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划分四周体网格的计算

(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。

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正出

图11-1单击【开始】T【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［Parti］。点击对话框内的【拟定】按钮，关闭对话

框，进入【零部件设计】工作台。

⑵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】按钮塾，如图11-4所示。这时进入【草图绘制器】工作台。

』Parti

-oxy平面

一夕yz平面

畸嚏①

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a,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，绘制一种圆。用同样分措施再绘制一种同心圆，如图11-6

所示。

睡口

图11-4【草图编辑器】工具栏图11-5【轮廓】工具栏

a,如图11

F面标注圆日勺尺寸。点击【约束】工具栏内的【约束】按钮-7所示。

点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。用同样分措施标注此外一种圆的直径，如图11-8所

7JxO

B

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图11-6两个同心圆草图图11-7【约束】工具栏

双击一种尺寸线，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,点击对话框内曰勺【拟定】按钮，关闭对话框，同步圆的直径尺寸被修改为1

00mm。用同样的措施修改第二个圆的直径尺寸为50mm。修改尺寸后的I圆如图11-10

所示。

图11-8标注直径尺寸的［I草图图11-9【约束定义】对

话框

⑷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】按钮一如图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)拉伸创立圆筒

点击【基于草图的特性】工具栏内时【凸台】按钮回1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【拟定】按钮，生成一种圆筒体，如图11-14所示。在左边的模型树上

浮现【填充器.1】元素。

理于尊用邮衽

图11・12【基于草图的特性】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［Parti］,如图11-15所示。点击【应用材

料】工具栏内的【应用材料】按钮温1如图11-16所示。先弹出一种【打开】警告消息

框，如图11-16所示，这是由于使用简化中文界面，但没有相应的简化中文材料库导致

时,点击警告消息框内的【拟定】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

日勺【拟定】按钮,将钢材料赋予零件。

-oxy平面

-OR1f面

-o：x平面

X津零部件几何体

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图11-14拉伸创立的一种圆筒体图11-15选中的零件名称

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图11-16【应用材料】工具栏图11-1

7【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理解，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3。61］，如图1119所示。弹出【属性】

对话框，如图11-20所示。

属性区］

JPartl

-oxy平面

-Oyz平面

-OZX平面

”•参敖

零部件几何体

工平填充寡.1

匚由草图.1

图11・19材料名称［Steel］图11-20【属性】对话框

⑺进入【AdvaneedMeshingTools］（高级网格划分工具）工作台

点击菜单中的【开始】一【分析与模拟】一【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，生成一种新日勺分析文献，并且弹出一种【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【拟

定】按钮。

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图11-21【开始】f【分析与模拟】-[Advan0edMeshingTooIs]（高级

网格划分工具）选项

点击IMeshingMethod】（网格戈ij分措施）工具栏内肚）【OctreeTetrahedron

Mesher]（Octree四周体网格划分）按钮”,如图11-23所示。需要在【Meshi

ngMethod]（网格划分措施）工具栏内点击中间按钮时下拉箭头才可以显示出【Octr

eeTetrahedronMesher]（Octree四周体网格划分）按钮造。

慰

।「我蜀

OctreeTetrahedronMesher

图11-22【新分析算题】对话框图11-23[MeshingMethod]

（网格划分措施）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【OC

TREETetrahedronMesh㊀r]（Octree四周体网格划分器）对话框，如图11-25

所示。

点击［Globol］（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［AbsoIutesog］（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入0.5mm;在［E

Iementtype］（单元类型）选项区内选中【Poraboic】二次单元。点击对话框内

的【拟定】按钮，完毕设立,关闭对话框。

图11-24选择圆筒三维实体模型图11-25［OCTREETetrahedronMes

her］（Octree四周体网格划分器）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，划分后的四周体网格如图11-28所示。

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Properties.I自Shor*ElerrEJP叫Q

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图11-26右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素图11-27选择【UP

dateMesh】（更新

网格）选项

（8）进入［GenerativeStructuraIAnalysis］（创成式构造分析）工作台

点击主菜单中日勺［开始（S）］->【分析与模拟】->［GenerativeStructuralAn

alysisj（创成式构造分析）选项，如图11-29所示，进入【创成式构造分析】工作台。

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图11-28划分后的）四周体网格图ll-29点击【开始（S）］->【分析与模拟】->

[GenerativeStructuralAnalysis]

（创成式构造分析）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⑦，如图II-30所示。点击后弹出【3DProparty］（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【OCTREETMchedronMesher.1］元素,

点击对话框内的【拟定】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11-3I3DPrope

rty］（三维属性）对话框

（10）设立固支边界条件

点击［Restroints］（约束）工具栏内的［Clamp］（固支）按钮犷，如图11-

32所示。在图形区选择圆筒体的I一种底面，如图11-33所示。弹出【Clamp］（固支）

对话框，如图11-34所示。点击对话框内日勺【拟定】按钮，对圆筒体的一种底面增长了固

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）按钮匕，如图11-35

所示。弹出【Momerit］（扭矩）对话框，如图11-36所示。在【MomeritVector］

（扭矩分量）选项区内的［Z］数值栏内输入100Nxm,即设立扭矩z方向的分量为10ON

xmo在图形区点击选择圆筒内内表面，如图11-37所示，即设立内表面上的）扭矩为10

ONxm。点击对话框内的【拟定】按钮，关闭对话框。

B1

图11-35【Loads】（载荷）工具栏图11-36【Moment］（扭

矩）对话框

同理，用同样的措施设立圆筒的外表面，对外部施加相反方向时扭矩，即要把z方向的

扭矩设立为-lOONxm。设立完毕后，显示的模型如图1】-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1,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【拟定】按钮，开始计算分析C点击后会弹出两个对话框，一种是

［Computing］（正在计算）进程显示框，如图11-41所示，显示计算进程;此外一种是

［Computation）（计算）框，显示目前的计算环节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[Comp

ute］（计算）对话框

CompiAtatio...Efn®

cggn*me0:00:0、

OpemnNseIE】a”ed门w?]

■erhxncexec...0:00:02

Sttucturoco...0:00:02

QDQDQDcflQDO&QoSG

图11-41［Computing］（正在计算）进程显示框图11-42（C

omputation］（计算）框

当计算进程把网格划分完毕，并计算完毕刚度矩阵后，会弹出一种【ComputQtion

ResourceEstimation］（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，并且询问顾客与否继续计算，如果点击【N

。】（否）按钮,则退出计算，如果点击［Yes］（是）按钮则计算继续。如果顾客在图11-

40［Compute】（计算）对话框内未选中【Preview】（预览）选项厕不会弹出［Comp

utationResourceEstimation］（计算资源估计）对话框，直接运营计算。对于比

较复杂的构造，计算时间比较长时,建议顾客选中该选项，这样可以大体理解算题所需要的

时间和计算机资源，顾客自己也估算，计算机配备与否可以满足规定。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

顾客想终结计算,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）显示模型计算成果

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

在浮现的菜单中选择【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，浮现应力

张量图像，如图11・47所示。

Case

,尸.Restraints.1

一◎Loads.1

-eStaticCase„Solution.L

11-ScnSOrS1

StaticCiseSolution.I

图1144右击（StaticCaseSoIution.l]图1145选择【Gene

rateImage]（生

成图像）选项

图11一46（GenerateImoge】（生成图像）选项图11-47应力

张量图

应力张量图中，具有网格、边界条件，同步未显示为彩色，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】按扭圉；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。图形区重新处在激活状态。

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。

最后修改后显示时应力张量图如图11-50所示。

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即切即cfi向I圈秤1

I沦震/显示］

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

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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状况。点击［AnalysisTools］（分析工

具）工具栏内时［CutPlaneAnalysis］倍ij切平面分析）按钮电加图11-

51所示。弹出［CutPIaneAnaIysis］（剖切平面分析）对话框，如图11-52所

示，不选中对话框内曰勺［Showcuttingplon㊀］（显示剖切面）选项，在图形区不显

示出剖切面。同步在图形区显示罗盘,顾客可以操作罗盘，相应力分布图进行不同方向的

剖切，如图11・53所示。

CAe?UL

1Cut

图11-51［AnalysisTools］（分析工具）工具栏图11-52[CutPlan

eAnaIysis]（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，圆筒内部时应力较高。为了使计算成果更加精确，对圆筒内壁的有限

元网格进行细化解决。在左边的模型树上双击［OCTREETetrahedronMesher.l］

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［LocaI］（局部）选项卡：在【AvaiIQblespecs］（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【Loc。IMeshSize］（局部网格尺寸）对话框，如图11-56所示。在［V

alue】（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【拟

定】按钮，关闭对话框,返回到【OCTREETetrahedronMesh］对话框。

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NocesandElements

'^^Prcperties.1

OCTKgTeUihcdMKe，h,I，Patl

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图11-54双击时[OCTREEletrahedronMesher.1]元素

图11一55【OCTREETetrahedronM㊀sh】对话框图11-56［Loca

IMeshSize】（局部网格尺寸）

对话框

在【OCTREETetrahedronMesh］对话框内，在【AvoilobIespecs］（可用

时特定参数）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［VaIue］（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【拟定】按钮，关闭对话框,返回到【OCTREETetrahedron

Mesh］对话框。

图11-57选择【L。calsag］（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.l］元素，在弹出

的右键快捷菜单中选择（UpdoteMesh］（更新网格）选项。程序开始划分网格，重新

划分后的四周体网格如图11-59所示，可以看到，圆筒内壁的网格明显比其他部分细化。

0

图11-59重新划分后的四周体网格

点击［Compute］（计算）工具栏内的【Compuf（计算）按钮1L弹出【C。

mpute］（计算）对话框，开始进行计算。重新计算的应力张量成果如图11-60所示。

应力值有所提高。

图11-60重新计算的应力张量成果

11.1-2划分构造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】一【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。

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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【Partl-2］。点击对话框内的【拟定】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)位置创立一

种点。点击对话框内的【拟定】按钮,创立一种点。

新建零部件

公入竽新件名£3浮art1-2

□吕用混合设计

□电KI几何倒谈窕

□

n不萼汴后动阱汽水1)困送也

图11-62【新建零部件】对话框图11-63【线框】工具栏

用同样的措施创立第二个点(0/00,0)，第三个点(0,0,0)o

(3)创立线段

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【拟定】按

钮，创立一条线段。

图11-64【点定义】对话框图11-65【直线定义】

对话框

继续创立第二条线段，但措施与第一条线段出创立措施不同。点击【线框】工具栏内

时【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【X

yplane］参照平面，如图11-67所示。止匕时，【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

段时长度为20mm。

图11-66选择【点1】和【点2】图11-67选择第三个点【xy

plane】参照平面

(4)旋转创立面

点击【曲面】工具栏内的【旋转】按钮显，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。

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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)拉伸创立曲面

点击【曲面】工具栏内的【拉伸】按钮芷汝口图11-72所示。弹出【拉伸曲面定义】

对话框，如图11・73所示。选择上一步旋转创立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

用同样的措施拉伸外侧的圆弧,最后形成的图形如图H-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［Parti］。点击【应用材料】工具栏内的【应

用材料】按钮图。先弹出一种【打开】警告消息框点击警告消息框内的【拟定】按钮，

关闭消息框。弹出【库（只读）】对话框。点击【MatQl】（金属）选项卡，在列表中选择

［SteeI］（钢）材料。点击对话框内的【拟定】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

后形成的图形

（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。

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图11一76【开始】f【分析与模拟】f[ADCANCEDMESHINGTOOLS]

（高级网格划分工具）选项

（8）划分底面网格

点击【MeshingMethod】（网格划分措施）工具栏内的[AdvaneedSurface

第

Mesher]（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【GIobaIParameter]（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『，