CATIA有限元分析计算实例.docx

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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【AdvancedMeshingTools】（高级网格划分工具）工作台

点击菜单中的【开始】→【分析与模拟】→【AdvancedMeshingTools】（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【StaticAnalysis】（静态分析算题），然后点击【确定】按钮。

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

点击【MeshingMethod】（网格划分方法）工具栏内的【OctreeTetrahedronMesher】（Octree四面体网格划分）按钮

，如图11－23所示。

需要在【MeshingMethod】（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【OctreeTetrahedronMesher】（Octree四面体网格划分）按钮

。

图11－22 【新分析算题】对话框   图11-23【MeshingMethod】（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【OCTREETetrahedronMesher】（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【Absolutesag】（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入0.5mm；在【Elementtype】（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 【OCTREETetrahedronMesher】（Octree四面体网格划分器）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，如图11-26所示。

在弹出的右键快捷菜单中选择【UpdateMesh】（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【OCTREETetrahedronMesher.1】元素图11-27选择【UpdateMesh】（更新网格）选项

（8）进入【GenerativeStructuralAnalysis】（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】→【GenerativeStructuralAnalysis】（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】→【GenerativeStructuralAnalysis】（创成式结构分析）选项

（9）指定3D属性

点击【ModelManager】（模型管理器）工具栏内的【3DProperty】（三维属性）按钮

，如图11－30所示。

点击后弹出【3DProperty】（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【OCTREETetrahedronMesher.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【ModelManager】（模型管理器）工具栏图11-31 3DProperty】（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【MomentVector】（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【ComputationResourceEstimation】（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【ComputationResourceEstimation】（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 【ComputationResourceEstimation】（计算资源估计）对话框

（13）显示模型计算结果

在左边的模型树中鼠标右击【StaticCaseSolution.1】，如图11－44所示。

在出现的菜单中选择【GenerateImage】（生成图像）选项，如图11-45。

选择后弹出【ImageGeneration】（图像生成）对话框，如图11－46所示。

在对话框内选择【Stressfulltensorcomponent】（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【StaticCaseSolution.1】图11-45选择【GenerateImage】（生成图像）选项

图11－46 【GenerateImage】（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【AnalysisTools】（分析工具）工具栏内的【CutPlaneAnalysis】（剖切平面分析）按钮

，如图11－51所示。

弹出【CutPlaneAnalysis】（剖切平面分析）对话框，如图11－52所示，不选中对话框内的【Showcuttingplane】（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 【AnalysisTools】（分析工具）工具栏图11-52  【CutPlaneAnalysis】（剖切平面分析）对话框

图11－53  剖切的应力分布图

（14）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【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，如图11-54所示。

双击后弹出【OCTREETetrahedronMesh】对话框，如图11－55所示。

点击【Local】（局部）选项卡，在【Availablespecs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Localsize】（局部尺寸）选项，然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【LocalMeshSize】（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【OCTREETetrahedronMesh】对话框。

图11－54 双击的【OCTREETetrahedronMesher.1】元素

图11－55【OCTREETetrahedronMesh】对话框图11－56  【LocalMeshSize】（局部网格尺寸）对话框

在【OCTREETetrahedronMesh】对话框内，在【Availablespecs】（可用的特定参数）区内，点击选择【Localsag】（局部垂度）选项，如图11－57所示。

然后点击【Add】（添加）按钮，弹出【LocalMeshSag】（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【OCTREETetrahedronMesh】对话框。

图11－57选择【Localsag】（局部垂度）选项图11-58 【LocalMeshSag】（局部网格垂度）对话框

在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【UpdateMesh】（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。

图11－60    重新计算的应力张量结果

11.1－2划分结构化六面体网格计算分析

（1）进入【线框和曲面设计】工作台

启动CATIA软件。

单击【开始】→【机械设计】→【线框和曲面设计】选项，如图11－61所示，进入【线框和曲面设计】工作台。

图11－61 【开始】→【机械设计】→【线框和曲面设计】选项

单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-62所示。

在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用零件名称为【Part1－2】。

点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【线框和曲面设计】工作台。

（2）定义点

点击【线框】工具栏内的【点】按钮

，如图11－63所示。

点击后弹出【点定义】对话框，如图11－64所示。

在【Y＝】数值栏内输入50mm，即在（0，50，0）位置创建一个点。

点击对话框内的【确定】按钮，创建一个点。

图11－62【新建零部件】对话框图11－63  【线框】工具栏

用同样的方法创建第二个点（0，100，0），第三个点（0，0，0）。

（3）创建线段

点击【线框】工具栏内的【直线】按钮

，弹出【直线定义】对话框，如图11－65所示。

在图形区选择【点1】和【点2】，如图11－66所示。

点击对话框内的【确定】按钮，创建一条线段。

图11－64  【点定义】对话框图11－65    【直线定义】对话框

继续创建第二条线段，但方法与第一条线段出创建方法不同。

点击【线框】工具栏内的【直线】按钮

，弹出【直线定义】对话框，在图形区选择第三个点，然后再选择【xyplane】参考平面，如图11－67所示。

此时，【直线定义】对话框内【线型】下拉列表框自动更改为【点－方向】，如图11－68所示。

在【结束】数值栏内输入20mm，即线段的长度为20mm。

图11－66   选择【点1】和【点2】图11－67    选择第三个点【xyplane】参考平面

（4）旋转创建面

点击【曲面】工具栏内的【旋转】按钮

，如图11－69所示。

弹出【旋转曲面定义对话框】，如图11－70所示。

在图形区选择【直线.1】作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴，如图11－71所示。

图11－68 【线型】下拉列表框自动更改为【点－方向】图11－69   【曲面】工具栏

图11－70  【旋转曲面定义对话框】图11－71    选择【直线.1】作为轮廓，选择【直线.2】作为旋转轴

（5）拉伸创建曲面

点击【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮

，如图11－72所示。

弹出【拉伸曲面定义】对话框，如图11－73所示。

选择上一步旋转创建的曲面内圆作为轮廓，选择第二条线段【直线.2】作为方向，在【拉伸限制】区内的【限制1】【尺寸】数值栏内输入50mm，即拉伸的高度为50mm。

预览生成的拉伸曲面如图11－74所示。

图11－72 【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮图11－73 【拉伸曲面定义】对话框

用同样的方法拉伸外侧的圆弧，最终形成的图形如图11－75所示。

（6）赋予钢铁材料

在左边的模型树中点击选中零件名称【Part1】。

点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮

。

先弹出一个【打开】警告消息框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。

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11－74预览生成的拉伸曲面图11－75 最终形成的图形

（7）进入【ADCANCEDMESHINGTOOLS】（高级网格划分工具）工作台

单击【开始】→【分析与模拟】→【ADCANCEDMESHINGTOOLS】（高级网格划分工具）选项，如图11－76所示，进入【ADCANCEDMESHINGTOOLS】（高级网格划分工具）工作台。

图11－76     【开始】→【分析与模拟】→【ADCANCEDMESHINGTOOLS】（高级网格划分工具）选项

（8）划分底面网格

点击【MeshingMethod】（网格划分方法）工具栏内的【AdvancedSurfaceMesher】（高级曲面划分器）按钮

，如图11－77所示。

点击后在图形区选中底面，如图11－78所示。

图11－77 【AdvancedSurfaceMesher】（高级曲面划分器）按钮图11－78   选中的底面

注意！

只选择底面。

选中底面后，弹出【GlobalParameter】（全局参数）对话框，如图11－79所示。

点击【Mesh】（网格）选项卡，在【MeshType】（网格类型）栏内点击四边形网格按钮

，在【Elementtype】（单元类型）栏内勾选【Parabolic】（二次网格）选项，在【MeshSize】（网格尺寸）数值栏内输入5mm，勾选【Minimizetriangle】（最小化三角形）选项。

全部设置完成后，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，完成平面网格划分设置。

平面轮廓的边缘显示为绿色，如图11－80所示。

图11－79  【GlobalParameter】（全局参数）对话框图11－80   平面轮廓的边缘显示为绿色

点击【Execution】（执行）工具栏内的【MeshThePart】（对零件划分网格）按钮

，如图11－81所示。

程序开始对底面划分四边形网格，划分完成后，弹出【MeshThePart】（对零件划分网格）对话框，如图11－82所示。

对话框显示网格的尺寸，节点数量，单元数量，以及划分网格的结果。

在本例题中，划分的四边形网格，网格尺寸为5mm，创建了3437个节点，创建了1083个单元，划分网格结果是正常完成。

对底面划分的四边形网格如图11－83所示。

图11－81【Execution】（执行）工具栏图11－82 【MeshThePart】（对零件划分网格）对话框

点击【Exit】（退出）工具栏内的【Exit】（退出）按钮

，如图11－84所示。

退出【SurfaceMESHINGTOOLS】（曲面网格划分）工作台，进入【ADCANCEDMESHINGTOOLS】（高级网格划分工具）工作台。

图11－83  对底面划分的四边形网格图11－84  【Exit】（退出）工具栏

（8）拉伸生成六面体网格

点击【MeshTransformation】（网格变换）工具栏内的【ExtrudeMesherwithTranslation】（平动拉伸网格）按钮

，如图11－85所示。

点击后弹出【ExtrudeMesherwithTranslation】（平动拉伸网格）对话框，如图所示。

11－86

在图形区选择上一步划分的四边形网格，点击选择第二条线段作为拉伸六面体网格的轴，