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1、8.1 进入工程分析模块8.2 施加约束8.3 施加载荷8.4 静态有限元计算过程和后处理8.5 动态分析的前处理和显示计算结果8.6有限元分析实例习题,工程分析指的是有限元分析，包括静态分析（Static Analyses）和动态分析。动态分析又分为限制状态固有频率分析（Frequency Analyses）和自由状态固有频率分析（Free Frequency Analyses），前者在物体上施加一定约束，后者的物体没有任何约束，即完全自由。8.1 进入工程分析模块1.进入工程分析模块前的准备工作（1）在三维实体建模模块建立形体的三维模型，为三维形体添加材质，见4.7。（2）将显示模式设置为
2、Shading（着色）和Materials（材料），这样才能看到形体的应力和变形图，详见。,2.进入工程分析模块 选择菜单【Start】【Analysis&Simulation】【Generative Structural Analysis】弹出图8-1所示新的分析实例对话框。在对话框中选择静态分析（Static Analyses）、限制状态固有频率分析（Frequency Analyses）还是自由状态固有频率分析（Free Frequency Analyses），单击OK按钮，将开始一个新的分析实例。图8-1新的分析实例对话框,有限元分析的过程有限元分析的一般流程为：（1）从三维实体建模模
3、块进入有限元分析模块。（2）在形体上施加约束。（3）在形体上施加载荷。（4）计算（包括网格自动划分），解方程和生成应力应变结果。（5）分析计算结果，单元网格、应力或变形显示。（6）对关心的区域细化网格、重新计算。上述（1）（3）过程是有限元分析预（前）处理，（4）是计算过程，（5）、（6）是有限元后处理。有限元文件的类型为 CATAnalysis。,8.2 施加约束1.夹紧约束 该约束施加于形体表面或边界，使其上的所有节点的位置固定不变（三个平移自由度全部约束）。施加夹紧约束的过程是：（1）单击该图标，弹出图8-2所示夹紧约束对话框。（2）选择约束对象（曲面或边界），例如选择形体的一个表面，单
4、击OK按钮。在所选形体表面和特征树的相应节点处产生了夹紧约束标记，见图8-3。图8-2夹紧约束对话框,图8-3选择夹紧约束表面,2 表面滑动约束 该约束施加于形体表面，使得表面上的节点只能沿着与此表面滑动，而不能沿此表面有法线方向的运动。施加此约束的过程是：（1）单击该图标，弹出与图8-2类似的表面滑动约束对话框。（2）选择约束对象（形体表面），单击OK按钮。在所选形体表面和特征树的相应节点处产生了滑动约束的标记，见图8-4。图8-4选择滑动约束表面,3.高级约束 该功能提供了对任意节点的（平移）自由度的约束控制。施加 此约束的过程是：（1）单击该图 标，弹出图8-5所示高级约束对话 框。（2
5、）选择约束对象（曲面或 棱边）。（3）选择坐标系类型，其中Implicit：隐含（局部）坐标 系、Global：全局坐标系、User：用户定义坐标系。（4）选择要约 束的自由度（旋转自由度只对壳 体单元或虚拟实体起作用），图8-5高级约束对话框,例如约束图8-6所示形体外棱边的2（Y方向）和3（Z方向）的平移自由度，第一自由度（X方向）未被约束，因此X轴上无箭头。图8-6 选择棱边为高级约束,4静态约束 该功能使形体不能产生刚体运动，成为静定状态（约束平移和旋转自由度）。操作步骤是：（1）单击图标，弹出对话框。（2）选择约束对象，同时在形体附近显示静态约束标记。,8.3 施加载荷1.均匀压力载
6、荷 该载荷施加于曲面或平面，均匀分布，方向为表面的法向方向。操作步骤为：（1）单击该图标，弹出图8-7所示施加压力载荷对话框。（2）选择施加对象（表面）。（3）输入压力数值（压强），参照图8-8。图8-7施加压力载荷对话框,图8-8 选择施加均匀压力载荷的表面,2.分布力、扭矩 和轴承载荷 该类载荷作用于点、表面或虚拟单元，等价于节点上的力和力矩。施加方法是：（1）单击图标（或、），弹出图8-9所示施加载荷的对话框。（2）选择施加对象（表面或棱边）。（3）选择力的坐标系。（4）输入力或力矩的大小和方向。图8-10是在形体的内孔处施加轴承载荷后的结果。图8-9 施加载荷的对话框,图8-10施加轴
7、承载荷,3.加速度载荷（形体的重力）该功能提供了施加惯性力或重力的方法。一般流程是：（1）单击图标。（2）选择施加对象。（3）选择坐标轴。（4）输入加速度x、y、z方向载荷的分量。4.离心（向心）力 定义由于旋转产生的离心力。一般的流程是：（1）单击图标。（2）选择形体。（3）选择旋转轴。（4）输入角速度和角加速度值。,5.力密度 力密度包括：线密度力、面密度力 和 体密度力。是施加于直线、曲面或实体上的均匀载荷。一般流程是：（1）单击力密度图标。（2）选择施加对象(曲线,表面或形体)。（3）选择轴系。（4）选择力的方向和密度。（5）选择坐标系类型，其中：Implicit为隐含（局部）坐标系、
8、Global为全局坐标系、User为用户定义坐标系。,6.位移载荷 该载荷在前面施加的约束基础上给定强制位移，等价于在实体约束表面施加载荷，例如一个表面施加了夹紧（clamp）约束后可以给定此表面上的三个平移位移一定的数值，相当于对此表面施加了一定的载荷。一般的流程是：（1）单击该图标，弹出图8-11所示位移载荷对话框。（2）选择已施加的约束。（3）输入每个约束自由度的位移值，参照图8-12。图8-11位移载荷对话框,图8-12在夹紧约束上施加位移载荷,8.4 静态有限元计算过程和后处理 如果在进入工程分析模块时选择了Static Analyses（见图8-1所示对话框），在确定了约束条件和施
9、加载荷之后就可以进行静态有限元计算和后处理工作。例如上述零件的底部选择了夹紧约束，左孔施加了X、Y分量均为-1000N的轴承载荷，右孔施加了X分量为1000N、Y分量为-1000N的轴承载荷，见图8-13。图8-13选择了夹紧约束和施加了轴承载荷的零件,计算1.确定存放计算数据和计算结果文件的的路径.可以通过下面两种方法指定计算数据和结果存储路径：（1）选择图标，通过随后弹出的图8-14所示的确定存储路径对话框输入计算数据和计算结果文件的的路径。图8-14确定存储路径对话框,（2）通过图8-15特征树Links Manager节点的目录，双击该目录的分支，即可更改存储路径。图8-15特征树的L
10、inks Manager节点,2.启动有限元计算功能 单击该图，弹出图8-16所示有关计算的对话框，在该对话框的下拉列表里选择All，单击OK按钮即可开始计算，完成计算后，有关显示有限元分析结果的图标改变为可用的状态。图8-16有关计算的对话框,8.4.2 显示静态分析结果1.产生/显示自动划分的网格单击该图标，显示了增添网格后的形体，网格是CATIA自动划分的，见图8-17。图8-17增添网格后的形体 将光标移至形体或特征树的节点 上面之后单击鼠标右键，在随后弹出的上下文相关菜单中选择【Deformed Mesh object】【Definition】，将弹出图8-18（a）所示控制网格效果
11、的,对话框。若切换开关Display on Deformed Mesh为开，显示变形后的形体，见图8-17，否则显示变形前的形体，见图8-18（b）。（a）（b）图8-18控制网格效果的对话框,1.冯米斯应力（Stress Von Mises）显示 单击 图标，显示了冯米斯应力图，见图8-19。冯米斯应力图用于评价应力分布情况，右面是CATIA自动生成的调色板，颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。当鼠标指向节点时，显示此节点的冯米斯应力值。图8-19冯米斯应力图,1.位移显示 单击 图标，显示了位移图，见图8-20。位移显示代表变形情况，也是用颜色代表位移值，自动产生调色板，代表一定范围的位移值；
12、鼠标在节点上，可显示此点的位移值。图8-20位移显示图,4.主应力张量显示 单击 图标，显示了主应力张量图，见图8-21。该功能显示节点处应力张量的符号，从整个显示图可以看到形体承接载荷的路径和状态，颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。图8-21主应力张量显示图,5.显示位移或应力的最大最小值 单击 图标，可以在位移或应力图上标注位移或应力的最大最小值，见图8-22。图8-22显示应力的最大最小值,8.5 动态分析的前处理和显示计算结果 如果在进入工程分析模块时选择了Frequency Analyses或Free Frequency Analyses（见图8-1所示对话框），将进行形体的动态分析。
13、Frequency Analyses和Free Frequency Analyses都是形体的固有频率分析，但前者需要对形体施加一定的约束，后者完全自由。动态分析前处理1.施加约束 动态分析中约束有clamp（夹紧）、Surface Slider（曲面滑动）和Advanced Restraints（高级自由度约束）三种类型。如果在进入工程分析模块时选择了Frequency Analyses，就需要对形体施加一定的约束，施加约束的方法同静态分析。,2.附加质量 通过Mass工具栏 为形体附加质量。（1）附加分布质量 分布质量施加于形体表面或虚拟单元上，代表着节点上的附加质量，计算中等价到各个节点
14、之上。单击 图标，弹出图8-23所示分布质量对话框。选择形体表面、棱边或虚拟单元，在对话框中输入质量数值。例如选择了图8-24所示零件的右孔表面，输入1kg的质量，单击OK按钮，结果见图8-24。图8-23 分布质量对话框,图8-24施加分布质量后的零件,（3）附加面质量密度 以单位面积的方式为形体附加质量。单击 图标，弹出与图8-25所示对话框类似的面线质量密度对话框。选择形体的表面，输入面质量密度数值即可。上述约束施加方法和静态分析施加约束方法.计算1.确定存放计算数据和计算结果文件的的路径（同静态分析）。2.确定计算模态的最高阶数 双击图8-26(a)所示特征树上频率分析工况节点，弹出图
15、8-26(b)所示频率参数对话框，在对话框中指定计算模态的最高阶数，例如10。,（a）（b）图8-26特征树和频率参数对话框,显示动态分析结果1.冯米斯应力（Stress von Mises）显示 单击 图标，显示形体的冯米斯应力图，见图8-27（a）。双击该应力图或特征树的节点，将弹出图8-27（b）所示图像编辑对话框。通过该对话框选择不同的频率阶数，即可得到相应的应力图。（a）（b）图8-27形体的冯米斯应力图和图像编辑对话框,2.位移显示（模态显示）单击该图标，显示形体的位移图，见图8-28。双击该应力图或特征树的 节点，将弹出图8-27（b）所示图像编辑对话框。通过该对话框选择不同的频
16、率阶数，即可得到相应的位移图。图8-28是频率阶数为10时形体的位移图。图8-28形体的位移显示图,3.模态的动画显示 单击该图标，弹出图8-29（b）所示动画窗口。该窗口的图像按钮与播放影像设备的按钮用法相同。通过这些按钮详细地观察形体在不同时刻应力或位移的变化。图8-29动画窗口,8.6 有限元分析实例例8-1 以第4章建立的摇杆为例，演示有限元分析的过程。图8-30摇杆1.进入有限元分析模块前的准备工作（1）首先打开摇杆的三维形体文件YaoGan.CATPart，显示了图8-30所示的摇杆。选择摇杆，单击图标，在随后弹出的图8-31所示材料库的【Library】对话框中选择Steel（钢
17、）。,（2）（2）将显示模式设置为。图8-31【Library】对话框,（3）选择菜单【Start】【Analysis&Simulation】【General Structure Analysis】，在图8-1所示对话框中选择Static Analysis（静态分析），进入有限元分析模块，将产生一个新的CATAnalysis文件。2.施加约束 单击图标，选择摇杆中心孔，为摇杆施加滑动约束，见图8-32。图8-32在摇杆中心孔施加滑动约束,单击图标，选择摇杆左孔，为摇杆施加夹紧约束，见图8-33。图8-33在摇杆左孔施加夹紧约束,3.单击图标、选择摇杆右边的长孔，在分布载荷对话框内输入X轴反方向
18、、大小为1500N的分布载荷，见图8-34。图8-34在摇杆右边的长孔施加载荷,4.单击图标，通过图8-15所示的确定存储路径对话框输入计算数据和计算结果文件的的路径。5.单击图标 开始计算。6显示分析结果单击图标 显示摇杆的网格变形图，见图8-35。图8-35摇杆网格变形图,习 题1孔板（取四分之一）见图8-86，边界条件为沿着平面滑动，作孔板受压力应力分析。图8-86,2图8-87为球冠受力图，已知球冠的材料为钢，F=3000N均匀分布。作球冠应力和变形分析。图8-87,3钢材悬臂梁的尺寸见图8-88，做该悬臂梁的特征值分析。图8-884四边刚性固定的方形板，尺寸为2002002.5。表面均匀压力=1600N，材料为钢材，求解中心挠度。5图8-89所示连杆，材料为钢材，厚度为6 mm，两端孔受杆轴线方向压力F=980N，求解应力和变形。,
