision within a rough environment. To meet the very tough development schedule, PTC Global Service
