ProE Mechanica有限元分析入门教程

Pro/E Mechanica有限元分析入门教程
一、进行Mechanica分析的步骤：
1)建立几何模型:在Pro/ENGINEER中创建几何模型。

2)识别模型类型:将几何模型由Pro/ENGINEER导入Pro/MECHANICA中，此步需要用户确定
模型的类型，默认的模型类型是实体模型。

我们为了减小模型规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。

3)定义模型的材料属性。

包括材料、密度、弹性模量、泊松比等。

4)定义模型的约束。

5)定义模型的载荷。

6)有限元网格的划分：由Pro/MECHANICA中的Auto GEM(自动网格划分器)工具完成有限元
网格的自动划分。

7)定义分析任务，运行分析。

8)根据设计变量计算需要的项目。

9)图形显示计算结果。

二、下面将上述每一步进行详解：
1、在Pro/ENGINEER模块中完成结构几何模型后，单击“应用程序”→“Mechanica”,弹出下
图所示窗口，
点击Continue继续。

弹出下图，启用Mechanica Structure。

一定要记住不要勾选有限元模式前面的复选框，最后确定。

2、添加材料属性单击“材料”，进入下图对话框，选取“More”进入材料库，选取材料
Name---------为材料的名称；
References-----参照Part（Components）-----零件/组件/元件
V olumes-------------------体积/容积/容量；
Properties-------属性Material-----材料；点选后面的More就可以选择材料的类型
Material Orientation------材料方向，金属材料或许不具有方向性，但是某些复合材料是纤维就具有方向性，可以根据需要进行设置方向及其转角。

点选OK，材料分配结束。

3、定义约束
1）：位移约束
点击，出现下图所示对话框，
Name 约束名称
Number of Set 约束集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Reference 施加约束时的参照，可以是surfaces（面）、edges/curves（边或曲面）、points（点）等
Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系
Translation 平动约束（Free为自由，fixed为固定，Prescribed为指定范围）
Rotation 旋转约束单位为度
Individual--------------单独的、孤立的
Surf Options----------面选项
Part Boundary---------零件的选择。

点击OK结束。

2）：对称约束
点击，出现下图所示对话框，
Name 约束名称
Number of Set 约束集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Type 约束类型有Mirror(镜像)和Cyclic(循环)对称两种类型
Reference 施加约束时的参照，可以是surfaces（面）、curves（曲面）、points（点）等，点击OK结束。

4、定义载荷
1）
加载集中力或力矩，点击，出现
Name 基本载荷工况名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Reference 施加载荷时的参照，可以是surfaces（面）、edges/curves（边或曲面）、points
（点）等
Properties 选择坐标系，默认为全局坐标系
Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式，可以加载载荷总值，也可以在每单位面积或点上加载；载荷的大小可以用函数来控制，使得载荷的施加非常方便。

Distribution-------分布Total Load------总载荷
Force Per Unit Length---单位长度载荷
At Point---载荷作用于一点
Spatial Variation 空间变化Uniform--------均匀分布
Function of Coordinates 使用函数分布
Interpolated Point Loads 使用插值定义分布，在Surface Load中无此选项
Force-------为力，Moment-------为力矩
2）加载分布力，点击，出现
Name 基本载荷工况名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Reference 施加载荷时的参照，只能选择surface（面）
Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式。

可以均匀加载，可以用函数加载，也可以通过外部.fnf格式的文件加载
Value----------为加载的值
3）轴承载荷
Name 基本载荷工况名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Bearing Hole--------Hole/Pin 为孔或销钉（注：圆孔不能够定义力矩）4）加载重力载荷，点击，出现下图对话框，
Name 重力载荷名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系
Acceleration 定义重力加速度方向及大小
5）离心载荷
Name 离心载荷名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称。

Rotation Origin and Coordinate System 旋转原点和坐标系的选择，默认为全局坐标系Angular Velocity 角速度大小及方向
Angular Acceleration 角加速度方向及大小
6）热载荷
Name 离心载荷名称
Number of Set 载荷集名称，点击New可以新建约束集的名称
Reference Temperature 参照温度是模型未受力或自由状态时的环境温度。

5、定义idealizations
1）：壳单元
点击，弹出下图所示窗口，
Name 壳单元名称
Type Simple（简单）和Advanced高级两种类型，高级中可以定义材料方向Reference 定义壳单元时的参照Surfaces(面)
Properties 属性Thickness为理想化的厚度
Material 材料定义同材料分配一样。

2）：梁
点击，弹出下图所示窗口
Name 梁单元名称
Type 默认为梁单元
Reference 定义壳单元时的参照
Point---Point 点到点
Point—Surface 点到面
Point-Edge 点到边
Chain（Feature./pattern of Point）特征链
Edge/Curve 边/曲线
Point-Point pairs 点到点对
Materials 梁单元的材料
Properties 定义梁单元的Y轴方向
Section 截面Orientation 方向Release 自由度限制
Section右侧的More可以对截面进行编辑，使用截面定义对话框的Type下已有的形状并输入参数即可满足大多数的需要，特殊情况可以用草绘直接定义，Orientation使用此功能可以定义截面的Orientation Angle（旋转角度）及Beam与参照之间的Offsets（偏距）
Shape Origin 图形原点
Shear Center With respect to the beam action coordinator sys 修剪中心与活动的坐标系有关Release 自由度限制
Translation 位移Rotation 旋转
3）弹簧
Name 弹簧名称
Reference 参照，可以是Point-Point （点到点）Point--surfaces（点到面）、points---edges
（点到边）Point-Point pair 点对等
Type 类型有simple(简单)和advance(高级)及To ground（大地）
Properties 为弹簧的属性
Extensional stiffness 弹力系数。

Torsional Stiffness 扭力系数
4）质点：在只考虑重力而可以忽略形状时，就使用Mass对模型进行简化
在类型为Simple 时可以直接输入质量大小。

类型为Advance时，可以选取已定义的Mass属性或点击More按钮创建新的质量属性，可以定义惯性矩Moment of Inertia
Component 为元件/组件
6、定义连接形式
1）：连接形式
点击，出现下图所示窗口
Name 连接形式名称
Type 连接类型有固结、自由、接触
Reference 定义连接时的参照，可以是Surface---Surface（面和面）之间连接，也可以
是Part---Part（零件和零件）之间连接
2）：刚性区域
点击，弹出下图所示窗口
Reference定义连接时的参照，可以是Points（点）Edges/Curves（边和曲面）Surface（面）
刚性区域可以模拟铰轴连接，代替ALGOR、ANSYS中杆梁组合模拟铰轴的形式。

3）焊接连接
类型有End Welds端面焊接（通过选取两面创建）Surface—Surface 面到面
Perime Welds周边焊接（选取两曲面及边线创建）
Spot Welds 点焊缝（通过选取两曲面及点创建）Point为选取的点，Diameter为点焊的直径大小Material 为材质
4）Weighted Link连接是一个内插约束元素，该元素将在一个单一来源节点上取得质量和载荷，然后再将它们分配到一个集中的目标节点上。

A、受力连接将以平衡的方式来分配质量和载荷，
B、受力连接将帮助我们控制通过分配到目标结点全局群组上的自由分配
C、受力连接将仅有一个来源点，该来源结点将跟随目标结点群组而运动。

Independent side 独立的边：参照，可以是surfaces（面）、edges/curves（边或曲面）、points（点）dependent side 依赖的边（Point 点）
5）Contact Definition 接触连接
即为：Surface-------Surface面与面的接触
6）紧固件连接；
紧固件（Fastener）连接将以加入两个组件来模仿螺栓或螺丝连接，使用紧固件连接可以在组件以载荷路径来模拟各个螺栓或螺丝所能载荷的量。

紧固件连接无法再有限元和Thermal模块中使用。

Reference：bolt （edges of holes ）螺钉（孔的边缘）
Bolt (point of surface)面上的点
Screw （edges of holes）螺丝钉（孔的边缘）
Type ：Simple（简单）将使用指定的材料和轴直径来创建紧固件。

系统根据有关零件固定分离（即保证零件不互相贯穿）、旋转等不同的假设，以及单一的规格等所有紧固件的特征来开发的。

Diameter 直径的大小
Advanced（高级）如下图：
Stiffness 刚度条件;
A、Using material and diameter 使用材料（material）和轴直径（diameter）
Fix Rotation 固定选装carries shear 是否包含剪力
Fix Separation固定分离Automatic自动on 开Off 关
Includes preload是否包含预载荷
B、Using spring stiffness Property 使用弹簧的刚度特性
Spring Property弹簧属性
Fix Separation固定分离Automatic自动on 开Off 关
7、曲面区域和体积块区域
surface region采用草绘、曲线投影至曲面上的方法确定曲面区域。

V olumes region则是用实体特征建立
8、自动几何
1）控制：
Name-----------名称
Type------------类型Edges Distribution 指定边长度用于多少个网格
Min edges length 指定最小弦长Number of nodes 节点的数目
First/last Nodal Interval ratio 第一和最后节点的间隔比率Prevent Additional Nodes 阻止附加的节点
Edge Length 边长
2）设置，用于对自动划分网格进行设置：
Insert Point 允许插入点
Move or delete Existing Elements 允许或移动删除点
Modify or Delete Existing Elements 修改或删除已存在的单元
Automatic Interrupt 自动终止
Create Links Where Needed 需要时自定创建关联
Detailed Fillet Modeling 精细划分倒圆角处
Display Auto GEM Messages 显示自动划分信息
Delete Mesh Points When Deleting Elements 删除单元后删除网格点Element Types 单元的类型shells----Quad 四边形Tri三角形
Solids—Tetra四面体Wedge 五面体Brick六面体
Limits选项卡用于设定网格划分的参数，如角度、宽度比等。

3）显示控制
Settings选项卡：控制图标的显示方式。

Display Names显示名字Display Icons While Spinning 旋转时显示变形
Icon-----变形Load Value载荷值Distribution 分布Arrows Scaled 箭头比例Individual Colors个别的颜色Arrow Tails Touching与箭头尾部有关Icon Scale 变形比率
Display Auto GEM Controls 显示自动几何控制
Show Simulation Entities 显示模拟实体
Modeling Entities 控制简化及连接图标的可见性
Loads/Constraint 控制约束及载荷图标的可见性
Set Visibility控制分组后的约束及载荷的显示
Mesh 选项卡：控制网格的显示：
Mesh Display显示网格
Shrink Element 压缩比例display shells With Zero Thickness 用零厚度显示壳Display Quality显示的质量
Fine---精巧的，Medium---中间的Coarse—粗糙的
9、定义分析
前处理部分完成后，点击，弹出下图所示窗口，
可以定义静力、模态、翘曲、疲劳、预紧力、动态分析、标准分析、敏感度分析、优化分析研究。

1、）Static（静态分析）根据约束载荷等条件计算模型的应力、应变、位移等内容，可以有选择性的创建对话框如下：对于载荷和约束，如果建立了多个组（set），则可有选择性地使用，
Single-pass-Adaptive 首先使用费低阶多项式完成一次计算。

估计出计算结果的精度，然后针对有问题的单元提高阶数再计算一次，
Multi-pass-Adaptive 多次计算，每次都提高有问题的单元的阶数，达到设置的收敛性精度或最高阶数时为止，
Quick Check，粗略计算，检查模型中可能存在的错误
相对应的汉语意思如下图：
2、）Modal （模态分析）用于计算模型的震动频率，可以为模型设置相应的约束，
Constraints是约束的名称Constrained --------受约束Unconstrained ----------无约束
With rigid mode search-------------使用刚性模式搜索Modes 模式--------- Number of Modes 模式数
All Modes in Frequency Range 频率范围内的所有模式Number of Modes----------------------------模式数
Minimum Frequency-----------------------最小频率
Maximum Frequency----------------------最大频率
Output输出和Convergence 收敛性的都和上面的静态分析的一样，具体看上面的图
3、）Bucking翘曲分析分析模型在受力时所产生的翘曲形变的位移及应力，它需要使用之前所建立的Static（静态分析）
Previous Analysis 前一分析
Use Static analysis results from previous design study 使用来自前一设计研究的统计分析结果Static Analysis 静态分析Loads set 载荷集
Output输出和Convergence 收敛性的都和上面的静态分析的一样
4、）Design Study 设计研究,组合之前所建立的分析，Design Study 能够找到模型参数和设计目标之间的关系，以确定最佳的设计参数，Design Study 分为三种，Standard 基本Sensitivity 敏感度Optimization 优化
Standard 指定参数数值进行分析，能够指定参数的数值进行分析
Sensitive用以判断参数同设计目标间的关系，敏感度分析分为
全局敏感度（Global Sensitive）和局部敏感度（Local Sensitive）
全局敏感度分析，点击Options按钮后，运算设置中的Repeat P-Loop Convergence方法，是使用增加单元内插值多项式的阶数来达到精度要求的方法。

如果该选项被勾选，那么将获取更精确
的结果，但同时也将消耗更多的计算时间。

Optimization在设计目标和限制条件下，寻找出最佳的设计参数
Optimization 最佳的优化Feasibility 可能性
Optimization Algorith 最佳的运算法则Optimization Convergence 最佳收敛性
过“自动几何”→“控制”菜单，对生成的单元类型及大小进行调整。

10、运行设置
点击按钮对运行进行设置，如下图
Directory for Output Files 输出文件路径
Directory for Temporary Files临时文件路径
Element 有限元格式
Use Element From Existing Mesh File使用单独创建的网格
Create Element during Run 运行过程中创建网格
Use Element from an Existing Study使用已有的网格
Output输出格式Binary 二进制ASCII
Solver Setting 运算设置
Memory Allocation （MB）为运算分配内存的大小
Use Iterative Solver 使用迭代求解
11、Display Study Status
点击显示分析研究状态，从弹出的对话框中可以了解分析进度，直到出现Run Completed 运行完成字样，点击Close关闭。

12、结果查看
当分析完成后，点击，弹出下图所示窗口，
Continuous Tone 渐变显示Legend Levels 平滑等级Contour 显示等值线
Quantity 数量stress应力Displacement 位移Strain 应变Strain Energy应变能Rotation 旋转、循环Shell Resultant 结果P-Level
都设置好了点击OK and Show。