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1、第第8 8章章工程分析工程分析8.1 8.1 进入工程分析模块进入工程分析模块8.28.2施加约束施加约束8.3 8.3 施加载荷施加载荷8.4 8.4 静态有限元计算过程和后处理静态有限元计算过程和后处理8 8.5.5动态分析的前处理和显示计算结果动态分析的前处理和显示计算结果8.68.6有限元分析实例有限元分析实例习题习题工程分析指的是有限元分析，包括静态分析（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）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（）和自
2、由状态固有频率分析（FreeFrequencyAnalyses），前者在物体上施加一定约束，后者的物），前者在物体上施加一定约束，后者的物体没有任何约束，即完全自由。体没有任何约束，即完全自由。8.1进入工程分析模块进入工程分析模块1.进入工程分析模块前的准备工作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）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，加材质，见见4.7。（2）将显示模式设置为）将显示模式设置为Shading（着色）和（着色）和Materials（材料）（材料），这样才能看到形体的这样才能看到形体的应力和变形图，应力和变形图
3、，详见详见2.11.6。2.进入工程分析模块进入工程分析模块选选择择菜菜单单【Start】【Analysis&Simulation】【GenerativeStructuralAnalysis】弹弹出出图图8-1所所示示新新的的分分析析实实例例对话框。对话框。在在对对话话框框中中选选择择静静态态分分析析（StaticAnalyses）、限限制制状状态态固固有有频频率率分分析析（FrequencyAnalyses）还还是是自自由由状状态态固固有有频频率率分分析析（FreeFrequencyAnalyses），单单击击OK按按钮钮，将将开开始始一一个新的分析实例。个新的分析实例。图图8-1新的分析实
4、例对话框新的分析实例对话框3.有限元分析的过程有限元分析的过程有限元分析的一般流程为：有限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。）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。）在形体上施加约束。（3）在形体上施加载荷。）在形体上施加载荷。（4）计计算算（包包括括网网格格自自动动划划分分），解解方方程程和和生生成成应应力应变结果。力应变结果。（5）分析计算结果，单元网格、应力或变形显示。）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。）对关心的区域细化网格、重新计算。上上述述（1）（3）过过程程是是有有限限元元分分析析预
5、预（前前）处处理理，（4）是是计计算算过过程程，（5）、（6）是是有有限限元元后后处处理理。有限元文件的类型为有限元文件的类型为CATAnalysis。8.2施加约束施加约束1.夹紧约束夹紧约束该该约约束束施施加加于于形形体体表表面面或或边边界界，使使其其上上的的所所有有节节点点的的位位置置固固定定不不变变（三三个个平平移移自自由由度度全全部部约约束束）。施施加加夹夹紧紧约约束束的的过过程程是是：（1）单单击击该该图图标标，弹弹出出图图8-2所所示示夹夹紧紧约约束束对对话话框框。（2）选选择择约约束束对对象象（曲曲面面或或边边界界），例例如如选选择择形形体体的的一一个个表表面面，单单击击OK按
6、按钮钮。在在所所选选形形体体表表面面和和特特征征树树的的相相应节点处产生了夹紧约束标记，见图应节点处产生了夹紧约束标记，见图8-3。图图8-2夹紧约束对话框夹紧约束对话框图图8-3选择夹紧约束表面选择夹紧约束表面2表面滑动约束表面滑动约束该该约约束束施施加加于于形形体体表表面面，使使得得表表面面上上的的节节点点只只能能沿沿着着与与此此表表面面滑滑动动，而而不不能能沿沿此此表表面面有有法法线线方方向向的的运运动动。施施加加此此约约束束的的过过程程是是：（1）单单击击该该图图标标，弹弹出出与与图图8-2类类似似的的表表面面滑滑动动约约束束对对话话框框。（2）选选择择约约束束对对象象（形形体体表表面
7、面），单单击击OK按按钮钮。在在所所选选形形体体表表面面和和特特征征树树的的相相应应节节点点处处产产生生了了滑滑动动约约束束的的标标记，见图记，见图8-4。图图8-4选择滑动约束表面选择滑动约束表面3.高级约束高级约束该功能提供了对任意节点的该功能提供了对任意节点的（平移）自由度的约束控制。施加（平移）自由度的约束控制。施加此约束的过程是：（此约束的过程是：（1）单击该图）单击该图标标，弹出图弹出图8-5所示高级约束对话所示高级约束对话框。框。（2）选择约束对象（曲面或选择约束对象（曲面或棱边）。（棱边）。（3）选择坐标系类型，）选择坐标系类型，其中其中Implicit：隐含（局部）坐标：隐含
8、（局部）坐标系、系、Global：全局坐标系、：全局坐标系、User：用户定义坐标系。（用户定义坐标系。（4）选择要约）选择要约束的自由度（旋转自由度只对壳束的自由度（旋转自由度只对壳体单元或虚拟实体起作用），体单元或虚拟实体起作用），图图8-5高级约束对话框高级约束对话框例如约束图例如约束图8-6所示形体外棱边的所示形体外棱边的2（Y方向）和方向）和3（Z方方向）的平移自由度，第一自由度（向）的平移自由度，第一自由度（X方向）未被约束，方向）未被约束，因此因此X轴上无箭头。轴上无箭头。图图8-6选择棱边为高级约束选择棱边为高级约束4静态约束静态约束该该功功能能使使形形体体不不能能产产生生刚刚
9、体体运运动动，成成为为静静定定状状态态（约约束束平平移移和和旋旋转转自自由由度度）。操操作作步步骤骤是是：（1）单单击击图图标标，弹弹出出对对话话框框。（2）选选择择约约束束对对象象，同同时在形体附近显示静态约束标记时在形体附近显示静态约束标记。8.3施加载荷施加载荷1.均匀压力载荷均匀压力载荷该该载载荷荷施施加加于于曲曲面面或或平平面面，均均匀匀分分布布，方方向向为为表表面面的的法法向向方方向向。操操作作步步骤骤为为：（1）单单击击该该图图标标，弹弹出出图图8-7所所示示施施加加压压力力载载荷荷对对话话框框。（2）选选择择施施加加对对象象（表表面面）。（3）输输入入压力数值（压强），参照图压
10、力数值（压强），参照图8-8。图图8-7施加压力载荷对话框施加压力载荷对话框图图8-8选择施加均匀压力载荷的表面选择施加均匀压力载荷的表面2.分布力分布力、扭矩、扭矩和轴承载荷和轴承载荷该类载荷作用于点、表面或虚该类载荷作用于点、表面或虚拟单元，等价于节点上的力和力矩。拟单元，等价于节点上的力和力矩。施加方法是：（施加方法是：（1）单击图标）单击图标（或（或 、），弹出图），弹出图8-9所示所示施加载荷的对话框。（施加载荷的对话框。（2）选择施）选择施加对象（表面或棱边）。（加对象（表面或棱边）。（3）选）选择力的坐标系。（择力的坐标系。（4）输入力或力）输入力或力矩的大小和方向。图矩的大小和
11、方向。图8-10是在形是在形体的内孔处施加轴承载荷后的结果。体的内孔处施加轴承载荷后的结果。图图8-9 施加载荷的对话框施加载荷的对话框图图8-10施加轴承载荷施加轴承载荷3.加速度载荷（形体的重力）加速度载荷（形体的重力）该该功功能能提提供供了了施施加加惯惯性性力力或或重重力力的的方方法法。一一般般流流程程是是：（1）单单击击图图标标。（2）选选择择施施加加对对象象。（3）选选择择坐坐标标轴轴。（4）输输入入加加速速度度x、y、z方方向向载载荷的分量。荷的分量。4.离心（向心）力离心（向心）力定定义义由由于于旋旋转转产产生生的的离离心心力力。一一般般的的流流程程是是：（1）单单击击图图标标。
12、（2）选选择择形形体体。（3）选选择择旋旋转轴。（转轴。（4）输入角速度和角加速度值。）输入角速度和角加速度值。5.力密度力密度力力密密度度包包括括：线线密密度度力力 、面面密密度度力力 和和 体体密密度度力力 。是是施施加加于于直直线线、曲曲面面或或实实体体上上的的均均匀匀载载荷荷。一一般般流流程程是是：（1）单单击击力力密密度度图图标标。（2）选选择择施施加加对对象象(曲曲线线,表表面面或或形形体体)。（3）选选择择轴轴系系。（4）选选择择力力的的方方向向和和密密度度。（5）选选择择坐坐标标系系类类型型，其其中中：Implicit为为隐隐含含（局局部部）坐坐标标系系、Global为为全全局
13、坐标系、局坐标系、User为用户定义坐标系。为用户定义坐标系。6.位移载荷位移载荷该该载载荷荷在在前前面面施施加加的的约约束束基基础础上上给给定定强强制制位位移移，等等价价于于在在实体约束表面施加载荷，例如实体约束表面施加载荷，例如一个表面施加了夹紧（一个表面施加了夹紧（clamp）约束后可以给定此表面上的三个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。一般此表面施加了一定的载荷。一般的流程是：（的流程是：（1）单击该图标）单击该图标，弹出图弹出图8-11所示所示位移载荷对话位移载荷对话框框。（。（2）选择已施加的约束。选择已施加
14、的约束。（3）输入每个约束自由度的位）输入每个约束自由度的位移值，参照图移值，参照图8-12。图图8-11位移载荷对话框位移载荷对话框图图8-12在夹紧约束上施加位移载荷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静态有限元计算过程和后处理如如果果在在进进入入工工程程分分析析模模块块时时选选择择了了StaticAnalyses（见见图图8-1所所示示对对话话框框），在在确确定定了了约约束束条条件件和和施施加加载载荷荷之之后后就就可可以以进进行静态有限元计算和后处理工作。行静态有限元计算和后处理工作。例例如如上上述述零零件件的的底底部部选选择择了了夹夹紧紧约约束束，左左孔孔施施加加了
15、了X、Y分分量量均均为为-1000N的的轴轴承承载载荷荷，右右孔孔施施加加了了X分分量量为为1000N、Y分分量为量为-1000N的轴承载荷，见图的轴承载荷，见图8-13。图图8-13选择了夹紧约束和施加了轴承载荷的零件选择了夹紧约束和施加了轴承载荷的零件8.4.1计算计算1.确定存放计算数据和计算结果文件的的路径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：可以通过下面两种方法指定计算数据和结果存储路径：（1）选选择择图图标标，通通过过随随后后弹弹出出的的图图8-14所所示示的的确确定定存存储储路路径对话框输入计算数据和计算结果文件的的路径。径对话框
16、输入计算数据和计算结果文件的的路径。图图8-14确定存储路径对话框确定存储路径对话框（2）通通过过图图8-15特特征征树树LinksManager节节点点的的目目录录，双双击该目录的分支，即可更改存储路径。击该目录的分支，即可更改存储路径。图图8-15特征树的特征树的LinksManager节点节点2.启动有限元计算功能启动有限元计算功能单单击击该该图图，弹弹出出图图8-16所所示示有有关关计计算算的的对对话话框框，在在该该对对话话框框的的下下拉拉列列表表里里选选择择All，单单击击OK按按钮钮即即可可开开始始计计算算，完完成成计计算后，有关显示有限元分析结果的图标改变为可用的状态。算后，有关
17、显示有限元分析结果的图标改变为可用的状态。图图8-16有关计算的对话框有关计算的对话框8.4.2显示静态分析结果显示静态分析结果1.产生产生/显示自动划分的网格显示自动划分的网格单单击击该该图图标标，显显示示了了增增添添网网格格后后的的形形体体，网网格格是是CATIA自自动动划划分的，见图分的，见图8-17。图图8-17增添网格后的形体增添网格后的形体将将光光标标移移至至形形体体或或特特征征树树的的节节点点上上面面之之后后单单击击鼠鼠标标右右键键，在在随随后后弹弹出出的的上上下下文文相相关关菜菜单单中中选选择择【DeformedMeshobject】【Definition】，将将弹弹出出图图8
18、-18（a）所所示示控控制制网网格格效效果果的的对对话话框框。若若切切换换开开关关DisplayonDeformedMesh为为开开，显显示示变变形形后后的的形形体体，见见图图8-17，否否则则显显示示变变形形前前的的形形体体，见见图图8-18（b）。）。（a）（b）图图8-18控制网格效果的对话框控制网格效果的对话框1.冯米斯应力（冯米斯应力（Stress Von Mises）显示显示单单击击图图标标，显显示示了了冯冯米米斯斯应应力力图图，见见图图8-19。冯冯米米斯斯应应力力图图用用于于评评价价应应力力分分布布情情况况，右右面面是是CATIA自自动动生生成成的的调调色色板板，颜颜色色从从蓝
19、蓝到到红红，表表示示应应力力逐逐渐渐变变大大。当当鼠鼠标标指指向向节节点点时，显示此节点的冯米斯应力值。时，显示此节点的冯米斯应力值。图图8-19冯米斯应力图冯米斯应力图1.位移显示位移显示单单击击图图标标，显显示示了了位位移移图图，见见图图8-20。位位移移显显示示代代表表变变形形情情况况，也也是是用用颜颜色色代代表表位位移移值值，自自动动产产生生调调色色板板，代代表表一一定范围的位移值；鼠标在节点上，可显示此点的位移值。定范围的位移值；鼠标在节点上，可显示此点的位移值。图图8-20位移显示位移显示图图4.主应力张量显示主应力张量显示单单击击图图标标，显显示示了了主主应应力力张张量量图图，见
20、见图图8-21。该该功功能能显显示示节节点点处处应应力力张张量量的的符符号号，从从整整个个显显示示图图可可以以看看到到形形体体承承接接载荷的路径和状态，载荷的路径和状态，颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。图图8-21主应力张量显示图主应力张量显示图5.显示位移或应力的最大最小值显示位移或应力的最大最小值单单击击图图标标，可可以以在在位位移移或或应应力力图图上上标标注注位位移移或或应应力力的的最最大最小值，见图大最小值，见图8-22。图图8-22显示应力的最大最小值显示应力的最大最小值8.5动态分析的前处理和显示计算结果动态分析的前处理和显示计算结果如如果果在在进进
21、入入工工程程分分析析模模块块时时选选择择了了Frequency Analyses或或FreeFrequencyAnalyses（见见图图8-1所所示示对对话话框框），将将进进行行形形体体 的的 动动 态态 分分 析析。Frequency Analyses和和 Free FrequencyAnalyses都都是是形形体体的的固固有有频频率率分分析析，但但前前者者需需要要对对形形体体施施加加一一定的约束，后者完全自由。定的约束，后者完全自由。8.5.1动态分析前处理动态分析前处理1.施加约束施加约束动动态态分分析析中中约约束束有有clamp（夹夹紧紧）、SurfaceSlider（曲曲面面滑滑动动
22、）和和AdvancedRestraints（高高级级自自由由度度约约束束）三三种种类类型型。如如果果在在进进入入工工程程分分析析模模块块时时选选择择了了FrequencyAnalyses，就就需需要要对形体施加一定的约束，施加约束的方法同静态分析。对形体施加一定的约束，施加约束的方法同静态分析。2.附加质量附加质量通过通过Mass工具栏工具栏为形体附加质量。为形体附加质量。（1）附加分布质量）附加分布质量分分布布质质量量施施加加于于形形体体表表面面或或虚虚拟拟单单元元上上，代代表表着着节节点点上上的的附附加质量，计算中等价到各个节点之上。加质量，计算中等价到各个节点之上。单单击击图图标标，弹弹
23、出出图图8-23所所示示分分布布质质量量对对话话框框。选选择择形形体体表面、棱边或虚拟单元，表面、棱边或虚拟单元，在对话框中输入质量数值。在对话框中输入质量数值。例如选择了图例如选择了图8-24所示零所示零件的右孔表面，输入件的右孔表面，输入1kg的质量，单击的质量，单击OK按钮，按钮，结果见图结果见图8-24。图图8-23分布质量对话框分布质量对话框图图8-24施加分布质量后的零件施加分布质量后的零件（3）附加面质量密度）附加面质量密度以以单单位位面面积积的的方方式式为为形形体体附附加加质质量量。单单击击图图标标，弹弹出出与与图图8-25所所示示对对话话框框类类似似的的面面线线质质量量密密度
24、度对对话话框框。选选择择形形体体的表面，输入面质量密度数值即可。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上述约束施加方法和静态分析施加约束方法.8.5.2计算计算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）。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确定计算模态的最高阶数双击图双击图8-26(a)所示特征树上频率分析工况节点所示特征树上频率分析工况节点，弹弹出出图图8-26(b)所所示示频频率率参参数数对对话话框框，在在对对话话框框中中指指定定计计算算模模态的最高阶数，例如态的最高阶数，例如10。（a）（b）图图8
25、-26特征树和频率参数对话框特征树和频率参数对话框8.5.3显示动态分析结果显示动态分析结果1.冯米斯应力（冯米斯应力（Stress von Mises）显示显示单单击击图图标标，显显示示形形体体的的冯冯米米斯斯应应力力图图，见见图图8-27（a）。双双击击该该应应力力图图或或特特征征树树的的节节点点，将将弹弹出出图图8-27（b）所所示示图图像像编编辑辑对对话框。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。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）（b）图图8-27形体的冯米斯应力图和图像编辑对话框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）位
26、移显示（模态显示）单单击击该该图图标标，显显示示形形体体的的位位移移图图，见见图图8-28。双双击击该该应应力力图图或或特特征征树树的的节节点点，将将弹弹出出图图8-27（b）所所示示图图像像编编辑辑对对话话框框。通通过过该该对对话话框框选选择择不不同同的的频频率率阶阶数数，即即可可得得到到相相应应的的位位移移图图。图图8-28是频率阶数为是频率阶数为10时形体的位移图。时形体的位移图。图图8-28形体的位移显示图形体的位移显示图3.模态的动画显示模态的动画显示单单击击该该图图标标，弹弹出出图图8-29（b）所所示示动动画画窗窗口口。该该窗窗口口的的图图像像按按钮钮与与播播放放影影像像设设备备
27、的的按按钮钮用用法法相相同同。通通过过这这些些按按钮钮详详细地观察形体在不同时刻应力或位移的变化。细地观察形体在不同时刻应力或位移的变化。图图8-29动画窗口动画窗口8.6有限元分析实例有限元分析实例例例8-1以第以第4章建立的摇杆为例，演示有限元分析的过程。章建立的摇杆为例，演示有限元分析的过程。图图8-30摇杆摇杆1.进入有限元分析模块前的准备工作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）首先打开摇杆的三维形体文件YaoGan.CATPart，显示，显示了图了图8-30所示的摇杆。选择摇杆，单击图标所示的摇杆。选择摇杆，单击图标，在随后弹出在随后弹出的图的图8-31所
28、示材料库的【所示材料库的【Library】对话框中】对话框中选择选择Steel（钢）。（钢）。（2）（）（2）将显示模式设置为）将显示模式设置为。图图8-31【Library】对话框】对话框（3）选选择择菜菜单单【Start】【Analysis&Simulation】【General Structure Analysis】，在在图图8-1所所示示对对话话框框中中选选择择StaticAnalysis（静静态态分分析析），进进入入有有限限元元分分析析模模块块，将将产产生生一个新的一个新的CATAnalysis文件。文件。2.施加约束施加约束单单击击图图标标，选选择择摇摇杆杆中中心心孔孔，为为摇摇杆
29、杆施施加加滑滑动动约约束束，见见图图8-32。图图8-32在摇杆中心孔施加滑动约束在摇杆中心孔施加滑动约束单单击击图图标标 ，选选择择摇摇杆杆左左孔孔，为为摇摇杆杆施施加加夹夹紧紧约约束束，见图见图8-33。图图8-33在摇杆左孔施加夹紧约束在摇杆左孔施加夹紧约束3.单单击击图图标标、选选择择摇摇杆杆右右边边的的长长孔孔，在在分分布布载载荷荷对对话话框框内内输输入入X轴反方向、大小为轴反方向、大小为1500N的分布载荷，见图的分布载荷，见图8-34。图图8-34在摇杆右边的长孔施加载荷在摇杆右边的长孔施加载荷4.单单击击图图标标，通通过过图图8-15所所示示的的确确定定存存储储路路径径对对话话
30、框框输输入入计计算数据和计算结果文件的的路径。算数据和计算结果文件的的路径。5.单击图标单击图标 开始计算。开始计算。6显示分析结果显示分析结果单击图标单击图标 显示显示摇杆的摇杆的网格变形图，见图网格变形图，见图8-35。图图8-35摇杆网格变形图摇杆网格变形图习习题题1孔孔板板（取取四四分分之之一一）见见图图8-86，边边界界条条件件为为沿沿着着平平面面滑滑动动，作孔板受压力应力分析。作孔板受压力应力分析。图图8-862图图8-87为为球球冠冠受受力力图图，已已知知球球冠冠的的材材料料为为钢钢，F=3000N均均匀匀分布。作球冠应力和变形分析。分布。作球冠应力和变形分析。图图8-873钢材悬臂梁的尺寸见图钢材悬臂梁的尺寸见图8-88，做该悬臂梁的特征值分析。，做该悬臂梁的特征值分析。图图8-884四四边边刚刚性性固固定定的的方方形形板板，尺尺寸寸为为2002002.5。表表面面均均匀匀压压力力=1600N，材料为钢材，求解中心挠度。，材料为钢材，求解中心挠度。5图图8-89所所示示连连杆杆，材材料料为为钢钢材材，厚厚度度为为6mm，两两端端孔孔受受杆杆轴轴线方向压力线方向压力F=980N，求解应力和变形。，求解应力和变形。演讲完毕，谢谢观看！