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1、第6章 结构/热力分析传统的设计方法，常常使用大量的计算来确定零件的材料、尺寸、外形和截面形状等，使零件满足强度、刚度和疲劳强度的要求。这种验证零件是否满足力学要求的过程，就是在解决零件结构问题。零件的结构一直是零件设计中的重点。一个成功的结构设计不仅是让零件满足力学要求，还要使结构合理、质量轻、用料省。另外，某些零件还要满足导热、散热的需求。因此在设计中常常消耗较多时间对零件的力学和热力学性能进行计算和试验。Pro/ENGINEER的结构分析模块Pro/Mechanica是一个使用有限元法进行结构设计的模块，设计人员可以在此模块的协助下，得以更深入地了解产品力学和热力学性能，然后进行修正或优
2、化，不仅可缩短设计时间，也能有效地降低成本。 26.1 结构/热力分析概述6.1.1 Pro/Mechanica简介Pro/Mechanica是一个基于有限元法的软件。有限元法以弹性力学为基础，将一个连续系统(物体)分隔成有限个单元，对每一个单元给出一个近似解，再将所有单元按照一定的方式进行组合，来模拟或者逼近原来的系统或物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成一个离散的有限自由度问题分析求解的一种数值分析方法。 Pro/Mechanica包含以下两个模块。Pro/Mechanica Structure：专门用来进行零件和组件模式下的结构分析，其分析种类有静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分
3、析、预应力分析及振动分析等。Pro/Mechanica Thermal：专门用来进行零件和组件模式下的稳态和温度分布，也可以根据热力状态进行灵敏度分析和优化设计。36.1.2 进入和退出Pro/Mechanica模块在当前有一个零件或装配模型的前提下，可进入Pro/Mechanica模块，方法如下。(1)选择菜单栏 命令，弹出单位确认对话框，如图6-1所示。单击 接受当前单位设置。(2)在随后弹出的“模型类型”对话框中可以指定结构分析的类型，如图6-2所示。 (3)单击 进入结构模块集成模式界面，此时Pro/ENGINEER右工具栏出现结构模块的按钮，同时菜单栏中 菜单也出现关于结构模块的命令
4、，如图6-3所示。46.1.3 结构分析的一般步骤进行结构分析的一般步骤如图6-4所示。1. 创建模型2. 分析模型3. 定义设计变更4. 优化分析研究5. 升级模型56.2 设置单位和材料6.2.1 设置单位66.2.2 设置材料在第2章提供的零件模板中，我们设置了缺省材料为钢，使用此模板创建的零件进入到Pro/Mechanica里来做分析时，其材料属性也随之继承过来。若要在进入Pro/Mechanica后指定或改变零件的材料属性，可先单击右工具栏按钮，弹出“材料”窗口，如图6-6所示。 76.3 定 义 约 束“约束”是根据工程的实际情况，对结构的点、线、面的自由度所做的限定。处于工作状态
5、的零件，其自由度可能被限制一部分，也可能被全部限制，因此在进行结构分析之前，应至少定义一个约束以限制零件的某些自由度。在Pro/Mechanica的结构分析中的约束类型有：点约束、线约束、面约束、镜像约束和圆周对称约束。86.3.1 点、线、面约束点、线、面约束在Pro/Mechanica中通称为位移约束，它们是最基本的约束类型，也是实际应用中最常用到的。单击右工具栏按钮，弹出Constraint对话框，如图6-10所示。 建立约束后，在视图区域会显示出约束的符号，如图6-11所示。 96.3.2 镜像约束和圆周对称约束镜像约束和圆周对称约束统称为对称约束。对具有对称结构的模型，对称约束允许只
6、分析其中的一部分，这样可以减少网络面和分析的时间。不过，参与分析的模型必须严格具有以下特性，才能采用对称约束：模型几何上必须严格对称。载荷要对称。其他约束要对称。材料属性要相同。1. 镜像约束2. 圆周对称约束106.4 定 义 载 荷载荷(load)是施加到整个或部分结构的力、压强、数度、加速度或力矩。它和约束一样，也是进行结构分析必不可少的重要依据，载荷的大小直接影响着零件的应力和变形等。在分析之前，至少应在模型的1个区域上定义载荷。在Pro/Mechanica的结构分析中提供多种形式的载荷来模拟真实的受载情况，可选择的载荷类型有下列几种：点、线、面载荷，压强载荷，轴承载荷，重力载荷，离心
7、力载荷，全局温度载荷。116.4.1 点、线、面载荷点、线、面载荷可用来表示零件上点、线、面受力或力矩的大小和方向。在Pro/Mechanica结构分析中单击右工具栏按钮，弹出Force/Moment Load对话框，如图6-16所示。 在Properties选项组中选择用于确定载荷方向的参考坐标系。在Force中可设置力的大小，分别输入X、Y、Z方向的值，负值代表负方向的力，最终的受力是三个矢量的合成。在Moment中定义力矩，方法与定义力相同。单击，可预览力的大小和方向。126.4.2 压强载荷压强是零件单位面积上所受力的大小，因此压强的受载对象只能是表面。在Pro/Mechanica结构
8、分析中单击右工具栏按钮，弹出Pressure Load对话框，如图6-17所示。此时在模型上选取一个要施加压强载荷的表面，选取后按鼠标中键确认。在Value文本框中输入压强的值。有时某个面的压强值并不是固定的，而是在某个方向上成规律变化，如水的压强随深度变化等。若要模拟这类压强，可单击按钮，在显示的选项中选择Function Of Coordinates，并设置一个函数关系来规定压强的变化规律。步骤如图6-18所示。136.4.3 轴承载荷轴的径向力传达到轴承内孔时，轴承内孔表面受到的是一个非均匀的力，并且内孔表面上每一点力的方向都在此点的法线方向上，如图6-19所示。Pro/Mechanic
9、a的轴承载荷就是专门用来模拟类似轴承径向力的载荷类型。单击，系统将在图形上用箭头表示零件所受力的大小和方向，如图6-20所示。146.4.4 重力载荷在结构分析模块，单击右工具栏按钮，弹出Gravity Load对话框。重力载荷的作用对象是当前的整个模型，因此无须指定任何作用元素。定义时需指定参考坐标系和重力加速度的值，图6-21中使用缺省的WCS坐标系，定义Z方向值为-9810，代表重力加速度为9810mm/sec2，方向指向WCS坐标系Z坐标的负方向。单击，可预览重力加速度的方向是否正确。完成重力载荷定义后，在零件的图形上将显示重力载荷的符号。156.4.5 离心力载荷在结构分析模块，单击
10、右工具栏按钮，弹出Centrifugal Load对话框，如图6-22所示。离心力载荷的作用对象也是当前的整个模型，无须指定作用元素。在Rotation Origin and Coordinate System中选择用于确定旋转方向的参考坐标系。在Angular Velocity中可设置绕某一坐标轴旋转的角速度，单位是弧度/秒。在Angular Acceleration中可设置绕某一坐标轴旋转的角加速度，单位是弧度/秒2。单击，系统将在图形上用箭头表示零件的旋转轴。成离心力载荷定义后，在零件的图形上将显示离心力载荷的符号。166.4.6 全局温度载荷在结构分析模块，单击右工具栏按钮，弹出Glo
11、bal Temperature对话框，如图6-23所示。该载荷是针对全局的，因此不需要指定模型。在Model Temperature文本框中输入模型温度的值，在Reference Temperature文本框中输入参考温度的值，即零件零应力时的温度。系统将根据模型目前温度与零应力时温度的差值计算出零件的应力和应变等。176.5 连 接 对有时被分析的对象并不是一个单一的零件，它可能是由多个零件装配成的组件，也可能是由多个不连接的体积块组成的零件，这些零件之间的连接方式可能是接触的、焊接的或螺栓紧固的。因此在有多个零件存在时，要获得正确的分析结果，必须在结构分析中设置连接对，来帮助系统确认这些连
12、接的形式。186.5.1 刚性连接在结构分析模块，单击右工具栏按钮，弹出Rigid Link Definition对话框，如图6-24所示。同时选取要连接的两个面(也可以是线或点)，按鼠标中键确认，图示的两个零件上的内孔表面将被刚性连接在一起。单击即创建了刚性连接。196.5.2 焊接连接在Pro/Mechanica中提供了三种形式的焊接连接，分别是End Weld(端焊接)、Perimeter Weld(周围焊接)和Spot Weld(点焊接)。进入结构分析模块后，单击右工具栏按钮，弹出“焊缝定义”对话框，如图6-25所示。首先要选择焊接的形式，然后根据不同焊接形式再定义被焊接的元素。1.
13、端焊接2. 周围焊接3. 点焊接206.5.3 紧固件紧固件连接可以模拟被螺栓固定在一起的两个零件，它只能在对组件进行结构分析时被定义。从组件模式进入结构分析模块后，单击右工具栏按钮，弹出Fastener Definition对话框。其中提供了Simple(简单)和Advanced(高级)两种类型的紧固件。1. 简单型紧固件2. 高级型紧固件216.5.4 接触连接接触连接用于模拟两个互相接触但并不固定在一起的表面。两个相互接触的零件是独立的，但可通过接触区域传递载荷。创建接触连接的两个面并不一定全部接触在一起，也可以是部分接触，而其他部分在运动或变形的过程中有接触的可能性，如球面和平面的接触
14、。在结构分析模块，单击右工具栏按钮，弹出Contact Definition对话框，如图6-32所示。同时选取要接触的两个面，按鼠标中键确认。单击即创建了接触连接。226.6 热力学中的边界条件和热载荷前面介绍的约束和载荷都是在Pro/Mechanica结构分析模块中设定的，用于获取零件的力学性能。若要分析零件的导热、散热等热力学性能则需要进入Pro/Mechanica的热力学模块。要进入热力学模块可在进入Pro/Mechanica时的“模型类型”对话框内选择类型为Thermal，若已进入了结构模块(Structure)，可选择菜单栏 ，弹出“模型类型”对话框，重新设置模型类型为Thermal
15、即可。同结构分析一样，热力学在分析前也要对模型的工作条件进行设定，边界条件与结构分析中的约束相似，但指定的是热传导条件而不是自由度；热载荷与结构分析中的载荷相似，但指定的是热量而不是力或压强。236.6.1 热载荷热载荷分为点热载荷、边/曲线热载荷、面热载荷和体积热载荷。这些载荷只需制定受载的元素和热量即可。在热力学模块的右工具栏，单击的黑色箭头可弹出四种热载荷的设定按钮，如图6-33所示。点、线、面载荷的设定方式相似，不同之处仅仅是指定的元素类型不同。体积热载荷略有不同，它用来制定单位体积下的热变化，其输入的单位是N/(mm2s)。热量值代表热载荷的大小，若输入的值是正值，表示增加的是热源，
16、零件受热；若输入的值是负值，表示增加的是吸热器，零件失热。246.6.2 边界条件1. 规定温度规定温度用于固定某一图元的温度，如开水壶与沸水接触的内表面温度为100。可以针对点、线或面设定规定温度，设定的温度可以是一个固定值，也可以是随时间变化的。 2. 对流在热力学模块中可设定点热对流、边、曲线热对流、面热对流。热对流用于为几何元素定义一个线形对流热交换条件。零件表面与空气或水的热交换通常使用对流来设定。3. 对称约束热力学模块的对称约束相当于机构模块的圆周对称约束，定义方法也相同，它允许我们只分析对称的部分以减少网络面和分析的时间。 256.7 分析和设计研究分析和设计研究是Pro/Me
17、chanica的两大计算工作。分析可获得零件对外部条件的反应，可以研究零件的强度、刚度、疲劳强度或温度等；设计研究可研究零件的尺寸变量对分析结果的影响程度并按某一目标进行优化。266.7.1 定义分析276.7.2 获取结果进行分析或设计研究后，可选择要查看结果的项目，单击按钮查看计算结果。在显示结果之前，需要定义显示结果的参考、类型、形式等，不同的分析和研究要定义的内容有一定差异。以静态分析为例，结果定义对话框如图6-42所示。在Display type下拉列表框中可定义显示类型，分别是：Fringe(边缘)、Vectors(矢量)、Graph(图形)、Model(模型)。如图6-43所示选
18、择合适的类型可方便观察。286.7.3 设计研究在Pro/Mechanica中提供了三种类型的设计研究，分别是：基本设计研究(Standard Design Study)、灵敏度研究(Sensitivity Design Study)和优化设计研究(Optimization Design Study)。1. 基本设计研究2. 灵敏度研究(1) 局部灵敏度分析(2) 全局灵敏度分析3. 优化设计研究296.8 结构分析实例一背景：背景：某电子设备中需要一种支架，如图6-53所示。该支架由两部分组成，支架下部固定在设备上的某部件上，且形状尺寸固定，仅可改变与上部连接的螺栓孔个数；支架上部承受不大于
19、17N的压力，上下两部分用M3的螺栓连接。要求对支架的上部分进行设计，评估2个螺栓强度是否够用，若不够则改为3个螺栓连接。此外，零件的最大变形不得大于0.24mm，并使零件的重量尽可能轻以减少材料使用。可改变的设计尺寸如图6-54所示，此零件用2mm热轧钢板冲压而成，折合安全系数的许用应力为45MPa。306.8 结构分析实例一第一阶段：2螺栓连接结构的静态分析步骤1：准备模型步骤2：分配材料步骤3：定义螺栓连接步骤4：定义约束步骤5：定义载荷步骤6：分析模型步骤7：获取结果316.8 结构分析实例一第二阶段：3螺栓连接结构的静态分析步骤1：准备模型步骤2：分配材料、定义螺栓连接、定义约束和载
20、荷并进行静态分析步骤3：获取结果第三阶段：灵敏度研究步骤1：局部灵敏度分析步骤2：全局灵敏度分析第四阶段：优化设计326.9 结构分析实例二背景：背景：假定你是某机械加工企业的技术人员，该企业接到某设备厂的外协加工订单，要求按图纸长期加工一种设备的连杆，如图6-76所示。对方仅提供图纸，而工艺路线的制定、毛坯的制备和零件加工都是在你所在的企业完成。经过一段时间的努力，第一批零件按时交货。336.9 结构分析实例二第一阶段：静态分析步骤1：准备模型步骤2：切除对称模型步骤3：分配材料步骤4：定义约束步骤5：定义载荷步骤6：分析模型应力第二阶段：疲劳分析346.10 热力学分析实例背景：背景：某企业要设计一种电子设备并投入批量生产，设备上使用的一种大功率三极管及其散热片装配结构如图6-88所示。三极管满载时发热功率10W，散热片的材料为铝，正面形状如图6-89所示，环境温度最高不超过40。此三极管需要在70以下工作，使用Pro/Mechanica的热力学分析来判断此散热片能否满足散热要求。步骤1：准备模型步骤2：分配材料步骤3：定义热载荷步骤4：定义热对流步骤5：稳态热力分析35
