1、8.1 進(jìn)入工程分析模塊 8.2 施加約束 8.3 施加載荷 8.4 靜態(tài)有限元計(jì)算過(guò)程和后處理 8.5 動(dòng)態(tài)分析的前處理和顯示計(jì)算結(jié)果 8.6有限元分析實(shí)例 習(xí)題,工程分析指的是有限元分析，包括靜態(tài)分析（Static Analyses）和動(dòng)態(tài)分析。動(dòng)態(tài)分析又分為限制狀態(tài)固有頻率分析（Frequency Analyses）和自由狀態(tài)固有頻率分析（Free Frequency Analyses），前者在物體上施加一定約束，后者的物體沒(méi)有任何約束，即完全自由。8.1 進(jìn)入工程分析模塊1. 進(jìn)入工程分析模塊前的準(zhǔn)備工作（1）在三維實(shí)體建模模塊建立形體的三維模型，為三維形體添加材質(zhì)，見(jiàn)4.7。（2）將

2、顯示模式設(shè)置為Shading（著色）和Materials（材料），這樣才能看到形體的應(yīng)力和變形圖，詳見(jiàn)2.11.6。,2. 進(jìn)入工程分析模塊 選擇菜單【Start】【Analysis & Simulation】【Generative Structural Analysis】彈出圖8-1所示新的分析實(shí)例對(duì)話框。 在對(duì)話框中選擇靜態(tài)分析（Static Analyses）、限制狀態(tài)固有頻率分析（Frequency Analyses）還是自由狀態(tài)固有頻率分析（Free Frequency Analyses），單擊OK按鈕，將開(kāi)始一個(gè)新的分析實(shí)例。 圖8-1新的分析實(shí)例對(duì)話框,有限元分析的過(guò)程 有限元分

3、析的一般流程為： （1）從三維實(shí)體建模模塊進(jìn)入有限元分析模塊。 （2）在形體上施加約束。 （3）在形體上施加載荷。 （4）計(jì)算（包括網(wǎng)格自動(dòng)劃分），解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。 （5）分析計(jì)算結(jié)果，單元網(wǎng)格、應(yīng)力或變形顯示。 （6）對(duì)關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格、重新計(jì)算。 上述（1）（3）過(guò)程是有限元分析預(yù)（前）處理，（4）是計(jì)算過(guò)程，（5）、（6）是有限元后處理。有限元文件的類(lèi)型為 CATAnalysis。,8.2 施加約束 1. 夾緊約束 該約束施加于形體表面或邊界，使其上的所有節(jié)點(diǎn)的位置固定不變（三個(gè)平移自由度全部約束）。施加夾緊約束的過(guò)程是：（1）單擊該圖標(biāo)，彈出圖8-2所示夾緊約束對(duì)話框。（2

4、）選擇約束對(duì)象（曲面或邊界），例如選擇形體的一個(gè)表面，單擊OK按鈕。在所選形體表面和特征樹(shù)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了夾緊約束標(biāo)記，見(jiàn)圖8-3。 圖8-2夾緊約束對(duì)話框,圖8-3選擇夾緊約束表面,2 表面滑動(dòng)約束 該約束施加于形體表面，使得表面上的節(jié)點(diǎn)只能沿著與此表面滑動(dòng)，而不能沿此表面有法線方向的運(yùn)動(dòng)。施加此約束的過(guò)程是：（1）單擊該圖標(biāo)，彈出與圖8-2類(lèi)似的表面滑動(dòng)約束對(duì)話框。（2）選擇約束對(duì)象（形體表面），單擊OK按鈕。在所選形體表面和特征樹(shù)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了滑動(dòng)約束的標(biāo)記，見(jiàn)圖8-4。 圖8-4選擇滑動(dòng)約束表面,3. 高級(jí)約束 該功能提供了對(duì)任意節(jié)點(diǎn)的 （平移）自由度的約束控制。施加 此約束的過(guò)

5、程是：（1）單擊該圖 標(biāo)，彈出圖8-5所示高級(jí)約束對(duì)話 框。（2）選擇約束對(duì)象（曲面或 棱邊）。（3）選擇坐標(biāo)系類(lèi)型， 其中Implicit：隱含（局部）坐標(biāo) 系、Global：全局坐標(biāo)系、User： 用戶(hù)定義坐標(biāo)系。（4）選擇要約 束的自由度（旋轉(zhuǎn)自由度只對(duì)殼 體單元或虛擬實(shí)體起作用）， 圖8-5高級(jí)約束對(duì)話框,例如約束圖8-6所示形體外棱邊的2（Y方向）和3（Z方 向）的平移自由度，第一自由度（X方向）未被約束， 因此X軸上無(wú)箭頭。 圖8-6 選擇棱邊為高級(jí)約束,4靜態(tài)約束 該功能使形體不能產(chǎn)生剛體運(yùn)動(dòng)，成為靜定狀態(tài)（約束平移和旋轉(zhuǎn)自由度）。操作步驟是：（1）單擊圖標(biāo) ，彈出對(duì)話框。（2）

6、選擇約束對(duì)象，同時(shí)在形體附近顯示靜態(tài)約束標(biāo)記 。,8.3 施加載荷 1. 均勻壓力載荷 該載荷施加于曲面或平面，均勻分布，方向?yàn)楸砻娴姆ㄏ蚍较?。操作步驟為：（1）單擊該圖標(biāo) ，彈出圖8-7所示施加壓力載荷對(duì)話框。（2）選擇施加對(duì)象（表面）。（3）輸入壓力數(shù)值（壓強(qiáng)），參照?qǐng)D8-8。 圖8-7施加壓力載荷對(duì)話框,圖8-8 選擇施加均勻壓力載荷的表面,2. 分布力 、扭矩 和軸承載荷 該類(lèi)載荷作用于點(diǎn)、表面或虛 擬單元，等價(jià)于節(jié)點(diǎn)上的力和力矩。 施加方法是：（1）單擊圖標(biāo) （或 、 ），彈出圖8-9所示 施加載荷的對(duì)話框。（2）選擇施 加對(duì)象（表面或棱邊）。（3）選 擇力的坐標(biāo)系。（4）輸入力或力

7、 矩的大小和方向。圖8-10是在形 體的內(nèi)孔處施加軸承載荷后的結(jié)果。 圖8-9 施加載荷的對(duì)話框,圖8-10施加軸承載荷,3.加速度載荷（形體的重力） 該功能提供了施加慣性力或重力的方法。一般流程是：（1）單擊圖標(biāo) 。（2）選擇施加對(duì)象。（3）選擇坐標(biāo)軸。（4）輸入加速度x、y、z方向載荷的分量。 4. 離心（向心）力 定義由于旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。一般的流程是：（1）單擊圖標(biāo) 。（2）選擇形體。（3）選擇旋轉(zhuǎn)軸。（4）輸入角速度和角加速度值。,5. 力密度 力密度包括： 線密度力 、 面密度力 和 體密度力 。是施加于直線、曲面或?qū)嶓w上的均勻載荷。一般流程是：（1）單擊力密度圖標(biāo)。（2）選擇施加

8、對(duì)象(曲線,表面或形體)。（3）選擇軸系。（4）選擇力的方向和密度。（5）選擇坐標(biāo)系類(lèi)型，其中：Implicit為隱含（局部）坐標(biāo)系、Global為全局坐標(biāo)系、User為用戶(hù)定義坐標(biāo)系。,6. 位移載荷 該載荷在前面施加的約束基礎(chǔ)上給定強(qiáng)制位移，等價(jià)于在實(shí)體約束表面施加載荷，例如 一個(gè)表面施加了夾緊（clamp） 約束后可以給定此表面上的三個(gè) 平移位移一定的數(shù)值，相當(dāng)于對(duì) 此表面施加了一定的載荷。一般 的流程是：（1）單擊該圖標(biāo)， 彈出圖8-11所示位移載荷對(duì)話 框。（2）選擇已施加的約束。 （3）輸入每個(gè)約束自由度的位 移值，參照?qǐng)D8-12。 圖8-11位移載荷對(duì)話框,圖8-12在夾緊約束上

9、施加位移載荷,8.4 靜態(tài)有限元計(jì)算過(guò)程和后處理 如果在進(jìn)入工程分析模塊時(shí)選擇了Static Analyses（見(jiàn)圖8-1所示對(duì)話框），在確定了約束條件和施加載荷之后就可以進(jìn)行靜態(tài)有限元計(jì)算和后處理工作。 例如上述零件的底部選擇了夾緊約束，左孔施加了X、Y分量均為-1000N的軸承載荷，右孔施加了X分量為1000N、Y分量為-1000N的軸承載荷，見(jiàn)圖8-13。 圖8-13選擇了夾緊約束和施加了軸承載荷的零件,8.4.1計(jì)算 1. 確定存放計(jì)算數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果文件的的路徑. 可以通過(guò)下面兩種方法指定計(jì)算數(shù)據(jù)和結(jié)果存儲(chǔ)路徑： （1）選擇圖標(biāo) ，通過(guò)隨后彈出的圖8-14所示的確定存儲(chǔ)路徑對(duì)話框輸入計(jì)

10、算數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果文件的的路徑。 圖8-14確定存儲(chǔ)路徑對(duì)話框,（2）通過(guò)圖8-15特征樹(shù)Links Manager節(jié)點(diǎn)的目錄，雙擊該目錄的分支，即可更改存儲(chǔ)路徑。 圖8-15特征樹(shù)的Links Manager節(jié)點(diǎn),2. 啟動(dòng)有限元計(jì)算功能 單擊該圖 ，彈出圖8-16所示有關(guān)計(jì)算的對(duì)話框，在該對(duì)話框的下拉列表里選擇All，單擊OK按鈕即可開(kāi)始計(jì)算，完成計(jì)算后，有關(guān)顯示有限元分析結(jié)果的圖標(biāo)改變?yōu)榭捎玫臓顟B(tài)。 圖8-16有關(guān)計(jì)算的對(duì)話框,8.4.2 顯示靜態(tài)分析結(jié)果 1.產(chǎn)生/顯示自動(dòng)劃分的網(wǎng)格 單擊該圖標(biāo)，顯示了增添網(wǎng)格后的形體，網(wǎng)格是CATIA自動(dòng)劃分的，見(jiàn)圖8-17。 圖8-17增添網(wǎng)格后的形

11、體 將光標(biāo)移至形體或特征樹(shù)的節(jié)點(diǎn) 上面之后單擊鼠標(biāo)右鍵，在隨后彈出的上下文相關(guān)菜單中選擇【Deformed Mesh object】【Definition 】，將彈出圖8-18（a）所示控制網(wǎng)格效果的,對(duì)話框。若切換開(kāi)關(guān)Display on Deformed Mesh為開(kāi)，顯示變形后的形體，見(jiàn)圖8-17，否則顯示變形前的形體，見(jiàn)圖8-18（b）。 （a） （b） 圖8-18控制網(wǎng)格效果的對(duì)話框,1.馮米斯應(yīng)力（Stress Von Mises）顯示 單擊 圖標(biāo)，顯示了馮米斯應(yīng)力圖，見(jiàn)圖8-19。馮米斯應(yīng)力圖用于評(píng)價(jià)應(yīng)力分布情況，右面是CATIA自動(dòng)生成的調(diào)色板，顏色從藍(lán)到紅，表示應(yīng)力逐漸變大。

12、當(dāng)鼠標(biāo)指向節(jié)點(diǎn)時(shí)，顯示此節(jié)點(diǎn)的馮米斯應(yīng)力值。 圖8-19馮米斯應(yīng)力圖,1.位移顯示 單擊 圖標(biāo)，顯示了位移圖，見(jiàn)圖8-20。位移顯示代表變形情況，也是用顏色代表位移值，自動(dòng)產(chǎn)生調(diào)色板，代表一定范圍的位移值；鼠標(biāo)在節(jié)點(diǎn)上，可顯示此點(diǎn)的位移值。 圖8-20位移顯示圖,4.主應(yīng)力張量顯示 單擊 圖標(biāo)，顯示了主應(yīng)力張量圖，見(jiàn)圖8-21。該功能顯示節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力張量的符號(hào)，從整個(gè)顯示圖可以看到形體承接載荷的路徑和狀態(tài)，顏色從藍(lán)到紅，表示應(yīng)力逐漸變大。 圖8-21主應(yīng)力張量顯示圖,5.顯示位移或應(yīng)力的最大最小值 單擊 圖標(biāo)，可以在位移或應(yīng)力圖上標(biāo)注位移或應(yīng)力的最大最小值，見(jiàn)圖8-22。 圖8-22顯示應(yīng)力的最

13、大最小值,8. 5 動(dòng)態(tài)分析的前處理和顯示計(jì)算結(jié)果 如果在進(jìn)入工程分析模塊時(shí)選擇了Frequency Analyses或Free Frequency Analyses（見(jiàn)圖8-1所示對(duì)話框），將進(jìn)行形體的動(dòng)態(tài)分析。Frequency Analyses和Free Frequency Analyses都是形體的固有頻率分析，但前者需要對(duì)形體施加一定的約束，后者完全自由。 8.5.1動(dòng)態(tài)分析前處理 1. 施加約束 動(dòng)態(tài)分析中約束有clamp（夾緊）、Surface Slider（曲面滑動(dòng)）和Advanced Restraints（高級(jí)自由度約束）三種類(lèi)型。如果在進(jìn)入工程分析模塊時(shí)選擇了Frequen

14、cy Analyses，就需要對(duì)形體施加一定的約束，施加約束的方法同靜態(tài)分析。,2. 附加質(zhì)量 通過(guò)Mass工具欄 為形體附加質(zhì)量。 （1）附加分布質(zhì)量 分布質(zhì)量施加于形體表面或虛擬單元上，代表著節(jié)點(diǎn)上的附加質(zhì)量，計(jì)算中等價(jià)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之上。 單擊 圖標(biāo)，彈出圖8-23所示分布質(zhì)量對(duì)話框。選擇形體表面、棱邊或虛擬單元， 在對(duì)話框中輸入質(zhì)量數(shù)值。 例如選擇了圖8-24所示零 件的右孔表面，輸入1kg 的質(zhì)量，單擊OK按鈕， 結(jié)果見(jiàn)圖8-24。 圖8-23 分布質(zhì)量對(duì)話框,圖8-24施加分布質(zhì)量后的零件,（3）附加面質(zhì)量密度 以單位面積的方式為形體附加質(zhì)量。單擊 圖標(biāo)，彈出與圖8-25所示對(duì)話框類(lèi)似

15、的面線質(zhì)量密度對(duì)話框。選擇形體的表面，輸入面質(zhì)量密度數(shù)值即可。 上述約束施加方法和靜態(tài)分析施加約束方法. 8.5.2計(jì)算 1. 確定存放計(jì)算數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果文件的的路徑（同靜態(tài)分析）。 2. 確定計(jì)算模態(tài)的最高階數(shù) 雙擊圖8-26(a)所示特征樹(shù)上頻率分析工況節(jié)點(diǎn) ，彈出圖8-26(b)所示頻率參數(shù)對(duì)話框，在對(duì)話框中指定計(jì)算模態(tài)的最高階數(shù)，例如10。,（a） （b） 圖8-26特征樹(shù)和頻率參數(shù)對(duì)話框,8.5.3顯示動(dòng)態(tài)分析結(jié)果 1. 馮米斯應(yīng)力（Stress von Mises）顯示 單擊 圖標(biāo)，顯示形體的馮米斯應(yīng)力圖，見(jiàn)圖8-27（a）。雙擊該應(yīng)力圖或特征樹(shù)的節(jié)點(diǎn) ，將彈出圖8-27（b）所示

16、圖像編輯對(duì)話框。通過(guò)該對(duì)話框選擇不同的頻率階數(shù)，即可得到相應(yīng)的應(yīng)力圖。 （a） （b） 圖8-27形體的馮米斯應(yīng)力圖和圖像編輯對(duì)話框,2. 位移顯示（模態(tài)顯示） 單擊該圖標(biāo)，顯示形體的位移圖，見(jiàn)圖8-28。雙擊該應(yīng)力圖或特征樹(shù)的 節(jié)點(diǎn)，將彈出圖8-27（b）所示圖像編輯對(duì)話框。通過(guò)該對(duì)話框選擇不同的頻率階數(shù)，即可得到相應(yīng)的位移圖。圖8-28是頻率階數(shù)為10時(shí)形體的位移圖。 圖8-28形體的位移顯示圖,3. 模態(tài)的動(dòng)畫(huà)顯示 單擊該圖標(biāo)，彈出圖8-29（b）所示動(dòng)畫(huà)窗口。該窗口的圖像按鈕與播放影像設(shè)備的按鈕用法相同。通過(guò)這些按鈕詳細(xì)地觀察形體在不同時(shí)刻應(yīng)力或位移的變化。 圖8-29動(dòng)畫(huà)窗口,8.6

17、 有限元分析實(shí)例 例8-1 以第4章建立的搖桿為例，演示有限元分析的過(guò)程。 圖8-30搖桿 1. 進(jìn)入有限元分析模塊前的準(zhǔn)備工作 （1）首先打開(kāi)搖桿的三維形體文件YaoGan.CATPart，顯示了圖8-30所示的搖桿。選擇搖桿，單擊圖標(biāo) ，在隨后彈出的圖8-31所示材料庫(kù)的【Library】對(duì)話框中選擇Steel（鋼）。,（2）（2）將顯示模式設(shè)置為 。 圖8-31【Library】對(duì)話框,（3）選擇菜單【Start】【Analysis & Simulation】【General Structure Analysis】，在圖8-1所示對(duì)話框中選擇Static Analysis（靜態(tài)分析），進(jìn)入有限元分析模塊，將產(chǎn)生一個(gè)新的CATAnalysis文件。 2. 施加約束 單擊圖標(biāo) ，選擇搖桿中心孔，為搖桿施加滑動(dòng)約束，見(jiàn)圖8-32。 圖8-32在搖桿中心孔施加滑動(dòng)約束,單擊圖標(biāo) ，選擇搖桿左孔，為搖桿施加夾緊約束，見(jiàn)圖8-33。 圖8-33在搖桿左孔施加夾緊約束,3. 單擊圖標(biāo) 、選擇搖桿右邊的長(zhǎng)孔，在分布載荷對(duì)話框內(nèi)輸入X軸反方向、大小為1500N的分布載荷，見(jiàn)圖8-34。 圖8-34在搖桿右邊的長(zhǎng)孔施加載荷,4. 單擊圖標(biāo) ，通過(guò)圖8-15所示的確定存儲(chǔ)路徑對(duì)話框輸入計(jì)算數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果文件的的路徑。 5. 單擊圖標(biāo) 開(kāi)始計(jì)算。 6顯示分析