《pro_engineer企业实施与应用》第6章：结构和热力分析.ppt

2 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 后进行修正或优化，不仅可缩短设计时间，也能有效地降 低成本 3 6.1 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 4 6.1.2 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，如图6-3所示 5 6.1.3 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 创建模型 分析模型 定义设计变更 优化分析研究 合适？ N 升级模型 Y 6 6.2 设置单位和材料 6.2.1 设置单位 7 6.2.2 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 8 6.3 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 9 6.3.1 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 10 6.3.2 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 11 6.4 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：①点、线、面载荷，②压强载荷，③轴承 载荷，④重力载荷，⑤离心力载荷，⑥全局温度载 荷 12 6.4.1 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 13 6.4.2 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 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 14 6.4.3 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/Mechanica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 15 6.4.4 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/sec^2，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 16 6.4.5 离心力载荷 在结构分析模块，单击右工具 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 17 6.4.6 全局温度载荷 在结构分析模块，单击右 工具栏按钮，弹出Global 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 18 6.5 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 这些连接的形式 19 6.5.1 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 20 6.5.2 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. 端焊接 2. 周围焊接 3. 点焊接 21 6.5.3 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 22 6.5.4 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。

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 23 6.6 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 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 24 6.6.1 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/(mm2· s)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，零件受热； 若输入的。