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CATIA


CATIA 有限元分析模块实例教程

作者:哈尔滨工业大学
如有不正之处,敬请批评指正

黄博

, ! 全书由交通出版社 07 年初出版 年初出版, 欢迎订购 欢迎订购!
《CATIA v5 机械(汽车)产品 CAD/CAE/CAM 全精通教程》

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第五章 工程分析...........................................................................................................................1 5.1 GPS 入门实例..................................................................................................................1 5.2 前处理(Preprocessing)........................................................................................... 6 5.2.1 网格划分(meshing parts).................................................................................6 5.2.2 虚拟零件(Virtual Part).....................................................................................7 5.2.3 定义约束(Restraints)..................................................................................... 10 5.2.4 定义载荷(Loads)........................................................................................... 13 5.2.5 类型组(Group)...............................................................................................15 5.3 求解和后处理(Computation & Post Processing)..................................................... 16 5.3.1 求解.....................................................................................................................16 5.3.2 后处理.................................................................................................................18 5.4 CATIA 的分析类型...................................................................................................... 21 5.4.1 Buckling Analysis(屈曲分析)........................................................................21 5.4.2 Frequency Analysis(频率分析)..................................................................... 23 5.4.3 Combined Case(组合分析案例)....................................................................23 5.4.4 Dynamic Response Case(动态响应分析)..................................................... 26 5.4.5 Static Constrained Analysis(静约束模态)..................................................... 28 5.5 装配件有限元分析 GAS 简介...................................................................................... 29 5.5.1 创建连接关系..................................................................................................... 29 5.5.2 创建连接特性..................................................................................................... 29 5.5.3 装配件分析实例................................................................................................. 32 5.6 汽车零件分析实例.......................................................................................................... 39 5.6.1 静态分析实例(连杆)..................................................................................... 39 5.6.2 模态分析实例(曲轴)..................................................................................... 46 5.7 本章小结..........................................................................................................................51

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第五章

工程分析

新颖的创意和细致的结构设计是良好工程设计的前提, 深入的工程分析则能 提前预测工程设计的性能和瑕疵所在, 所以工程设计中的一项重要工作是计算零 部件和装配件的强度、 刚度及其动态特性,从而得出所设计的产品是否满足工程 需求,常用的分析方法是有限元法(Finite Element Method) 。 工程上的许多问题都可以归结为求解微分方程的问题,但很多微分方程的精 确求解都比较困难。 有限元法的基本思想就是将被分析对象分割成有限个小的单 元, 假定力只在有限单元的节点之间传递,从而把微分方程简化为对应的联立方 程组,实现工程问题的近似求解。现在,有限元法不仅用于结构分析,而且在热 分析、流体分析、电磁分析等方面也得到越来越多的应用。 CATIA V5 软件是一个 CAD/CAE/CAM 集成软件,它提供了功能强大且使用方 便的工程分析模块—Analysis& Simulation。利用该模块,只需定义类似工程实 际问题的载荷和约束, 就可以快速地实现基本的有限元分析。常用的功能包括单 个零件的有限元分析 GPS(创成式零件结构分析 Generative Part Structural Analysis ) 和 装 配 件 有 限 元 分 析 GAS(Generative Assembly Structural Analysis)。本章将先通过一个简单实例介绍 CATIA 有限元分析过程,然后较为 详细地配合实例阐述用 CATIA 软件进行有限元分析时的前处理、 求解计算、后处 理等相关方面的知识。

5.1 GPS 入门实例
1 进入 GPS 模块 打开附盘内零部件 GPSexample1.catpart 或自行创建一 25mm 方形截面类似 零件,然后点击如图 5-1 所示开始菜单→分析与仿真→Generative Structural Analysis 进入分析模块,系统将弹出如图 5-2 所示的两个对话框,左侧对话框 用于选定将要进行的分析类型,此例选定 STATIC ANALYSIS,然后确定;右侧警 告对话框表示没有指定零件材料(如已指定材料,则无此警告框) ,确定即可。

图 5-1 通过开始菜单获取分析模块

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图 5-2

分析类型选定&无材料警告对话框

2 指定材料 (material) 点击工具栏 图标来指定零件材料(默认状态工具栏可能有双箭头图标

存在, 这表示有些图标摆不开而被遮蔽,可以通过鼠标左键按住工具条并拖动重 新摆放来避免) ,系统可能弹出图 5-3 所示对话框,提示没有中文材料库,确定 即可;弹出图 5-4 所示对话框,先左键点击 Analysis Manager 模型树内 part1, 再点击材料库对话框内 Metal(金属材料)卡片下的 aluminium(铝),确定完成 材料指定。

图 5-3 无中文材料库报错对话框

图 5-4 材料指定对话框

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3 网格划分(nodes and elements) CATIA 软件的网格划分是自动进行的,只要转到有限元模块,程序就已自动 确定划分方案,只有复杂的模型才需要手动对局部网格进行划分。当然,用户可 双击模型树中的 来调整单元划分参数,则弹 出图 5-5 所示四面体网格密度定义对话框,输入图中所示数值,完成网格参数修 正。 (参数含义在§5.2 中详细阐述)

图 5-5 网格划分密度定义对话框

4 定义约束(Restraints) 样例零件用底座四个螺栓孔安装固定,可以用四个底座孔的完全固定来模拟 分析。点击 图标,弹出图 5-6a 所示 CLAMP(夹紧)定义对话框,选择图 5-6b 所示的四个底座孔的内表面,确定完成约束定义。

图 5-6a clamp 定义框

图 5-6b 选择四个底孔内表面

5 定义载荷(Loads) 点击 图标,施加 均布载荷 于零件的末端 表面 ,弹出图 5-7 所示 的 distributed force 定义对话框,选择末端表面,则对话框的 supports 栏内变 为 1 face,定义载荷数字大小为:X 方向-500N,Y 方向-250N,确定完成载荷定 义。

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图 5-7 均布力载荷(distributed force)定义

6 求解计算(Compute) 完成上述工作后,可着手进行计算,点击 compute 图标 ,系统弹出如图

5-8a 所示计算对话框, 确定之后, 系统弹出 5-8b 所示计算所需资源估算对话框, 点击 YES 继续计算,由于单元节点数不多,计算很快完成。

图 5-8a 计算对话框

图 5-8b 计算所需资源估算对话框

7 结果显示(visualize the results) CATIA 提供了丰富的图形化结果显示功能,用户可方便地调整至所偏好的方 式。此入门实例处仅以默认方式查看网格划分情况及应力应变图。 鼠标右键点击左侧模型树中的 ,在弹出的右键菜单

中点击 ,则在模型树 Nodes and Elements 中多出 子 项,网格划分效果呈现在 CATIA 窗口中如图 5-9 所示(注意:如果看不到网格效 果,则应鼠标点击图 5-9 所示视图工具条中的定制视图参数 图标,按照图中 列出的选项调整弹出的定制视图方式对话框内容,确定即可。 (注:CATIA 虽然 自动确定网格划分方案, 但仍然需要计算之后才能显示网格的划分效果。 ) ,鼠标 在零件上划过, CATIA 将显示相应的单元格数值; 另外在 中点击 ,可看到网格划分为 2144 个单元。 的右键菜单

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图 5-9 单元划分效果初览

点击

图标,可得出如图 5-10 所示的位移图形,结果表明在施加的载荷

作用下, 末端最大位移约为 0.69mm。点击 图标,可得出如图 5-11 所示的 von mises stress(米塞斯应力)图形,结果表明在临近底座附近的支座内侧承受较大 应力,约为铝材屈服值 9.5e+007N/m2 的三分之一,应力情况合格。

图 5-10 位移图形

应力最大处

图 5-11 Von Mises 应力图形

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8 小结 通过一个简单的示例, 可以了解到用 CATIA 软件进行有限元分析的大致步骤 为:建立零件模型并导入分析模块;然后完成以下前处理( Preprocessing)任 务:指定材料、保持 CATIA 自动划分的网格参数或进行适当调整、定义约束、 定 义载荷; 接着就可进行求解计算, 计算完成后进行可视化的分析结果数据显示 (后 处理 Post Processing) 。然后,根据应力分布和结果数据确定结构上的危险部 位,判断零件设计是否能满足工程应用的强度、刚度要求,发现问题后需要调整 结构设计方案,然后再次进行分析,如此循环直到满足需求为止。当然,计算过 程中还需要注意有限元分析方法的正确性和分析结果的有效性, 盲目依赖往往是 很危险的。

Preprocess ing ) 5.2 前处理( 前处理(Preprocess Preprocessing ing)
所谓前处理就是计算求解之前的各项准备工作,通常包括确定零件材料、网 格划分、定义约束和载荷。约束和载荷有时利用辅助工具添加更为真实方便, 这 就需要利用虚拟零件,另外,也提到了便于结果可视化的组。下面分别阐述。 5.2.1 网格划分(meshing parts)

单元划分是有限元分析的第一项重要工作。进入 GPS 平台之后,CATIA 就已 自动定义了网格和属性(Mesh&Properties),且数量和几何体尺寸对应,体现在 模型上的图标有 , 双击此图标将弹出图 5-5 所示对话框, 用于调整网格参数, 其中有三个选项: SIZE 表示每个单元的平均尺寸,取值越小则分析精度越高,但使计算工作量 增大; SAG 表示在几何模型和将要定义的网格之间容许的距离偏差最大值,这个参数 对弯曲的形体有效(比如说网格化圆孔的逼近精度,含义参见图 5-12) ,对直线 形体没有任何意义,通常 SAG 值越小则划分的网格越逼近真实几何体; Element Type 决定采用 linear 线性直边单元亦或采用 parabolic 抛物线棱边 单元,抛物线棱边单元能带来更好的精度。 此外还可以通过图 5-12 所示对话框中的 Local 卡片,调整局部网格细密程 度和参数,带来更合适的分析精度。 (注:全局网格划分越细密或采用抛物线棱 边单元同样能提高精度,但同时计算耗时增加) 。

Sag 大小

划分的网格 真实几何模型

图 5-12

局部网格调整对话框 & Sag 含义示意图

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网格和属性还可以通过模型管理工具条 自行定义。其中: 图标用于给实体 Solid 模型定义四面体单元;



图标用于给曲面 surface 模型定义三角形单元,如果用户决定把实体模 型当作薄壳模型来处理,也可以用于实体模型; 图标表示对线框 wireframe 几何进行梁单元网格划分,要求对象是在 Generative Shape Design 或 Wireframe and Surface Design 中生成的部件, 或者在 Structure Design 环境下生成的梁(不能对 Sketch 对象进行网格划分) , 且划分出的网格是一维的。 每一种网格都需要指定相应的物理属性(physical property),依据网格类 型不同,相应地可以指定 solid property 实体属性、 shell property

薄壳属性、 Beam Property 梁属性,相应的定义对话框见图 5-13,对话框 参数定义要点如下: a、选择相应的几何或者网格 Mesh 赋给在话框的 supports 栏, b、Material 自动显示为选定 support 的材料值,也可以点击 User-defined isotropic material 选择一种用户自定义的各向同性材料; c、Shell property 还要定义一个和零件几何厚度对应的 thickness d、Beam Property 要指定梁截面的形状 Section、方向 Orientation Point 和变截面系数 Variable Beam Factors。 模型管理工具条的另外两个图标 Model Checker 用于检测模型的一致性, 则用于 一般在计算之前检查模型是否建立完整正确; Isotropic Material 自定义一种各向同性材料,限于篇幅,不再赘述。

图 5-13

Solid & Shell & Beam Property (实体、壳和梁属性)定义对话框

5.2.2

虚拟零件(Virtual Part)

虚拟零件是分析模块中创建的一种没有几何形体为背景的特殊结构,用于跨 距离传递动作(质量、约束、载荷等),通常可以理解为刚体(弹簧虚件强加柔度 除外) 。虚件没有质量,但能按指定的特性传递各种动作,在前处理工作中经常 被采用。CATIA 提供了六种虚件 如下:
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,其特点和创建方法

A、柔性虚件(Smooth Virtual Part) 柔性虚件是把操作点和支撑几何联系起来的一个虚拟刚体,它将施加于操作 点 handler 的动作传递到与之相连的支撑几何 Supports 上,同时保持支撑几何的 柔性变形特性,支撑几何可选定为曲线/边/面/曲面,Handler 也可以保持默认空 白状态,则操作点相当于选定支撑几何的心部。打开附盘内 GPS_VIRTUAL PART.CATPART 且进入 GPS 平台, 如图 5-14 所示夹紧 零件的左侧面, 通过

按钮定义柔性虚件于零件内孔面,默认不选择 Handler 并确定完成定义。再点击 添加图 5-14b 所示均布力于所定义的虚件上, 点击 完成计算后再点击 按

钮察看变形结果如图 5-15a 所示。 可见, 柔性虚件没有影响内孔的弹性变形特性。 B、刚性虚件(Rigid Virtual Part) 刚性虚件与柔性虚件不同之处在于刚性传递动作,支撑几何 Supports 将被认 定为刚体而忽略其弹性变形, 按照上图同样的流程操作,唯一不同的是以刚性虚 件 取代 柔性虚件定义于内孔,变形结果则如图 5-15b 所示,此时内孔为不

变形的刚性状态。

图 5-14 a 柔性虚件定义示例

图 5-14b 施加均布力于柔性虚件

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图 5-15 a 柔性虚件变形效果

图 5-15 b 刚性虚件变形效果

C、接触虚件(Contact Virtual Part) 接触虚件将支撑几何 Supports 的每一个节点复制出一个偏移节点,偏移节点 和原节点之间为接触单元,与操作点(Handler)之间通过虚拟的刚性三角架传 递动作,参图 5-17a。接触虚件阻止与实体之间的互相穿透,但允许支撑几何产 生弹性变形。打开上图例子,左侧夹紧,建立接触虚件于内孔面, handler 选定 为模型几何中的 point1。施加同上的均布力于接触虚件;再点击 定义高级约

束于 Point1,限定 X 平移之外的所有自由度。计算之后结果如图 5-16。 D、刚性弹簧虚件(Rigid Spring Virtual Part) 刚性弹簧虚件将操作点复制出一新的偏移节点,偏移节点和支撑几何之间相 当于刚性虚件,与操作点之间为弹簧连接,支撑几何可选定为曲线/边/面/曲面, 特性如图 5-17b 所示。刚性弹簧虚件一般的定义过程是:单击 按钮,弹出如

图 5-18 对话框,选定支撑几何,Handler 栏内选择操作点或者使用默认值。Axis System 中选择定义弹簧方向的坐标系为全局坐标系或者局部自定义坐标系,最 后在轴向刚度(Translation Stiffness)和扭转刚度(Rotation Stiffness)栏内输入 弹簧参数,确定即可。 E、柔性弹簧虚件(Smooth Spring Virtual Part) 柔性弹簧虚件与刚性弹簧虚件的唯一不同在于偏移节点和支撑几何之间相 当于柔性虚件,特性如图 5-17c 所示。

图 5-16 接触虚件定义示例

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刚性 三角架 支持 几何 Support 偏移 节点 操作点 Handler 支持 几何 Support 刚性 三角架

偏移 节点 支持 几何 Support 操作点 Handler 柔性 三角架

偏移 节点

操作点 Handler

图 5-17a 接触虚件

图 5-17b 刚性弹簧虚件

图 5-17c 柔性弹簧虚件

图 5-18 刚性弹簧虚件建立示例

F、 周期性对称条件(Periodicity Condition) 周期性对称条件可以让用户节省分析开支,针对呈周期性特征的整个部件, 仅需分析代表其特性的局部实体截段即可获取整个部件的分析数据。 存在两种周 期性对称情形:圆周对称和线性对称。如图 5-19 所示。

图 5-19

两种对称情形

5.2.3

定义约束(Restraints)

CATIA 定义约束和载荷的方式和其它有限元软件略有不同, 约束和载荷不是 定义在网格(单元和节点)之上,而是直接定义于几何元素(如点、线、面) 之 上,待到计算时, CATIA 再自行将施加于几何元素之上约束和载荷转加于网格 单元和节点。 CATIA 提 供 的 定 义 约 束 工 具 条 为
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,其中运动副约束

(Mechanical Restraints) Restraints) 展开为

展开后为

; 高级约束 (Advanced

。下面分别介绍各个约束的特性和创建方法。

A、 夹紧 CLAMPS 夹紧约束施加于实体的外表面、边界、顶点、虚件或者用户定义的类型组 上,它限定全部节点的自由度,使之位置固定不变,定义过程参见第一节入门实 例.4。 B、滑动铰约束(Surface Slider) 该约束可施加于面或曲面几何,不能施加于虚件。它约束零件在支撑面上 的法向自由度, 使零件仅可平行于刚性面滑动或转动 (具有 2 平移 1 转动自由度) 。 一般的施加过程为:单击 按钮,弹出图 5-20 所示对话框,选择几何约束对

象至 Supports 栏,单确定完成定义,模型树和几何图形上将出现滑动铰标志。

图 5-20 Surface Slider 约束定义示例

C、棱柱铰约束(Slider) 该约束只能施加于虚件之上,仅允许被约束的对象沿指定放松的轴平移滑 动,限制其它五个自由度。一般施加过程为:单击 按钮,弹出图 5-21 所示

对话框。选择虚件加于 Supports 栏,选择使用的坐标系,并在需要放松的轴线方 向输入 1。单击确定完成定义。如针对图 5-16 所示接触虚件示例,用加于虚件的 取代施加于 Point1 的高级约束 ,结果相同。

图 5-21

Slider 约束定义示例

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D、 圆柱铰约束(Sliding Pivot) 该约束只能施加于虚件,允许被约束对象相对指定放松的轴线转动和平移, 限制其它四个自由度。施加方法类似棱柱铰约束。 E、球铰约束(Ball Joints) 该约束可以施加于虚件或者点 /顶点(Point/Vertex)上,允许刚体绕选定点 的三个方向转动而限制其三个平移自由度。如图 5-22a 所示。 F、 圆锥铰约束(Pivot) 该约束施加于虚件,允许刚体绕指定放松的轴转动,限制其它五个自由度。 施加方法类似棱柱铰约束。如图 5-22b 所示。

图 5-22a 球铰加于顶点

图 5-22b

圆锥铰施加于虚件

G、 高级约束(Advanced Restraints) 高级约束可以施加于点/顶点、边/曲线、面/曲面、组(group)和虚件。用 户可以根据图 5-23a 对话框选定坐标系,再决定限制或放松对象的任意自由度。

图 5-23a

高级约束定义

图 5-23b

Iso-static 约束定义

H、 等静态约束 Iso-Static
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该约束自动在几何模型上较为均匀地选择三个点, 依次限制 3-2-1 个自由度, 实现模型的完全约束。参见图 5-23b。 Loads ) 5.2.4 定义载荷( 定义载荷(Loads Loads) CATIA 提 供 的 加 载 工 具 条 为 ; 展开为 ; 展开为 ,其中 展开为 。下面分

别介绍各按钮的特性和定义方法。 A、压力载荷(Pressure) 该钮施加均匀分布的压力于面或者曲面上(单位为 N/m2) ,压力方向为表面 法向。施加方法为:点击 ,选择要加载的面至图 5-24a 所示对话框 Supports

栏, 然后输入压力值或者选择 Data Mapping 并提供 CATIA 提示的数据格式文件。 B、均布力(Distributed Force) 均布力把一个合力均匀地分布到选定的支撑(Supports)上,作用效果力矩 为零。该力可以施加于点 / 顶点、面 /曲面或者虚件。均布力的定义对话框参图 5-24b,且从图可以看出,把罗盘拖至载荷支撑面上,然后可以通过罗盘调整合 力方向。 (注意:均布力和均布力矩在求解时解释为直接作用在支撑的节点 (Nodes)上,而面密度分布力或者压强解释为作用到有限元网格(Mesh)的面 上,所以,后一种类型分布更为均匀,更为精确。等效时应该采用后一种类型加 载。 )

图 5-24a 压力载荷加载示例

图 5-24b 通过罗盘调整均布力方向。

C、力矩(Moment) 该按钮将一个合力矩均匀地分布到选定的支撑上,而合力为零。可以施加于 点/定点,面/曲面或者虚件上。也可以用罗盘调整方向,参图 5-25a。 D、轴承载荷(Bearing Load) 轴承载荷模拟作用到圆柱侧面上的力,可以施加于圆柱形的曲面或者旋转

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面;也可以施加于旋转形虚件。但直接加载比先生成虚件然后再加载要快,计算 时间开支更少。轴承载荷可以灵活地改变作用力所在区域扇形的角度、也可以改 变轮廓分布类型。如图 5-25b 所示,通过 ForceVector 指定合力的大小和方向, 但计算中只考虑与旋转轴垂直的接触力学分量; 通过 Angle 指定分布力的角度范 围,模型上会有预览效果;通过 Orientation 选择 Radial 径向或者 Parallel 平行, 选择径向则所有作用在网格节点上的力都垂直于作用表面, 选择平行则所有作用 在网格节点上的力都与旋转轴垂直平面内合力方向一致;通过 Type 类型指定轴 Parabolic 抛物线或者 Law 自定义规则其中一种随 承密度力按照 Sinusoidal 正弦、 角度分布。

图 5-25a 力矩定义于一平面

图 5-25b 径向轴承载荷作用于一柱面

E、导入力和导入力矩 该按钮从文本文件或者 EXCEL 文件将力或者力矩数据导入映射到零件上, 使用本功能必须安装 ELFINI Structural Analysis 程序。 F、加速度 Acceleration 加速度是均匀作用在整个零件体积场上的力,可以施加于体( Body ) 、面 (Surface)或者类型组(Group)上,加速度载荷只在有质量的模型中才有效。 G、旋转惯性力( Rotation Force) 该钮对有质量的选择对象施加旋转惯性力,或者说离心力。可以施加于体 (Body) 、面(Surface)或者类型组(Group) 。定义时需在对话框内指定旋转轴 线、旋转角速度,角加速度。 H、密度力( Force Density) 线密度力 面密度力 是均匀的作用在边或曲线上的力场,单位 N/m。 是均匀的作用于曲面上的力场,单位 N/m2。
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体密度力 向量密度力

是均匀作用在整个零件体积上的力,单位 N/m3。 是用向量的方法施加密度力,可以施加于线、面或者体上,

实际上是前三种密度力的合成。这四种力定义方法都较为简单,不多赘述。 I、强制位移(Enforced Displacement) 强制位移是作用在基础几何形状上的载荷,可在约束对象上指定非零位移, 它施加在约束(Restraints)上,等价于在实体的表面施加了载荷,如图 5-26 为 底座夹紧约束添加强制位移。

图 5-26

夹紧约束添加强制位移

J、温度场(Temperature Field) 为零件添加温度场,也可以看作是一种因热胀冷缩引起的载荷。 5.2.5 类型组(Group)

定义包含一定单元组的目的是为了在计算完成后,用户可以方便地获取组内 单元的结果数据图形。组的定义可以在计算之前、也可以在计算之后, CATIA 不会因为组的定义要求用户重新计算。 组图标展开为 ,依次为点组、线组、面组、体组、方

框组、球体组。其中方框组和球体组可以通过点击对话框内的 Active Box 或者 Active Sphere 激活组大小和位置的调整功能,调整方法为:转动罗盘调整方向、 拖动罗盘中心调整位置、 或者将鼠标置于红色控制点等到出现双向黄色箭头再拖 动调整大小。也可以通过点击 Select an Extremum 按钮再利用模型树选择一极点 数据来定位。如图 5-27 所示。

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图 5-27 通过罗盘调整方框组和球组的大小位置

Computation & Post Processing ) 5.3 求解和后处理( 求解和后处理(Computation Processing)
5.3.1 求解

完成前处理后,就可以着手进行求解计算, CATIA 提供的计算求解工具为 ,其中 只有通过 点击 为常规计算,默认状态可选,自适应计算 默认状态不可选,

定义了自适应体之后,才可以使用。分别介绍如下: 按钮后,系统将弹出图 5-28a 所示对话框,Preview 选项决定是否给

出图 5-8b 所示计算开支预算。本次计算的内容由下拉框中四个选项决定: ? 全部都算 All、 ? 只求解网格划分效果(Mesh Only) 、 ? 模型树上用户选定的某一分析案例 Analysis Case Solution Selection、 ? 通过模型树上选定的约束集选择相应的分析案例 Selection by Restraints。 另外, 双击模型树上的分析案例 Case Solution, 可弹出图 5-28b 所示对话框, 用于定义求解方法。CATIA 提供了四种静力学分析方法: 高斯法 Gauss,直接求解法,推荐用于中小型模型求解 梯度法 Gradient,迭代求解,省内存不省时间,推荐用于较大模型,需 要补充定义最大重复数和精度。 高斯 R6 法 Gauss R6,快速高斯法,默认方法。推荐用于大尺寸模型。 自动采用 Auto,自动选用上述三种中合适的方法。

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图 5-28a 计算对话框

图 5-28b 计算方法选取对话框

所谓自适应计算

就是在用户设定要求的结果误差范围和重复计算次数之

后, 系统自动在重复次数之内调整网格的细化程度争取将分析结果数据的误差降 至设定的误差范围之内。 如要采用自适应计算,则需先点击 按钮,创建全局自适应体,如图 5-29a

所示,Supports 需选择模型树上的网格 Mesh,再设定目标误差即可。建立了全 局自适应体之后,还可以通过右键点击模型树上的 Global Adaptivity,再从右键 菜单选择 Local Adaptivity 来创建局部自适应体,局部自适应体的 Supports 可以 选择顶点、边、面或者组(图 5-29b 选择球组) 。 定义好自适应体之后,可以点击 进行自适应计算,弹出的对话框如图 5-30

所 示 , 需 要 输 入 重 复 次 数 、 最 小 网 格 尺 寸 。 还 可 以 选 择 允 许 不 优 化 allow unrefinement 和取消全局垂度限制 desactive global sags。

图 5-29a 全部自适应体

图 5-29b 局部自适应体

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图 5-30 自适应计算参数输入框

5.3.2

后处理

计算求解工作得到的是大量的数据,这些数据查看起来极为不便,各 CAE 软件通常使用后处理功能来得到便于用户总结分析结果规律的图形, 然后提取用 户感兴趣的特征点结果数据。 CATIA 提供了功能强大的结果数据后处理功能, 包括 析工具条; 创建结果图形工具条; 结果图形分

结果分析工具条。此外,结果图形的显示模式调整等相关

处理还可通过模型树上图形对象的右键菜单来实现。下面分别介绍。 A、创建结果图形 该组按钮用户生成相应分析案例( Analysis Case)的结果图形,在没有求解 之前呈灰色不可选状态。 (Deformation) ,用于显示静力学分析(Static Analysis)结果的变形或者 模态分析的对应模态变形。 (Von Mises Stress) ,用于显示米塞斯(Von Mises)等效应力云图。 (Displacement) ,显示位移图,位移是结果评价的重要内容。 (Principal Stress) ,显示主应力。 (Precision) ,显示有限元分析的能量误差图,用于评价结果的有效性。 B、结果图形分析 该组按钮用于对已经生成的结果图形进行操作和信息提取。 没有生成结果图 之前呈灰色不可选状态。 (Animate) ,以动画方式显示结果图形。可通过对话框调整速度和帧数。 (Cut Plane Analysis) ,显示结果的某一切面。通过罗盘调整截面方位。

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(Amplification Magnitude) ,调整结果显示的放大倍数,各软件在图形化 结果数据时通常都进行了合适的夸张放大。 (Image Extrema) ,创建极值点。用于在选定结果图形中创建指定数量的 极值点,创建完成后,在模型树和图形上都有相应的标示。如图 5-31 所示,在 米塞斯应力图上创建 1 个全局极值点和 3 个局部极值点。 几何模型上极值点标示 球的颜代表对应点处应力值大小。 也可双击模型树上的 Local Maximum.1 等来获 取对应点的值及定位极值点所在。

图 5-31 Extrema 极值点创建示例

(Information) ,在弹出对话框内显示选定结果图形的相关信息。 (Images Layout)排列结果图。用于排列多项处于激活(Active)状态的 结果图形。如图 5-32 所示为按照 Z 轴方向排布四项处于激活状态的结果图。

图 5-32

Images Layout 排布四项处于激活状态结果图

Simplified Representation,模型树上选择一项结果图简化表示以加快显示 速度。通常用于巨型模型。 C、分析报告 Basic Analysis Report,自动生成基本分析报告, 点击后生成一个包含有限 元模型、求解信息、分析结果的*.html 格式报告文件,保存在缺省的存储目录。 Advanced Report,用于生成用户定制的报告。在弹出的第一个对话框中,
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用户可以选择存储目录(Output Directory)、报告的标题(Title of Report) 、哪个分 析案例(Choose the Analysis Case) ;第二个对话框中,用户可以双击鼠标展开对 话框左侧的模型树,然后通过中部的 图标将感兴趣的内容定制到对话框右侧 用于输出,再单击 Launch Browser 浏览或者 OK 生成报告。 Historic of Computations,允许用户比较两次计算的特点,需要至少进行 过两次计算(Computation) 。 D、右键菜单高级操作 通过鼠标右键点击模型树上的图形对象,可以弹出处理相应图形对象的右键 菜 单 ( 如 图 5-33 所 示 ) ,用户可利用右键菜单进行定义、激活/非激活 ( Active/Deactive ) 、 数 据 输 出 ( Export Data ) 、 存 为 新 模 板 ( Save As New Template) 、生成报告(Report)这些操作。其中定义…功能也可以通过鼠标左键 双击模型树上图形对象来获取,负责每一种图形的高级定制;激活/非激活则是 让选定的图形处于活跃状态(可显示、可操作)或非活跃状态(不显示、不可操 作) 。下面较为详细的介绍定义…功能。

图 5-33 图形对象的右键菜单

变形图、米塞斯应力图、位移图、主应力图、误差估计图等图形的定义对话 框和可定制选项不尽相同,但基本参数大同小异,本文仅以米塞斯应力图为例, 其它图形的定制效果用户可自行测试。图 5-34 为米塞斯应力的定制对话框,分 为三个卡片项:Visu、Filters、Selections。其中 Visu 卡片用于定制图形显示类型 (Type ) 、显示准则( Criteria)和是否在变形后的网格上显示应力( Display on Deformed mesh) 。其中显示类型可以是如下四选一:AVERAGE-ISO 平滑应力颜 色图(颜色代表应力大小,且网格之间颜色变化平滑均匀化处理) 、 DISCONTINUOUS-ISO 间断应力颜色图(颜色不作平滑化处理,不同网格之间颜 色可以突变)、TEXT 数字文本(直接用数字表示应力大小) 、SYMBOL 符号(用 符号表示应力大小) ; 各种类型图形都可用 Options…弹出的对话框进一步选择显
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示选项。Selections 控制选定显示全部的内容或者指定的网格、载荷、约束。

图 5-34 米塞斯应力图形定制对话框包含的三个卡片项

5.4 CATIA 的分析类型
CATIA 提供了多种分析方法, 基本分析类型包括如下四种: 静态分析(Static Analysis) Analysis) 、 屈曲分析 (Buckling Analysis) 、自由频率分析(Free Frequency Analysis) 、 频率分析 (Frequency 。从图形标示大致可

以看出,Static Analysis 主要用于分析零部件在一定约束和载荷作用下的静力学 Buckling Case 主要用于分析零部件何时发生屈曲; Frequency Analysis 应力应变; 主要用于分析零部件在一定约束下的频率响应;Free Frequency Analysis 则用于 自由状态下(不加约束)零部件的频率响应。前面几节较为完整地介绍了 Static Analysis 的知识点,下面介绍其余类型以及各组合分析类型。 5.4.1 Buckling Analysis(屈曲分析)

当结构所受的载荷达到某一特定值时,若再增加一微小的增量,则结构的平 衡构形将发生很大的改变,这种过程称为屈曲( Buckling )或者失稳( Lost Stability) ,相应的载荷称为屈曲载荷或者临界载荷。很多情况下,屈曲将导致构 件失效,这种失效称为屈曲失效( Failure by Buckling) ,由于屈曲失效往往具有 突发性,且易产生灾难性后果,因此工程设计中需要认真加以考虑。屈曲分析就 是一种用于得到结构屈曲载荷和屈曲模态形状(结构发生屈曲响应时的特征形 状)的技术。 CATIA 只有在进行了静态分析定义之后才能插入屈曲分析案例(Buckling Case) 。打开附盘内 GPS_Buckling_part.catpart 文件,然后点击开始菜单→分析与 仿真→Generative Structural Analysis→Static Analysis 进入静态分析功能, 定义夹紧约束于零件左端面,在右端面加载-500N 的 Y 方向载荷。定义好静态的 约束与载荷之后,就可以分析此工况下的屈曲模态,具体操作如下:点击 CATIA 窗口顶部的插入菜单(图 5-35 右上角所示)在静态分析中插入屈曲分析,然后 可以点击 进行求解。
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求解完成后,在模型树上点击图 5-35 左所示 Buckling Case Solution.2 右键菜单中的 Generate Image 进行屈曲模态可视化处理,则弹出图 5-35 右下所 示 Image Generation 对话框,选定一种图形类型,再点击 Select 按钮,在 5-36 所示 Buckling Factors 对话框中选择相应的模态,可做出多种模态下的图形, 图 5-36 为一阶,三阶,五阶模态图。

图 5-35 Buckling Case 插入菜单和 Buckling 图像生成菜单对话框

图 5-36 Buckling Case 模态选择对话框和多阶模态图示例

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5.4.2 Frequency Analysis (频率分析 ) Analysis(频率分析 (频率分析) 频率分析用于分析模型的频率特性和模态,分为添加约束的 Frequency Analysis 和无约束的 Free Frequency Analysis 两种。频率分析中,用户只能添加 约束( Restranits )和质量密度( Mass Density ) ,不需要也不能添加载荷

(Loads) 。 在此, 首先讲解质量密度的添加方法, 然后阐述频率分析的基本过程。 A、质量密度( Mass Density) 分布质量(Distributed Mass) ,分布质量用来建立纯惯性系统特性(比如 说附加装置)的模型。该按钮可将指定的质量均布于虚件(Virtual Part)或者选 定的几何之上,相当于集中质量施加于特定点(质心)。 线质量密度 (Line Mass Density) , 施加质量密度于指定曲线/边, 单位 kg/m。 ,施加于面/曲面,单位 kg/m2。

面质量密度(Surface Mass Density)

B、Frequency Analysis 分析过程 有两种方法创建分析案例:可直接从图 5-1 所示的开始菜单然后图 5-2 左侧 所 示 对 话 框 选 取 Frequency Analysis 创 建 频 率 分 析 案 例 ; 或 者 先 进 入 Static Analysis,再利用图 5-35 所示插入菜单中的 插入一个频率分析案例

到已有的分析模型中。 如打开附盘内的 GPS_frequency1.catpart 文件,通过开始菜单分析与仿真 →Generative Structural Analysis→Frequency Analysis 进入分析模块开始 频率分析,此时,必须添加约束,可以选择添加质量密度。然后计算即可。图 5-37 是例子文件添加了左端面夹紧约束,然后计算得到的四阶模态米塞斯应力 图和位移图。 (注:可以通过双击模型树上图形项目调整图形显示哪阶模态)

图 5-37

简单轴类零件模态分析示例

5.4.3

Combined Case(组合分析案例)

组合分析案例用于组合两个以上不同的静态分析案例,通过给每一个静态分 析案例指定一个加权系数 coefficient,实现一个合成的分析案例,通过组合分析, 用户可以减少计算工作量, 通过多样化调整加权系数,可以用少量的时间开销获
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得用户需要的多种求解方案。 打开附盘内 GPS_Combined.catpart, 然后进入 Static Analysis,添加夹紧约束于 4 个底座凸台,再添加轴承载荷于中央内孔,参数见 图 5-38,至此,第一个 Static Case 定义完毕;

图 5-38 第一个 Static Case 的轴承载荷定义

接着点击顶部插入菜单的

,插入第二个 Static Case ,在弹出的

Static Case 对话框中,选择参考(Reference)原来的夹紧约束(需鼠标选择模型 树上的 Clamp.1) ,New(新建)Loads (载荷)和 Masses(附加质量) ,接下来 定义第二个案例的载荷为施加于中央外表面的 Y 方向扭矩 400Nm(图 5-39) 。

图 5-39 第二个 Static Case 的扭矩载荷定义

接着插入第三个 Static Case, 仍然参考 Reference 原来的夹紧约束, 新建 New 载荷为施加于中央顶部的 Y 向-500N_m2 面密度力(Surface Force Density)。定义 好三个静态分析案例之后,点 进行求解。求解完毕,点击 CATIA 顶部插入菜单 的 建 立 组 合 分 析 案 例 , 模 型 树 上 出 现 ,双击进行组合案例的详细定义,弹出图 5-40
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所示定义对话框,选择模型树上 Static Case Solution.3 至对话框的 Selected Solution 栏, 且输入系数为 0.3, 然后在对话框内列表栏项目条上点击鼠标右键, 选择右键菜单中的 ADD 实现添加,接着添加 Static Case Solution.2,系数为 3, 和 Static CaseSolution.1,系数为 1。至此,Combined Solution 定义完毕。再 点击 进行计算,不过这时候计算过程相当快(因为组合分析案例只是加权组合 各子案例的结果,所以基本不消耗时间) 。然后可以可视化后处理(米塞斯应力 如图 5-41 所示) , 最重要的是用户可以调整各加权系数快速实现多种载荷组合状 态下的应力应变结果。

图 5-40 组合分析案例的详细定义对话框

图 5-41 三个静态分析案例合成的组合案例米塞斯应力图

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5.4.4 Dynamic Response Case(动态响应分析) 动态响应分析是静态分析和频率分析的合成,在定义动态响应之前,用户必 须 已 经 拥 有 计 算 完 成 的 一 个 静 态 分 析 案 例 ( Static Case ) 和 频 率 分 析 案 例 (Frequency Case) 。 动态响应分析将综合考虑一定约束和载荷下的静态特性和频 率响应特性, 分为 Harmonic Dynamic Response Case 和 Transient Dynamic Case (频 域分析和时域分析) 。下面,通过一简单示例演示创建过程。 打开附盘内的 gps_dynamicresponse.catpart ,然后进入 Static Analysis 功能, 静态分析的约束定义为左端面夹紧,载荷定义为右端面 Y 向-200N 均布力, 如图 5-42 所示。

图 5-42 动态响应分析中的静态分析案例定义

然后利用 CATIA 顶部插入菜单的

插入一个 Frequency Case。

利用原来 Static Case 的约束,新定义一个均布质量 Distributed Mass 于右端面, 如图 5-43 所示。然后全部计算求解(Compute) 。

图 5-43 动态响应分析中的频率分析案例定义

至此,可以通过

插 入 一 个 Dynamic Response

Case。在弹出的对话框中选择图 5-44 所示模型树中的 Frequency case Solution.1 至对话框第一栏,然后可以选择新建 载荷激励 Load Excitation 还是约束激励 Restraint excitation(此例中尚未创建过类似激励,所以只能选择新建 New, ) 。 从 图 5-45 所示模型树中可以看出动态响应分析需要用户定义激励载荷和阻尼。而 在定义激励载荷之前,用户必须预先定义了白噪声调制(white noise modulation 常值调制)或者从文件引入调制(modulation from a file) ,{因为激励载荷的定义 需要用户提供调制(modulation)}。双击模型树上的 弹出图 5-45

所示激励载荷定义对话框,用户需要选定载荷集、调制、调制系数和相位。
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图 5-44

如何新建 Harmonic Dynamic Response Case

图 5-45 动态响应模型树图示 & 激励载荷定义对话框

CATIA 自动定义了默认阻尼,用户可以双击

弹出图 5-46 所示对

话框来修改,可见存在两种类型阻尼:Modal Damping(模态阻尼)和瑞利阻尼 (Rayleigh damping) 。计算公式分别为 C r = 2 mk 、 [C ] = α [M ] + β [K ]。其中 m 表示系统质量, k 表示刚度。选定类型后,可以点击对话框中的 图标在接着

弹出的对话框中(图 5-47 左为 Modal,右为 Rayleigh)定义阻尼系数。用户可以 一次性为 10 阶模态指定同一个系数,也可以通过选中 每个模态单独指定不同的系数。 来给

图 5-46 阻尼选择定义对话框

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图 5-47 Modal Damping 和 Rayleigh Damping 系数定义框

定义好激励载荷和阻尼之后,双击模型树中 在弹出的图 5-48 所示对话框中指定模型的工作频段和分析步数。然后 求解之后,可以利用

, 求解。

察看感兴趣的结果图形。双击模型树上的结果图

形,可以在弹出的对话框中定制希望显示的工作频率(或者对应的 Step) 。

图 5-48 工作起止频段及步数设定对话框 & 132.5HZ 处米塞斯应力图

5.4.5 Static Constrained Analysis(静约束模态) 静约束模态分析和静态分析不同的是只考虑约束,不考虑载荷作用。同 样利用顶部的插入菜单获取,过程相对简单,在此不再赘述。

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5.5 装配件有限元分析 GAS 简介
装配件的有限元分析和零部件有限元分析的获取方法及分析方法(前处理, 计算、后处理)基本上是一致的,唯一的不同在于需要建立有限元分析专用的连 接特性(Connection Property)来明确各零部件之间的连接特性(包括相互位 置关系、力的传递关系等等) ,从而保证载荷和应力应变在部件之间通过连接特 性进行有效传递,达成装配件的一体化分析。而连接特性的创建必须以一定的连 接关系为基础,所以,本节先介绍连接关系和连接特性,然后举例说明。 5.5.1 创建连接关系

连接关系不能直接用于有限元分析,连接关系的创建是为定义连接特性做准 备,零件之间的连接关系通常可为如下两种: A、装配件设计模块中指定的约束 通 过装 配件 设计 ( Assembly Design ) 模块 中 定 义的 约束 ( Constraints ) 确定零件之间的连接关系,其中尤以重 合(Coincidence 过程应用较多。 B、利用分析模块工具条定义连接关系 CATIA 分析模块中提供了 Analysis Connection 工具条 零部件之间的连接关系。 用于定义 )和表面接触约束(Surface Contact )两种连接特性定义

为 General Analysis Connection 通用连接,用于在装

配模型中连接两个任意几何形状,不在乎几何元素的类型。连接建立后在模型树 的 中显示; Point Analysis Connection 为 为

点连接关系,分别用于模拟两个零件之间和一个零件内的焊点连接;

Line Analysis Connection 线连接关系,分别用于模拟两个零件之间和一个零件内 的焊缝连接。后面的例子中用到时再配图阐述。 5.5.2 创建连接特性

前面建立的连接关系以及在装配件中建立的零件之间约束都只是说明了零 件之间的连接关系, 必须将这些连接关系转化为有限元能够认知和接受的连接特 性,才能进行装配件有限元分析。CATIA 提供的连接特性工具条 展开后为 阐述。 A、滑动连接特性(Slider Connection Property) 滑动连接限定两个零件在接触边界法线方向上一起运动,而允许在接触边界
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, 。 接下来详细

的切线方向上存在相对运动, 且该连接考虑相互作用弹性变形的影响。一般选定 作为支撑,建立完成后在模 型树的 中将出现新特性标示 。图 5-49 是利用螺栓与法兰之间的面接触约束作为支撑而定义的滑动连接特性。 或者

图 5-49 利用面接触约束作支撑建立滑动连接特性

B、接触连接特性(Contact Connection Property) 接触连接限定两个实体在公共的边界之上不相互穿透,在用户定义的接触间 隙(Clearance)之外,两个零件可以任意运动。它们接触后仍然可以分开,或 者沿切向运动, 但不能减小法向间隙, 该连接也考虑了相互作用弹性变形的影响。 一般选定 模型树 方法详见后面实例。 或者 中出现新特性标示 作为支撑,完成后 。定义

C、扣紧连接特性(Fastened Connection Property) 扣紧连接将两个零件在公共边界上固定在一起,像一个零件一样的工作,也 考虑了两个零件相互作用产生的弹性变形,方法基本同上,略。 D、扣紧弹簧连接特性(Fastened Spring Connection Property) 扣紧弹簧连接将两个零件弹性扣紧,用户可以设定弹簧的三维线性刚度和扭 转刚度。 E、压力配合连接特性(Pressure Fitting Connection) 一般用来连接两个通过过盈配合连接在一起的零件。根据 Overlap 值确定是 过盈配合或者间隙配合,能较为精确地反映出相互作用产生的应力状态 。 (注: 即使零过盈量仍能有效传递扭矩) 。详细定义过程参见后面实例。 F、 螺栓紧定连接特性(Bolt Tightening Connection Property) 在两个零部件之间建立螺栓连接,可设定预紧力(Tightening Force) 。支撑 通常可选定为接触 Contact 或者同心 Coincidence。详见后面实例。 G、刚性连接特性(Rigid Connection Property) 将两个零件在公共边界上刚性固定在一起,假定公共边界有无限大的刚度, 即不考虑相互作用的弹性变形影响。 连接之后就像在两个实体之间连接了一个完 全刚性的虚拟零件一样。 该连接可以用于处理两个不一致的零件网格。支撑通常 Offset 偏移、 Angle 夹角、 General Analysis Connection 可选定为 Coincidence 同心、 等。图 5-50 为一刚性连接特性建立实例。
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图 5-50

以 Offset 约束为支撑建立盘和轴之间的刚性连接特性

H、柔性连接特性(Smooth Connection Property) 柔性连接将两个零件在公共边界上固定在一起,该连接考虑界面上的弹性变 形能力, 就像在两个零件之间连接了一个柔性虚拟零件一样。定义过程和方法基 本同上。 I、 虚拟螺栓紧定连接特性(Virtual Bolt Tightening Connection Property) 虚拟螺栓紧定连接模拟前面提到的螺栓紧定连接,但不用建立螺栓,而是通 过虚拟螺栓来替代,作用基本相同。可选定同心 Coincidence 约束或者通用连接 关系作为支撑。定义过程见后面实例。 J、 虚拟弹性螺栓紧定连接(Virtual Spring Bolt Tightening Connection) 和上一个略有不同的是采用弹性螺栓,可以定义三维线性刚度和扭转刚度。 图 5-51 为利用两个内孔面之间的 General Analysis Connection 作为支撑定义出虚 拟弹性螺栓。

图 5-51

利用 General Analysis Connection 定义虚拟弹性螺栓

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K、用户自定制距离连接特性(User-Defined Distant Connection Property) 用户自定制距离连接特性具有极大的通用性和灵活性,用户根据自己的需要 定制连接关系,一般来说,通过该按钮能定义任意连接关系。其定义界面如图 5-52 所示,可以选定距离位置约束作为支撑。该连接依次通过起始部分 Start、 中间部分 Middle、终止部分 End 这三个虚拟环节将两个零件连接起来,可在对 话框中选定这三部分的类型,类型可能为:刚性、梁、螺栓、弹性和刚性、刚性 和弹性、梁和弹性、螺栓和梁等。选择相应类型后,还可以利用 进一步定制。

图 5-52 用户自定制距离连接特性定义

L、点焊连接特性(Spot Welding Connection Property) 通常选择焊点连接关系作为支撑,建立焊点连接特性,类型可以依照图 5-53 所示的五种进行选定,选定相应类型后还可以利用 进一步定制。 M、缝焊连接特性(Seam Welding Connection Property) 通常选定焊缝连接关系作为支撑来建立缝焊连接特性。类型可依照图 5-53 所示七种进行选定,选定相应类型后还可以利用 进一步定制。

图 5-53 点焊连接特性和缝焊连接特性定义对话框

5.5.3

装配件分析实例

打 开附 盘内 装配 件 GPS_PRODUCT.CATPART , 且进 入 静 态分 析( Static Analysis)模块,如图 5-54 所示装配图上包含了 5 个零部件:左侧基座,带法兰

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的轴利用两个螺栓固定在左侧基座, 还有两个空的螺栓孔是预留给将来定义虚拟 螺栓 Virtual Bolt Tightening 的。 ,轴端右侧过盈安装一盘状零件。材料指定如下: Left_base 和 Bolt 为 iron,Shaft 为 Steel,Disk 为 Bronze。从图 5-54 可以看出, 已在装配件设计中定义了一系列约束, 接下来的连接特性创建过程中可以利用这 些约束,也可以从头创建连接关系,然后利用连接关系创建连接特性。

图 5-54

有限元分析的装配件

A、建立左侧基座与法兰轴之间的接触连接特性 点击 Contact Connection,弹出图 5-55 所示定义对话框,选定模型树上的

Surface Contact.1 作为支撑,确定完成左侧基座与法兰端面之间的接触连接特性 定义。打开模型树中 表项。 ,可见 列

图 5-55

左侧基座与法兰端面的接触连接特性定义

B、两个螺栓与法兰及底座之间的连接特性 螺栓与底座之间的连接特性定义,不单需要通过螺栓连接来限定两者之间的 轴向绑定, 还需要定义螺栓与法兰面之间的接触特性来限定螺栓与轴端法兰轴向 不能穿透, 螺栓外圆面与法兰孔面之间的接触特性来限定两者之间圆周方向不会
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窜动; 而这两个接触特性的定义需要用到约束或者连接关系,在装配件设计过程 中,没有定义螺栓外圆面与法兰孔面之间的接触约束(只定义了轴线重合) ,这 样就需要先利用 General Connection 创建二者之间的通用连接,步骤如下: 点击 ,弹出图 5-56 所示 General Analysis Connection 定义对话框,选择螺

栓外表面为 First Component,对应法兰内孔面为 Second Component ,确定完成 定义(注意:由于二者装配在一起,相互遮挡。可能不好选择,此时可利用鼠标 右键或 按钮隐藏法兰轴,然后利用 按钮交换可见空间来交替选择法兰轴内

孔和螺栓外圆面。图 5-56 就隐藏了法兰轴) 。 同样的步骤重复第二个螺栓外表面和法兰内孔的连接关系定义。

图 5-56

螺栓外表面和法兰内孔的连接关系定义及

按钮利用

接下来,可以利用上述通用连接关系和装配约束创建需要的 4 个接触连接特 性,点击 Contact Connection,在弹出对话框中选定刚创建的 General Analysis

Connection 作为支撑,实现 2 个接触连接特性的定义,再选定装配件约束中的 Surface Contact.10 和 Surface Contact.13 作为支撑定义另外 2 个接触连接特性。 结 果如图 5-57 所示。

图 5-57

利用通用连接关系作为支撑定义接触连接特性

接下来就需要定义螺栓与底座之间的
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Bolt Tightening Connection Property

螺栓紧定连接特性。点击

按钮,选定 Coincidence.14(注:螺栓与底座之间的

重合,这样建立的螺栓配合前面的接触连接特性才能将螺栓、法兰、底座三者有 效地连接起来,如果重合是螺栓与法兰之间的,则仅能将螺栓与法兰螺栓连接) 至弹出的对话框中 Supports 作为支撑,输入预紧力 300N,通过调整 Orientation 确保螺栓标示如图 5-58。 同样的方法实现第二个螺栓紧定连接特性定义, 支撑选 定为 Coincidence.11。

图 5-58 螺栓紧定连接特性定义

C、两个虚拟螺栓紧定连接特性定义 还有两个空缺的螺栓孔,用法兰与底座之间的虚拟螺栓紧定连接 击 定义。 点

按钮,弹出图 5-59 所示对话框,选定 Coincidence.3 作为支撑,输入预紧力

300N,确定完成一个虚拟紧定定义。同样的方法选定 Coincidence.4 作为支撑完 成第二个定义。

图 5-59 虚拟螺栓紧定连接特性定义

D、轴和盘类件之间过盈连接特性定义 点击 按钮,弹出图 5-60 所示 Pressure Fitting Connection Property 定义对话

框,选定 Coincidence.7 作为支撑,输入假定的 Overlap 过盈量 0.3mm,确定完成 过盈连接特性定义。

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图 5-60 轴和盘类件之间过盈连接特性定义

E、左侧基座的约束定义 通过约束限定左侧基座的六个自由度,步骤如下: 点击 Surface Slider 约束基座的两个内孔面,再点击 Advanced Restraints

约束基座底面的 Y 方向平移自由度,分别如图 5-61 所示。

图 5-61 利用 Surface Slider 约束内孔 和利用 Advance Restraints 约束底面

F、载荷添加 所有载荷全部添加于盘类零件,其承受扭矩和轴向力。 点击 添加 Z 方向 300Nm 力矩于盘类零件的外圆周面,如图 5-62 左所示。 点击 添加 Y 方向-200N,Z 方向-300N 均布载荷于盘类零件外圆周面,如

图 5-62 右所示。

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图 5-62 添加在外圆周面的力矩和均布载荷

至此,获得模型如图 5-63 所示。

图 5-63 定义完成的装配件有限元模型

点击 利用

进行计算,完成后通过



可以得到米塞斯应力云图和位移图,

按钮沿 X 方向排布两个结果图如图 5-64 所示。 可见应力最大区域在过盈 内的

配合区, 双击模型树

将过盈量改为 0mm,结果如图 5-65 所示。
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此外,还可以定制色带图:双击图 5-65 中 Von Mises Stress 色带区或文字, 弹出图 5-66 所示色带图编辑对话框, 其中 Number of Colors 用于指定色带图划分 为多少个区段;Smooth 用于指定色带变化是否平稳;Inverse 用于反转冷暖色调 代表应力的低高情况; Imposed Max 表示强制指定应力云图显示的最大值; Imposed Min 用于强制指定应力云图显示的最小值。

图 5-64

0.3mm 过盈时米塞斯应力图和位移图

图 5-65

0mm 过盈时米塞斯应力图和位移图

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图 5-66 装配件应力云图的定制

5.6 汽车零件分析实例
有限元分析有效与否,最关键的是载荷和约束的处理要合理,尽量逼近真实 工况才能得到有效的分析结果,另外,要注意网格的细化程度,为了节省计算时 间开支,通常不是所有网格都细化,而是对临近约束和载荷的区域、以及容易产 生应力集中的区域等等进行局部细化, (在整体网格都具有一定程度细化的基础 上) 。最后,分析的结果可靠与否,必须与实验结果或者经过验证的经典分析方 法相比对才能确定。 5.6.1 静态分析实例(连杆)

此例利用汽车发动机连杆进行静态分析示范。汽车发动机连杆受力和约束模 式较为复杂,期刊论文和学位论文常见连杆有限元分析的内容,本例参照吉林大 学罗洁硕士论文中的方法进行连杆的前处理工作,但由于模型不同,且此例仅为 演示只用,所以有所简化。 发动机连杆上连活塞销,下连曲轴;工作时,曲轴高速转动,活塞高速直线 运动;且连杆工作时,主要承受两种周期性变化的外力作用,一是经活塞顶传来 的燃气爆发力,对连杆起压缩作用;二是活塞连杆组高速运动产生的惯性力, 对 连杆起拉伸作用,这两种力都在上止点附近发生。 连杆失效主要是拉、压疲劳断裂所致,所以通常分析连杆仅受最大拉力以及 仅受最大压力两种危险工况下的应力和变形情况。具体分析时,最大拉力取决于 惯性力, 所以取最大转速时对应的离心惯性力加载;最大压力则根据燃气压力和 惯性离心力的作用取标定工况或者最大扭矩工况。 打开附盘内 GPS_Connect_rod.CATPart 文件,点击开始菜单 → 分析与仿真 →Generative Structural Analysis, 在 New Analysis Case 对话框中选定 Static Analysis 作静态分析,模型如图 5-67 所示。

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图 5-67 一体化连杆有限元模型

A、先双击模型树中 所示对话框修改网格参数,以拥有较为合适的计算精度。

,并按照图 5-68

图 5-68 网格划分参数调整

B、最大拉力工况分析 假定发动机最大转速为 5000rpm,可认为连杆整体绕曲轴中心以这个圆周速 度运动,此部分力用 Rotation Force 来添加。

另外,活塞组的惯性力通过活塞销作用于连杆小头内孔,此力可通过计算, 然后利用柔性虚件添加至小头内孔。 至于约束情况,可以假定连杆大头内孔夹紧。下面依次添加。 点击 添加夹紧约束于连杆大头内孔,如图 5-69 所示。

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图 5-69 夹紧连杆大头内孔

再点击

Rotation Force 来添加离心作用力,在图 5-70 所示弹出对话框中 作为 Supports,旋转轴

选定整个零件体或

线则选定为图中连杆大头下方代表曲轴中心的直线(距离大头中心 60mm,表示 曲拐为 60mm) ,输入转速 5000rpm。

图 5-70 添加连杆离心力

接下来就需要在连杆小头内孔建立柔性虚件,点击

按钮,选定小头内孔

面作为柔性虚件的支撑,如图 5-71 所示。 (思考:用何种虚件最恰当?仔细考虑 再参阅本例后记)

图 5-71 柔性虚件定义于小头内孔

再利用刚定义的柔性虚件添加活塞组的离心拉力,此力可依照如下公式计
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算:

p = m ? R ? ω 2 (1 + λ )
其中:m 为活塞组质量、R 为曲轴的曲柄半径、ω为单位换算成弧度/秒的转 速、λ为连杆比,即 R/连杆大小头内孔中心距。 代 入 假 定 的 活 塞 组 质 量 1.56kg , R=0.06m , ω = π *5000/30=523.6 , λ=0.06/0.21=0.2857,可得离心拉力 p=32992N。 将获得的活塞组离心拉力以均布力的方式沿指定方向添加至柔性虚件即可, 点击 ,选择定义好的柔性虚件至 5-72 所示弹出对话框的 Supports 栏,在 X

方向输入离心力 32992N 完成定义。

图 5-72 添加活塞组离心力至柔性虚件

前处理工作至此完毕,可点击 可通过 示位移图。然后点击

按钮进行计算,计算大约需要几分钟,然后 , 显示米塞斯应力图; 再点击 显

按钮察看计算结果。 点击

沿 Y 向排布这两个图形(注意:两个图形都需要通过右

键菜单中的 激活) ,可得图 5-73 。此图看上去非常夸张,好像 连杆小头已经彻底拉垮了, 其实通过位移图可以看出, 最大位移也不过 0.194mm。 这种现象可以通过点击 (Amplification Magnitude)按钮,在弹出的图 5-74 所 示对话框中调节放大系数来修正。 分析结果,可以看出最大应力约为 2.53e+8N_m2。这接近甚至超过了钢的屈 服值,是很危险的,需要进行结构改进才能适应工况需求。 还可以利用 (Image Extrema)按钮来分析图形中的极值点和应力较高区 域,点击 按钮,针对应力图形进行分析。在弹出的图 5-75 所示对话框中设定 1 个全局极值点和 3 个局部应力较高点。模型树上可见这 4 个应力最大点的列表 项,在每一个极值点列表项上(比如说: ) ,点击右键,都可 以在获取的右键菜单中通过 进行定焦。这样就可以很方便地查看在零 件的哪几个部位应力较大,取值多少。 (如图 5-76 为针对 Local Maxiumum.3 定

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焦。分析可得应力最大值在小头中间截面,较为集中区域则在大头凹槽附近) 。

图 5-73 最大拉力工况下米塞斯应力和位移图

图 5-74 调整了放大系数之后的连杆应力图和位移图

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图 5-75 利用 Image Extrema 定义和编辑极值点分析需求

图 5-76 对 Local Maxiumum.3 定焦可见连杆大头凹槽附近应力较为集中

C、 最大压力工况分析 最大压力工况时,可将活塞顶传来的燃气爆发力按照同上的柔性虚件模式添 加。取最大扭矩时对应转速进行分析。 添加到柔性虚件上的力可按下面公式计算:

π ? D2 p压 = PZMAX ? P活塞离心 4
比如最大燃气压力 114.9bar,此时转速为 2600rpm。取活塞直径为 0.1m, 则 可算得 P 压为 90196.5-8927=81269N。

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利用 CATIA 顶部插入菜单中的

,插入一个新的静态分析实例到 至右侧 至右

现有文件中,在弹出的菜单中选择参照现有约束,并选定 灰色的参照约束指定框中;同时选择参照现有载荷,同理选定

侧灰色载荷指定框中,然后确定。进入新的静态分析案例之后,只需双击新案例 模型树中的 ,将加在小头柔性虚件上的均布力改为

-81269N 即可进行计算,计算后可得结果如图 5-77 所示。同理,该结构连杆不 适合在此工况下工作,因为最大应力为 2.93e+8,超过钢材屈服值。

图 5-77 最大压力工况下的分析结果图

后记: 1、本例没有进行疲劳分析,完整的分析流程应该还有改进结构设计并重新 分析,然后根据新得到的应力值进行疲劳寿命计算来校验零件设计是否可行。 本 例也没有进行自适应分析或者改进网格划分方案以提高分析的精度。 这些工作都 留给读者自己尝试。 2、其实本例的连杆小头加载方式有明显不恰当的地方。柔性虚件并不是最 合适的加载方式, 活塞组的惯性质量通过活塞销作用于连杆小头, 连杆小头与活 塞销之间最合适的传递方式应该是接触虚件, 即集中载荷作用于接触虚件, 再由 接触虚件传递至连杆小头内孔,当然也可利用轴承载荷直接加载于连杆小头内 孔。 (接触虚件定义时,Supports 选定为小头内孔,Handler 选定为小孔圆心点。 需要利用高级约束限定选定的 Handler 操作点除 X 轴向平移以外的所有自由度, 然后将计算所得的活塞组惯性力加于接触虚件, 以这种模式来替代柔性虚件较为 合理。相应模型参见附盘中的 gps_connectrod_contactvirtual.catanalysis 文件,该
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文件提供了这两种加载模式的模型:接触虚件和轴承载荷。从分析结果来看, 这 两种模型结果较为接近。 连杆小头中间截面均为危险截面,应力值比柔性虚件分 析模式更大,如果计算条件允许,读者还可通过优化网格来获取分析精度更高的 分析结果。 ) 5.6.2 模态分析实例(曲轴)

此例利用汽车发动机曲轴模型进行自由模态分析和约束模态分析。自由模态 分析时通过刚性虚件加两个代表前后附件的质量, 约束模态分析时加以一定约束 同时附加活塞组质量。 打 开 附 盘 内 零 件 Gps_CrankShaft.catpart , 点 击 开 始 菜 单 → 分 析 与 仿 真 →Generative Structural Analysis,在 New Analysis Case 对话框中选定 Free Frequency Analysis 作自由模态分析,模型如图 5-78 所示。

图 5-78

曲轴自由模态分析模型

先定义第一个刚性虚件(Rigid Virtual Part)于装飞轮的法兰盘,点击 , 在 弹出对话框中选定 Supports 为图 5-79 所示法兰端面, Handler 控制点选定为 Translate.3 这个点。

图 5-79

法兰断端刚性虚件的定义

接下来定义第二个刚性虚件于右侧有两处铣平的轴段, 点击 ,在弹出对话 框中选定 Supports 为图 5-80 所示轴段两个侧面(选两次) ,Handler 控制点选定 为 Translate.2 这个点。

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图 5-80

铣平轴段刚性虚件的定义

然后就可以利用这两个虚件添加附加质量,点击 ,选定法兰虚件至图 5-81 所示对话框的 Supports 栏,输入 Mass 为 2.46kg,完成第一个质量添加;同样的 方法定义第二个质量,Supports 选定为轴段虚件,输入 Mass 为 1.8kg。

图 5-81

利用刚性虚件定义附加质量

至此,前处理工作完成,可以着手进行计算。在计算之前,可以双击模型树 中的 Frequency Case Solution.1,在 5-82 所示对话框中调整计算参数:要求解的 模态,计算方法及参数。此例,我们求解前 12 阶模态(默认参数为 10 阶) 。

图 5-82

计算方法调整

然 后点 击

, All 全 部 计 算。 计算 完 成 后 , 进行 后处 理。 点击

显示

Displacement 位移图,默认状态下图形以 Symbol 符号模式显示,可双击模型树
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上的

调整显示模式和感兴趣的模态。将显示模

NORMALIZE。 式调整为图 5-83 所示 VERAGE-ISO, 再切换至 occurrences 卡片, 将显示模态切换为第 6 阶, 可得图 5-84。 从结果可以看出前 3 阶模态是刚体模式, (频率为零) 。

图 5-83

显示模式调整

图 5-84

调整显示模态

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接 下 来 尝 试 约 束 模 式 模 态 分 析 , 点 击 CATIA 顶 部 插 入 菜 单 中 的 , 插入一个约束模态分析至现有分析中, 系统弹出图 5-85 所示对 话框,在对话框中选定:参照 Reference 原来的附加质量 Masses.1,新建 New 约 束集;确定。

图 5-85 插入 Frequency Case 对话框

假设将要设定的约束为:仅松开发动机缸体和曲轴 4 个接触轴段之间的转动 自由度,而限定其它五个自由度,则可以利用圆锥铰约束(Pivot) 约束来限

定相应的 5 个自由度。前面阐述过圆锥铰约束只能添加于虚件,所以,需要建立 4 个刚性虚件于相应轴段, 然后再添加圆锥铰约束。选择 依次定义 4 个刚性虚 件于图 5-86 所示的 4 个轴段。

图 5-86 定义 4 个刚性虚件于图示轴段

然后点击

按钮依次添加 4 个圆锥铰约束于刚定义的虚件,松开 Y 向转动

自由度,如图 5-87 所示。

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图 5-87 施加圆锥铰约束于 4 个虚件

接下来就是计算求解及基本同上的后处理,点击

显示 Displacement 位移

图,双击模型树上的 调整显示模式和感兴趣 NORMALIZE。 的模态。 将显示模式调整为 VERAGE-ISO, 再切换至 Occurrences 卡片,将显示模态切换为第 4 阶,可得图 5-88。

图 5-88 第 4 阶模态位移图

例中没有添加 6 个活塞组的质量,读者可以自行尝试 6 个添加柔性虚件,然 后 利 用 虚 件 添 加 假 定 质 量 1.56kg , 再 分 析 模 态 结 果 ( 参 附 盘 内 GPS_Crankshaft.CATAnalysis 文件,结果如图 5-89 所示) 。

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图 5-89 添加活塞附加质量后第 1 阶模态位移图

5.7 本章小结
本章先利用一个简单的入门实例,引导读者达成对 CATIA 有限元分析的初 步理解;然后较为详细地阐述了 CATIA 如何实现有限元分析的三个环节:前处 理、计算、后处理;扎实掌握这些知识足可进行一般的静力分析,接下来应该掌 握的是 CATIA 多种分析类型的特点和用途,针对不同的工程需求,采用相应的 分析类型来获取结果。本章还以实例方式讲解了装配件整体有限元分析的方法、 连杆的静力有限元分析和曲轴的模态分析。 这三个实例能比较好地促进读者理解 CATIA 如何理想化模型且进行分析。但有限元分析水平的提高尚有待用户进一 步学习约束、载荷和模型的理想化技术,多查阅借鉴工程分析实例来增强分析经 验。 CATIA 提供的分析模块还有 差分析平台和 装配变形的公 高级网格划分工具。 限于篇幅, 此章没有讲解,

此外,有些后处理的技巧也没有过多提及,需要用户多练习多尝试。

思考题: 1、自拟一零件,对比施加等同大小效果的均布力和面密度力时,二者的分析结 果有何不同之处。 2、熟练掌握后处理技巧,如利用断面察看结果,分析应力极值点和极值区域,

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练习有限元分析的报告包含的内容等。 3、自拟一装配件,并利用装配件有限元分析知识,进行一体化分析。 4、对比书中连杆小头施加柔性虚件、接触虚件、轴承载荷三种不同模式时的效 果,并分析为什么会出现这种情况。 5、练习曲轴实例中的活塞组质量添加情况,并分析结果。 6、限于篇幅,书中没有过多地提及自适应分析,读者应自己尝试全局自适应体 和局部自适应体的建立,并进行自适应分析,直到得到满意效果为止。

参考文献
1、CATIA Help 2、CATIA Companion

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