CATIA有限元分析计算实例_完整版

CATIA有限元分析计算实例

CATIA有限元分析计算实例

11.1例题1 受扭矩作用的圆筒

11.1－1划分四面体网格的计算

（1）进入【零部件设计】工作台

启动CATIA软件。单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项，如图11－1所示，进入【零部件设计】工作台。

图11－1单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项

单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Part1】。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。

（2）进入【草图绘制器】工作台

在左边的模型树中单击选中【xy平面】, 如图11-3所示。单击【草图编辑器】工具栏内的【草图】按钮，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】工作台。

图11－2【新建零部件】对话框

图11－3单击选中【xy平面】

（3）绘制两个同心圆草图

点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮，如图11-5所示。在原点点击一点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。用同样分方法再绘制一个同心圆，如图11-6所示。

图11－4【草图编辑器】工具栏

图11－5【轮廓】工具栏

下面标注圆的尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮，如图11-7所示。点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所示。

图11－6两个同心圆草图

图11－7【约束】工具栏

双击一个尺寸线，弹出【约束定义】对话框，如图11－9所示。在【直径】数值栏内输入100mm，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为

100mm。用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的圆如图11-10所示。

图11－8标注直径尺寸的圆草图

图11－9【约束定义】对话框

（4）离开【草图绘制器】工作台

点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮，如图11-11所示。退出【草图绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。

图11－10修改直径尺寸后的圆

图11－11【工作台】工具栏

（5）拉伸创建圆筒

点击【基于草图的特征】工具栏内的【凸台】按钮，如图11-12所示。弹出【凸台定义】对话框，如图11-13所示。在【第一限制】选项组内的【长度】数值栏内输入50mm，点击对话框内的【确定】按钮，生成一个圆筒体，如图11-14所示。在左边的模型树上出现【填充器.1】元素。

图11－12【基于草图的特征】工具栏

图11－13【凸台定义】对话框

（6）对零件赋予材料属性

在左边的模型树中点击选中零件名称【Part1】，如图11-15所示。点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮，如图11-16所示。先弹出一个【打开】

警告消息框，如图11-16所示，这是因为使用简化汉字界面，但没有相应的简化汉字材料库造成的，点击警告消息框内的【确定】按钮，关闭消息框。弹出【库（只读）】对话框，如图11-18所示。点击【Metal】（金属）选项卡，在列表中选择【Steel】（钢）材料。点击对话框内的【确定】按钮，将钢材料赋予零件。

图11－14拉伸创建的一个圆筒体

图11－15选中的零件名称【Part1】

图11－16【应用材料】工具栏图11－17【打开】警告消息框

图11－18【库（只读）】对话框

如果对软件内钢铁材料的属性不了解，可以查看定义的材料属性，也可以修改材料属性参数。在左边的模型树上双击材料名称【Steel】，如图11-19所示。弹出【属性】对话框，如图11-20所示。

图11－19材料名称【Steel】图11－20【属性】对话框

（7）进入【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）工作台

点击菜单中的【开始】→【分析与模拟】→【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）选项，如图11-21所示。点击后进入了【高级网格划分工具】工作台。进入工作台后，生成一个新的分析文件，并且弹出一个【新分析算题】对话框，如图11－22所示。点击后，在对话框内选择【Static Analysis】（静态分

析算题），然后点击【确定】按钮。

图11－21【开始】→【分析与模拟】→【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）选项

点击【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏内的【Octree Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分）按钮，如图11－23所示。需要在【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏内点击中间按钮的下拉箭头才能够显示出【Octree Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分）按钮。

图11－22【新分析算题】对话框图11－23【Meshing Method】(网格划分方法)工具栏

在图形区左键点击选择圆筒三维实体模型，如图11－24所示。选择实体后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分器）对话框，如图11-25所示。

点击【Global】（全局）选项卡，在【Size】（尺寸）栏内输入5mm作为网格的尺寸；点击选中【Absolute sag】（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入

0.5mm；在【Element type】（单元类型）选项区内选中【Paraboic】二次单元。点击对话框内的【确定】按钮，完成设置，关闭对话框。

图11－24选择圆筒三维实体模型

图11－25【OCTREE Tetrahedron Mesher】（Octree 四面体网格划分器）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，如图11-26所示。在弹出的右键快捷菜单中选择【Update Mesh】（更新网格）选项，如图11-27所示。程序开始划分网格，划分后的四面体网格如图11-28所示。

图11－26右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素

图11－27选择【Update Mesh】（更新网格）选项

（8）进入【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）工作台

点击主菜单中的【开始（S）】→ 【分析与模拟】→【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）选项，如图11-29所示，进入【创成式结构分析】工作台。

图11－28划分后的四面体网格

图11－29点击【开始（S）】→ 【分析与模拟】→【Generative Structural Analysis】（创成式结构分析）选项

（9）指定3D属性

点击【Model Manager】（模型管理器）工具栏内的【3D Property】（三维属性）按钮，如图11－30所示。点击后弹出【3D Property】（三维属性）对话框，如图11-31所示。在左边的模型树上点击选择【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，将3D属性指定到三维零件上。

图11－30【Model Manager】（模型管理器）工具栏

图11－31【3D Property】（三维属性）对话框

（10）设置固支边界条件

点击【Restraints】（约束）工具栏内的【Clamp】（固支）按钮，如图11－32所示。在图形区选择圆筒体的一个底面，如图11－33所示。弹出【Clamp】（固支）对话框，如图11-34所示。点击对话框内的【确定】按钮，对圆筒体的一个底面增加了固支约束。

图11－32【Restraints】（约束）工具栏

图11－33

图11－34【Clamp】（固支）对话框

（11）对圆筒施加扭矩

点击【Loads】（载荷）工具栏内的【Moment】（扭矩）按钮，如图11－35所示。弹出【Moment】（扭矩）对话框，如图11－36所示。在【Moment Vector】（扭矩分量）选项区内的【Z】数值栏内输入100Nxm，即设置扭矩z方向的分量为100Nxm。在图形区点击选择圆筒的内表面，如图11－37所示，即设置内表面上的扭矩为100Nxm。点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框。

图11－35【Loads】（载荷）工具栏

图11－36【Moment】（扭矩）对话框

同理，用同样的方法设置圆筒的外表面，对外部施加相反方向的扭矩，即要把z方向的扭矩设置为－100Nxm。设置完成后，显示的模型如图11－38所示。

图11－37图11－38添加两个扭矩和固支约束后的模型

（12）计算模型

点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute】（计算）按钮，如图11－39所示。弹出【Compute】（计算）对话框，如图11-40。点击勾选【Preview】（预览）选项，点击对话框内的【确定】按钮，开始计算分析。点击后

会弹出两个对话框，一个是【Computing】（正在计算）进程显示框，如图11－41所示，显示计算进程；另外一个是【Computation】（计算）框，显示当前的计算步骤和已经使用的计算时间，如图11－42所示。

图11－39【Compute】（计算）工具栏

图11－40【Compute】（计算）对话框

图11－41【Computing】（正在计算）进程显示框

图11－42【Computation】（计算）框

当计算进程把网格划分完毕，并计算完成刚度矩阵后，会弹出一个【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框，如图11－43所示，显示需要的CPU时间、需要的内存、需要的硬盘储存量，并且询问用户是否继续计算，如果点击【No】（否）按钮，则退出计算，如果点击【Yes】

（是）按钮，则计算继续。如果用户在图11－40【Compute】（计算）对话框内未选中【Preview】（预览）选项，则不会弹出【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框，直接运行计算。对于比较复杂的结构，计算时间比较长时，建议用户选中该选项，这样可以大致了解算题所需要的时间和计算机资源，用户自己也估算，计算机配置是否能够满足要求。点击对话框内【Yes】（是）按钮，继续计算。程序重新弹出【Computing】（正在计算）进程对话框，此时，如果用户想终止计算，仍然可以点击该对话框内的【取消】按钮，取消计算过程。

图11－43【Computation Resource Estimation】（计算资源估计）对话框

（10）显示模型计算结果

在左边的模型树中鼠标右击【Static Case Solution.1】，如图11－44所示。在出现的菜单中选择【Generate Image】（生成图像）选项，如图11-45。选择后弹出【Image Generation】（图像生成）对话框，如图11－46所示。在对话

框内选择【Stress full tensor component】（应力张量的分量）选项，选择后，出现应力张量图像，如图11－47所示。

图11－44右击【Static Case Solution.1】

图11－45选择【Generate Image】（生成图像）选项

图11－46【Generate Image】（生成图像）选项

图11－47应力张量图

应力张量图中，含有网格、边界条件，同时未显示为彩色，下面对图像进行修改。

在图像区或者模型树上点击选中固支约束和扭矩载荷名称或者符号，然后在【视图（v）】工具栏内点击【隐藏/显示】按扭，如图11－48所示。将固支边界条件、扭矩载荷条件隐藏起来。

将图例移动到图形旁边。在图例上点击左键，然后在图例上按下中间键不松开，即可移动图例。移动到合适位置后，再点击左键。图形区重新处于激活状态。

在【视图（v）】工具栏内点击【带材料着色】按扭，如图11－49所示，显示材料。最终修改后显示的应力张量图如图11－50所示。

图11－48【视图（v）】工具栏内

图11－49【视图（v）】工具栏内点击【带材料着色】按扭

图11－50修改后显示的应力张量图

下面将圆筒剖开，查看其内部应力分布情况。点击【Analysis Tools】（分析工具）工具栏内的【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）按钮，如图11－51所示。弹出【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）对话框，如图11－52所示，不选中对话框内的【Show cutting plane】（显示剖切面）选项，在图形区不显示出剖切面。同时在图形区显示罗盘，用户可以操作罗盘，对应力分布图进行不同方向的剖切，如图11－53所示。

图11－51【Analysis Tools】（分析工具）工具栏

图11－52【Cut Plane Analysis】（剖切平面分析）对话框

图11－53剖切的应力分布图

（13）修改网格的参数

从图中可以看出，圆筒内部的应力较高。为了使计算结果更加准确，对圆筒内壁的有限元网格进行细化处理。在左边的模型树上双击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，如图11-54所示。双击后弹出【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框，如图11－55所示。点击【Local】（局部）选项卡，在【Available specs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Local size】（局部尺寸）选项，然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【Local Mesh Size】（局部网格尺寸）对话框，如图11－56所示。在【Value】（数值）栏内输入2mm，在图形区选择圆筒的内表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框。

图11－54双击的【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素

图11－55【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框

图11－56【Local Mesh Size】（局部网格尺寸）对话框

在【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框内，在【Available specs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Local sag】（局部垂度）选项，如图11－57所示。然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【Local Mesh Sag】（局部网格垂度）对话框，如图11－58所示。在【Value】（数值）栏内输入2mm，在图形区选择圆筒的内表面，然后点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，返回到【OCTREE Tetrahedron Mesh】对话框。

图11－57选择【Local sag】（局部垂度）选项

图11－58【Local Mesh Sag】（局部网格垂度）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【Update Mesh】（更新网格）选项。程序开始划分网格，重新划分后的四面体网格如图11-59所示，可以看到，圆筒内壁的网格明显比其它部分细化。

图11－59重新划分后的四面体网格

点击【Compute】（计算）工具栏内的【Compute】（计算）按钮。弹出【Compute】（计算）对话框，开始进行计算。重新计算的应力张量结果如图11－60所示。应力值有所提高。