Mechanica+Structure详细学习之概述.docx
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Mechanica+Structure详细学习之概述
MechanicaStructure
本课程旨在向那些在有限元建模方面经验较少或没有经验的设计者和工程师介绍MECHANICAStructure。
我们将对广泛模型使用逐步命令,为学生介绍有限元分析(FEA)过程以及最常见的分析类型。
随着课程的进展,学生将面临在没有进一步指示的情况下重复先前步骤的挑战,从而增强他们的学习经验。
除了特定的菜单拾取之外,由于还介绍了概念,因此我们提供了如何将它们应用于特定情况的说明。
概述
基于计算机的模拟允许您将项目视为虚拟物理原型。
MECHANICAStructure模块是MECHANICA的弹性变形体模拟程序。
其它模拟产品可用于研究运动和动力学,但本课程仅学习使用“有限元分析”(或FEA)来处理弹性变形体。
您已经熟悉在Pro/ENGINEERWildfire3.0中创建模型,从而允许您定义形状和配合。
模拟通过让您考虑您的设计功能来完成设计过程。
本课程旨在为您讲授如何自信地使用MECHANICAStructure产品。
您将学习确定所遇问题类型和如何进行必要分析的步骤,以及设计改进的步骤。
您还将学习如何确定该模拟是否有效。
在此过程中,您将了解新手所犯的一些常见错误以及如何避免这些错误。
结束本课程后,您将会满怀信心地完成FEA的大多数基本分析类型和使用。
在第一节课中,您将熟悉MECHANICA环境,包括学习如何定义并更改CAD模型的单位系统。
您还将学习如何访问MECHANICA菜单,以及可能需要使用MECHANICA“独立模式”的方式和原因。
现在就学习MECHANICAStructure准备扩展您的知识和技能吧。
这是一个令您感到快乐的课程,而且最重要的是,您将学习构建更出色的产品。
单位
概念
单位是基本的测量系统,用于描述您模型的物理属性。
在CAD建模中,通常只考虑长度单位。
然而,有时您需要确定零件的重量,因此您需输入材料的密度。
Pro/ENGINEERWildfire3.0然后会根据密度和体积的乘积计算出重量。
当引入分析数据(如力和应力)时,您必须更深入地了解单位。
如果理解了量纲分析,它实际上是相当简单的。
例如,如果您用面积除力,就会得到应力。
如果使用单位,上述分析就是:
用平方英寸除磅力,得到lbs/in²。
如果以英尺为单位定义CAD尺寸,并且以磅力为单位施加力,则应力将输出为lbs/ft²。
虽然数学计算方法相同,但由于单位不同,因此应力值将不同。
应用
谈及单位时,我们使用术语单位系统来描述长度、质量和时间的三个基本尺寸。
Pro/ENGINEERWildfire3.0提供了7种不同的单位系统,如下图所示。
图1
设置单位系统时的方法要一致。
即,如果以英寸、英尺、米或毫米描述尺寸值,则要相应地设置长度系统。
对于质量和力的单位,情况也如此。
质量和力以及直接单位或导出单位之间的差异
如果长度尺寸以英寸为单位,则将Pro/ENGINEERWildfire3.0的单位系统从Pro/E缺省改为IPS非常重要。
否则,应力或位移的结果将需要除以或乘以一个因子386.4。
此问题就是由于质量和力的表示方法而引起的。
这两个量的单位在两个单位系统中既相互关联,却又有所不同。
这两个量中只有一个量可以通过直接单位来描述。
另一个将以导出单位来描述。
对于Pro/E缺省单位系统,质量以直接单位lbm表示,而力以导出单位in-lbm/sec2表示,如下图所示。
图2
对于IPS单位系统,质量以导出单位lbf-sec2/in表示,而力以直接单位lbf表示,如下图所示。
图3
MECHANICA以质量单位lbf-sec2/in为基础。
此假设允许您以lbf(磅力)为单位输入作用力。
如果您不转换为IPS单位系统,则(假设您以lbf为单位输入作用力):
∙当您对模型只施加静态力时,位移将需要乘以386.4
∙当您施加主体负荷(例如重力、离心速度)时,应力将需要除以386.4
有时,您可能需要手动输入材料密度,因此利用为模型声明单位的知识即可实现此操作。
例如,您可能熟悉值0.283lbm/in^3是钢的密度。
但是,MECHANICA需要该值为0.0007324,因为它使用导出单位lbf-sec2/in表示质量(您只需将0.283除以386.4即可得到MECHANICA密度值)。
定制单位
如果您不想使用已提供的单位系统,则Pro/ENGINEERWildfire3.0允许创建您自己的定制单位系统。
通过选取“单位管理器”(UnitsManager)对话框中的“新建”(New),您可以混合并搭配所需的任何单位。
图4
“单位制定义”(SystemofUnitsDefinition)对话框允许您指定质量或力,但不允许两者都指定。
一个将是导出单位,而另一个就是直接单位或基本单位。
更改单位系统
最后,假定以某一单位系统为您提供模型,而您却想以其它单位系统对其进行分析。
Pro/ENGINEERWildfire3.0会自动为您进行单位转换。
图5
假设向您发送了一个使用以毫米为单位的尺寸创建的模型,但您想以psi为单位来显示分析应力结果。
您需要将模型尺寸转换为IPS,并选取单选按钮将尺寸值转换为英寸。
然后继续应用IPS系统中的材料属性和以lbs为单位的负荷。
有关单位的其它信息,请参阅为MECHANICA提供的在线帮助。
有关如何可以访问此材料的信息,请阅读以下内容。
访问MECHANICA在线帮助
通过选择上下文相关帮助工具
,然后从菜单栏或工具栏中选取一个命令,您即可获取MECHANICA特定于命令的帮助。
图6
显示特定于菜单的帮助后,您即可通过单击ShowNavigation链接来访问顶层的MECHANICA帮助索引。
图7
进入MECHANICA应用程序后,您还可以通过Pro/ENGINEERWildfire3.0“帮助”(Help)下拉菜单来访问顶层的MECHANICA帮助索引。
图8
MECHANICA帮助索引如下图所示。
图9
演示
开始之前,请单击此处以获取本课程的零件文件。
请注意,对于整个课程,您只需执行此操作一次即可。
目标
在下面的演示中,您将打开一个使用以毫米为单位的尺寸创建的零件,并将它转换为IPS系统。
然后,您将验证这些尺寸值是否已更改以反映转换。
工作目录:
structure
1.打开文件conrod.prt。
∙如有必要,着色其显示
∙如有必要,关闭基准特征的显示
图1
2.显示一些模型尺寸。
∙选取如下图所示的模型
图2
∙从鼠标右键弹出式菜单中选择“编辑”(Edit)
应显示如下所示的尺寸。
注意尺寸值分别为14、40和30。
图3
∙单击屏幕以清除这些尺寸
3.将单位设置为IPS。
∙从主菜单栏中选择“编辑”(Edit)
∙选择“设置”(Setup)
∙在“零件设置”(PARTSETUP)菜单中选择“单位”(Units)
请注意,红色箭头将指向“毫米牛顿秒(mmNs)”(millimeterNewtonSecond(mmNs))单位系统。
∙选择“英寸磅秒(IPS)”(InchPoundSecond(IPS))
∙选择“设置”(Set)按钮
∙保留对“转换尺寸”(Convertdimensions)的缺省拾取
图4
∙选择“确定”(OK)按钮
∙选择“单位管理器”(UnitsManager)对话框中的“关闭”(Close)按钮
∙编辑零件以查看尺寸
请注意,系统已将值分别转换为0.55、1.57和1.18英寸。
图5
4.关闭零件并从内存中将其拭除。
演示结束
Mechanica环境
概念
MECHANICA实际上是与Pro/ENGINEERWildfire3.0分开的程序。
它由Rasna(一家私营公司)开发,并于1989年首次发布。
该程序被开发为具有它自己的用户界面,而且最初作为独立产品进行销售。
PTC于1995年收购该公司后,就开始长期不懈地努力以将MECHANICA集成到Pro/ENGINEER环境中。
将CAD系统与分析集成并不是一项小任务,因为除了用于生成表示FEA模型的点和小平面元素的阵列外,常规FEA中所用的基础方程均不使用几何。
但是,Pro/ENGINEER和MECHANICA的合并却完美无缺。
这千真万确,其原因是Pro/ENGINEER为实体建模系统,而MECHANICA绝无仅有,因为它在FEA的基础方程中包含几何。
由于MECHANICA扩展了基础分析方程以包括几何并允许使用弯曲元素,因此将其称为几何元分析(GEA)。
MECHANICA为独立程序这一事实对用户而言几乎是显而易见的。
但是,在原始Rasna界面的所有有用功能尚未引入到Pro/ENGINEER之前,MECHANICA仍可以在其原始界面中使用。
在Wildfire版本中,MECHANICA仍可以在其原有界面中使用,这称为“独立模式”;也可以从Pro/ENGINEERWildfire3.0环境中使用它,这称为“集成模式”。
在本节中,您将学习如何从Pro/ENGINEERWildfire3.0中访问和使用MECHANICA。
应用
Pro/ENGINEERWildfire3.0中的“应用程序”(Applications)菜单用于访问不同的模块,如钣金件和模具/铸造。
根据所提供的功能,每个模块都为用户提供了要使用的新菜单和图标工具栏。
请注意,在缺省情况下,Pro/ENGINEERWildfire3.0以标准模式启动。
“应用程序”(Applications)菜单用于在单独模块和标准模式之间来回导航。
要在Pro/ENGINEERWildfire3.0中访问MECHANICA,您必须首先打开一个模型。
可通过“应用程序”(Applications)下拉菜单访问MECHANICA,如下图所示。
图1
对于某个指定模型,当您第一次进入MECHANICA时,系统将为您显示如下图所示的UnitInfo对话框。
请注意,只要该模型保持在进程中,即使您退出Mechanica然后再次进入,您也不会再看到此对话框。
图2
当您进入MECHANICA时即会显示此信息,因为它对于明确您将使用的单位系统非常重要,以便与输入的数据保持一致。
当您继续输入材料属性和负荷数据时,程序并不会询问您将以什么单位输入数据。
这就是在进入MECHANICA之前声明所需单位时要万分谨慎的原因。
此对话框只是一个善意的提示。
如果单位不是您预期要使用的单位,则可以取消此对话框,然后返回到Pro/ENGINEERWildfire3.0并设置单位。
如果选中复选框Don'tdisplaythismessageagainifmodelunitschange,即使更改了模型的单位系统,在当前进程中您也不会再次看到此对话框。
MECHANICA模型类型
浏览过UnitInfo对话框后,您必须选择要在MECHANICA的哪个模式下工作。
您可以从Structure和Thermal模式中进行选择。
当您针对某个指定模型第一次进入MECHANICA时,系统会自动显示此对话框。
对于本课程的大多数内容而言,我们将在Structure模式下工作。
图3
模拟菜单和图标
已进入MECHANICAStructure应用程序后,主菜单栏中会显示一组新菜单。
主窗口的右侧工具栏中显示菜单快捷方式的图标。
许多图标可用于简化创建给定模拟图元所需的步骤。
通过将光标置于图标上,您可以熟悉它们的功能。
图4
模型树
当您开发模拟模型时,一些项目(例如,负荷、约束、基准特征和梁属性)会添加到Pro/ENGINEERWildfire3.0模型树中,如下图所示。
图5
MECHANICA模式下创建的基准特征只存在于MECHANICA模式下的模型树和所显示的模型中。
在返回到标准模式后,所有模拟特征(包括在MECHANICA模式下创建的基准特征)都将消失。
您可以使用鼠标右键对MECHANICA模式下模型树中的模拟特征执行操作,如同对Pro/ENGINEERWildfire3.0标准模式下的模型树中的特征执行操作一样。
模拟显示设置
最后,您将在Pro/ENGINEERWildfire3.0的“视图”(View)菜单下发现一个模拟模型的新显示设置选项。
仅在您处于MECHANICA模式下时,才显示“模拟显示”(SimulationDisplay)选项。
您也可以使用顶部工具栏中的图标快捷方式
。
图6
演示
开始之前,请单击此处以获取本课程的零件文件。
请注意,对于整个课程,您只需执行此操作一次即可。
目标
在下面的演示中,您将从Pro/ENGINEERWildfire3.0标准模式导航至MECHANICA集成模式并创建一个曲面约束,再使用模型树中的对象-操作方法修改该约束,然后通过拾取屏幕上的图标再次修改该约束。
工作目录:
structure
1.打开文件lug.prt。
图1
2.进入MECHANICA模式。
∙从主菜单中选择“应用程序”(Applications)
∙选择Mechanica
图2
请注意,此模型的单位系统是IPS,而不是Pro/E缺省单位。
图3
∙选择UnitInfo对话框中的Continue按钮
图4
∙从“模型类型”(ModelType)对话框中选择“确定”(OK),进入MECHANICAStructure
3.创建一个新曲面约束。
∙选择“插入”(Insert)
∙选择“位移约束”(DisplacementConstraint)
Constraint对话框随即出现。
图5
∙选取模型的底部曲面,如下图所示
请注意,如果将光标移至模型上直至其预加亮,单击鼠标右键将浏览模型,并加亮光标路径内的任何图元。
当相应的图元加亮后,用鼠标左键选取它。
图6
∙按鼠标中键以接受该曲面
∙从Constraint对话框中选择OK按钮
∙重画屏幕
请注意,一个新模拟特征已添加到模型树中,并且向模型视图添加了一个约束图标。
图7
4.使用模型树修改新约束。
∙在模型树中展开Loads/Constraints以显示Constraint1图元
图8
∙使用鼠标右键单击模型树中的Constraint1
请注意,模型窗口中的Constraint1图标已变为红色,表明其处于已选取状态。
∙从弹出式菜单中选择“编辑定义”(EditDefinition)
Constraint定义对话框现在可用于进行修改,尽管您在本节中尚未这样操作过。
∙选择Cancel按钮以关闭Constraint对话框
∙在图形窗口中距模型较远处单击,以取消选取约束。
5.通过在屏幕上选取来修改新约束。
∙将光标置于屏幕中的Constraint1图标上,但不要选取它
Constraint1图标及其分布以青色加亮显示。
图9
∙选取Constraint1
Constraint1图标及其分布以红色加亮显示,表明其处于已选取状态。
图10
∙从鼠标右键弹出式菜单中选择“编辑定义”(EditDefinition)
Constraint对话框现在可用于进行修改。
图11
∙选择Cancel按钮以关闭Constraint对话框
6.关闭零件并从内存中将其拭除。
演示结束
独立模式
概念
尽管原始Rasna界面中的大多数有用功能均已引入到Pro/ENGINEERWildfire3.0的MECHANICA集成模式中,但仍有一些可能需要使用独立模式的原因,例如,由于几何质量不佳而排除网格化问题故障时。
本课程旨在为您讲授如何将MECHANICA与Pro/ENGINEERWildfire3.0结合使用。
但是,至少要对如何访问“独立模式”和为什么可能仍然需要使用该模式做简要论述,否则有关MECHANICA的基本课程将不够全面。
在本节中,您将学习如何在使用和不使用Pro/ENGINEERWildfire3.0这两种情况下访问MECHANICA“独立模式”。
您还将学习访问“独立模式”仍然很重要的几个原因。
但是,请注意,使用“独立模式”将不能完成演示。
需要许可证密钥
要在“独立模式”下运行MECHANICA,您必须先为此特定目的获取一个许可证密钥并安装该密钥。
应用
网格化问题
访问“独立模式”的最重要原因是能够对“集成模式”下运行失败的模型进行故障排除。
通常,这是由于在生成有限(几何)元过程中发生网格化问题所致。
自动网格化在“集成模式”下对用户是完全透明的,因此如果出现问题并且运行失败,您很少会收到关于导致此问题的原因的信息。
网格化在“独立模式”下是由用户驱动的步骤。
如果在此过程中发生故障,系统会提示您任意数量的帮助消息,并且通常加亮问题区域以便您进行检查。
只要您不更改自动网格设置,“独立模式”下的网格化就会采用与“集成模式”下完全相同的路径。
在“独立模式”下查明问题区域后,您就可以返回到Pro/ENGINEERWildfire3.0并修复几何。
其它独立模式功能
在“独立模式”下还提供了其它次要功能,如混合元素网格化和使用拆分窗口。
此外,对于那些熟悉旧界面的用户而言,“独立模式”还提供了一个非常快捷的方法来创建简单梁和壳类模型,并使用拉伸和旋转命令生成元素。
它还允许导入IGES、DXF和STEP文件,甚至可用于导入Pro/ENGINEER、UniGraphics®和Catia®模型。
图1
从Pro/ENGINEER外部访问MECHANICA
即使不熟悉“独立模式”,您也可以轻松地打开一个已在“集成模式”下完全准备好的模型,并在“独立模式”下运行它。
新增的一个优点是:
当您仅使用MECHANICA许可证时,可释放Pro/ENGINEERWildfire3.0许可证以供其他人在网络上使用。
通过“集成模式”运行某个分析后,如果它是一个零件,则在研究目录中有一个名为研究名称.mdb的文件;如果它是一个组件,则在研究目录中有一个名为研究名称.mda的文件。
虽然这是一个从“集成模式”内部提交到MECHANICA引擎的文件,但它可以从“独立模式”内部打开并运行。
由于该文件包含所有已网格化的元素,因此您还可以使用此方法只检查在“集成模式”下生成并执行的网格。
启动MECHANICA独立模式
要从Pro/ENGINEERWildfire3.0启动MECHANICA“独立模式”,您必须通过“应用程序”(Applications)菜单进入Mechanica。
从“文件”(File)菜单中选择“独立的MECHANICA”(IndependentMECHANICA)。
图2
系统将要求您确认是否希望从Pro/ENGINEERWildfire3.0退出并进入“独立模式”
图3
如果不进入Pro/ENGINEERWildfire3.0,则您可以通过从命令提示处键入命令mstruct来启动MECHANICAStructure“独立模式”。
知识测试
请选出最合适的答案。
问题
答案选项
1
如果Pro/ENGINEERWildfire3.0模型的长度尺寸为英寸,则在MECHANICA中使用Pro/E缺省单位系统。
窗体顶部
对
错
窗体底部
2
MECHANICA使用质量密度,而不是重量密度。
窗体顶部
对
错
窗体底部
3
MECHANICA使用导出单位表示质量。
窗体顶部
对
错
窗体底部
4
MECHANICA“独立模式”和MECHANICA“集成模式”需要运行不同的许可证。
窗体顶部
对
错
窗体底部
5
“集成模式”的MECHANICA模型不能在“独立模式”下打开。
窗体顶部
对
错
窗体底部
6
要查看结果,必须在“独立模式”下打开一个模型。
窗体顶部
对
错
窗体底部
Mechanica概述
答案
注释
1
错
使用IPS单位系统,因为Pro/ENGINEERWildfire3.0使用重量密度,而不是质量密度。
如果您不转换为IPS单位系统,结果值将不正确。
2
对
3
对
4
对
5
错
MECHANICA将模型的“独立模式”版本写入到存储结果的目录中。
6
错
您可以启动“独立模式”并直接转到结果,而无需打开一个模型。
MECHANICA的结果部分与模型无关。
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