1、入门实例通过两个简单实体模型分析实例介绍使用Pro/MECHANICA 进行分析任务（包括基本应力分析、灵敏度分析和优化设计等）的基本过程，通过这一章的学习后，读者应该能够掌握使用 Pro/MECHANICA 进行分析的基本方法。本章主要内容包括： Pro/MECHANICA 分析任务分类 入门实例22.1 Pro/MECHANICA 分析任务分类在 Pro/MECHANICA 中，将每一项能够完成的工作称之为设计研究。所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或一系列需要解决的问题。在 Pro/MECHANICA 中，每一个分析任务都可以看作一项设计研究。Pro/MECHANICA 的设计研
2、究种类可以分为以下 3 种类型。 标准分析（Standard ）：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中，用户需要指定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。 灵敏度分析（Sensitivity）：可以根据不同的目标设计参数或者物性参数的改变计算出一些列的结果。除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、指定参数的变化范围。用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。 优化设计分析（Optimization）：在基本标准分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件（包括几何约束和物性
3、约束） 、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。因此，概括的说，Pro/MECHANICA Structure 能够完成的任务可以分为两大类： 第一类可以称之为设计验证，或者称为设计校核，例如进行设计模型的应力应变检验，这也是其他有限元分析软件所只能完成的工作。在 Pro/MECHANICA 中，完成这种工作需要依次进行以下步骤：（1） 创建几何模型。（2） 简化模型。（3） 设定单位和材料属性。（4） 定义约束。（5） 定义载荷。（6） 定义分析任务。（7） 运行分析。（8） 显示、评价计算结果。 第二类可以称之为模型的设计优化，这是 Pro/MECHANI
4、CA 区别与其他有限元软件最显著的特征。在 Pro/MECHANICA 中进行模型的设计优化需要完成以下工作：（1） 创建几何模型。（2） 简化模型。（3） 设定单位和材料属性。（4） 定义约束。（5） 定义载荷。第 2 章 入门实例3（6） 定义设计参数。（7） 运行灵敏度分析。（8） 运行优化分析。（9） 根据优化结果改变模型。本章将通过两个简单的实例来介绍上述过程。2.2 入门实例2.2.1 有限元模型的建立步骤一：打开模型零件（1） 设置工作目录为ch2。（2） 打开零件模型 example1，如图 2.1 所示。图 2.1 步骤二：设置模型单位（1） 打开 Pro/ENGINEER
5、主界面的 Edit 菜单，然后选择 Setup选项。（2） 系统弹出 Part Setup 菜单管理器，如图 2.2 所示。4图 2.32 （3） 在 Part Setup 菜单中单击 Units 选项，系统弹出 Units Manager 对话框，如图2.3 所示。图 2.3 第 2 章 入门实例5（4） 我们要将模型的单位设置为毫米牛顿秒的形式，所以在 Systems of Units 中选择 millimeter Newton Second(mmNs)，如图 2.4 所示。（5） 单击 Units Manager 对话框右侧的 Set 按钮进行单位设定。（6） 系统弹出警告对话框要求选择
6、模型单位转化方式，选择 Convert Existing Numbers（Same Size）不改变模型大小方式，如图 2.4 所示。图 2.4 （7） 单击 OK 按钮完成单位转化。（8） 单击 Close 按钮完成单位系统设置。步骤三：进入 Pro/MECHANICA 模式（1） 打开 Pro/ENGINEER 主界面的 Applications 菜单， 选择 Mechanica，系统弹出模型单位系统信息对话框，如图 2.5 所示。图 2.5 6（2） 单击 Continue 按钮继续，系统进入 Pro/MECHANICA 模式，如图 2.6 所示。图 2.6 （3） 为进入 Pro/ME
7、CHANICA Structure 模块，选择 MECHANICA 菜单管理器中的 Structure 选项，系统进入结构分析主界面。步骤四：设置模型材料（1） 选择 MEC STRUCT 菜单 ModelMaterials ，系统弹出材料定义对话框。（2） 在 Materials 对话框左侧的 Materials in Library:列表框中选择 SS，然后单击按钮，将 SS 添加至右侧的 Materials in Model:列表框中 ，如图 2.7 所示。图 2.7 （3） 在图 2.7 对话框中单击 Edit按钮，系统弹出材料属性修改对话框，如图 2.8所示。从该对话框中可以看出 S
8、S 这种材料的基本属性，单击 OK 按钮关闭第 2 章 入门实例7该对话框。图 2.8 （4） 在图 2.7 对话框中单击 Assign|Part 按钮， 系统提示选择一个 Part 模型。（5） 选择 example1 模型，然后单击 OK 按钮关闭选择对话框。（6） 系统返回 Materials 对话框，单击 Materials 对话框中的 Close 按钮。（7） 完成模型材料的定义。步骤五：定义约束我们要将 example1 的左端面固定 ，所以需要在左端面定义面约束。（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 ConstraintsNewSurface（也可以直接单击右侧工具栏上的
9、 命令图标） ，系统弹出 Constraints 定义对话框，如图 2.9所示。8图 2.9 （2） 保留默认的约束名称 Constraints1 和默认的约束组名称 ConstraintSet1。（3） 单击 Reference|Surface(s)下侧的 按钮，系统提示 Select Surfaces:（选择面） 。（4） 选择图 2.10 所示的左端面，单击 OK 关闭选择对话框。图 2.10 （5） 系统回到 Constraints 对话框。选择此面第 2 章 入门实例9（6） 保留默认坐标系设置。（7） 图 2.9 对话框的底部为 3 个移动自由度和 3 个转动自由度的约束形式定义区
10、域，由于要将左端面固定，所以需要将 6 个自由度完全固定，因此保留如图2.9 所示默认的约束形式。（8） 单击 OK 按钮完成约束的定义。（9） 约束定义完成后的模型如图 2.11 所示。图 2.11 步骤六：定义载荷要求在本模型的右侧圆孔表面施加 4448.22N 的向下的均布力。（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 LoadsNewSurface（也可以直接单击右侧工具栏的 命令图标） ，系统弹出 Force/Moment 定义对话框，如图 2.12 所示。（2） 保留默认的载荷名称 Load1 和默认的载荷组名称 LoadSet1。（3） 单击 Reference|Surface
11、(s)下侧的 按钮，系统提示 Select Surfaces:（选择面） 。（4） 选择图 2.13 所示圆孔的圆柱面，单击 OK 按钮关闭选择对话框。（5） 保留默认坐标系设置。（6） 在 Distribution 下方的列表框中分别选择 Total Load 和 Uniform，即载荷为以合力形式给出的均布载荷。（7） 在 Force 下方的列表框中选择 Components，即给出各个分立的大小。（8） 由于圆柱面的载荷垂直向下，所以在 Z 右侧的文本框中填入数字104448.22，如图 2.14 所示。图 2.12 图 2.13 （9） 单击 Preview 按钮可以预览载荷的位置及状
12、态。（10） 单击 OK 按钮关闭 Loads 对话框。（11） 完成载荷定义。载荷定义完毕后的模型效果如图 2.15 所示。选择此面第 2 章 入门实例11图 2.14 图 2.15 2.2.2 进行基本应力分析上面我们已经建立起了有限元计算所需要的几何模型、材料、约束以及载荷边界条件，这一节里我们将对上面建立的模型进行基本的应力计算。步骤一：建立分析任务（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Analyses/Studies，系统弹出 Analyses and Design Studies 对话框。（2） 在 Analyses and Design Studies 对话框中选择 Fi
13、le|New Static，系统弹出Static Analysis Defination 对话框。（3） 在 Name 中输入分析任务名称 Struct。（4） 接受默认 Constraints 中的项目 ConstraintSet1 和 Loads 中的项目 LoadSet1，意即所建立的静态分析包含约束组 ConstraintSet1 和载荷组 LoadSet1。（5） 在 Method 中选择 Single-Pass Adaptive。（6） 切换到 Output，在 Plot 中将 Plot Grid 设置为 6，如图 2.16 所示。12图 2.16（7） 单击 OK 完成静态分析任
14、务的定义。（8） 系统回到 Analyses and Design Studies 对话框，此时 Analyses and Studies 中出现了前面建立的分析任务，名称为 struct，类型为 StandartStatic，如图 2.17所示。图 2.17 至此，基本应力分析任务建立完毕。步骤二：设置和运行分析（1） 进行分析运行时的各项设置，包括文件的存放路径以及分配的内存数量等，选择图 2.17 所示对话框的 Run 菜单下的 Settings命令（或者直接单击 命令图标） ，进行上述的设置，如图 2.18 所示。第 2 章 入门实例13图 2.18 （2） 选择 Analyses a
15、nd Design Studies 对话框的 Run|Start（或者单击 图标） ，开始分析计算。（3） 系统首先问询是否进行错误检查，单击 Yes 进行错误检查。（4） 分析任务开始执行，屏幕会闪动几次，最终会在信息栏中出现“The design study has started.”消息。（5） 接下来 Pro/MECHANIC 进行自动网格划分、建立方程、求解方程等一系列工作，这些工作是在后台进行的，对用户不可见；不过用户可以通过选择Info|Status（或者单击 图标） ，查看运算过程信息。当信息中显示计算完毕（Run Completed ）后单击 Close 按钮关闭对话框。（6
16、） 单击 Analyses and Design Studies 对话框中的 Close 按钮关闭对话框。步骤三：计算结果显示（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Resulsts，系统弹出结果后处理主界面，如图2.19 所示。图 2.19 （2） 从图 2.19 中选择主菜单 Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标） ，系统弹出 Result Window Definition 对话框。在 Name 中填入14init_stress，在 Title 中填入 Von Mises Stress of Bracket，如图 2.20 所示。图 2.20（3
17、） 在 Study Selection 中的 Design Study 下方单击 按钮，选择上面完成的分析Struct，单击 Open 按钮。（4） 系统回到 Result Window Definition 对话框，如图 2.21 所示。（5） 在 Display type 中选择 Fringe，在 Quantity 中选择 Stress，在 Component 中选择 Von Mises，意即以云图的形式显示 Von Mises 应力。图 2.21 （6） 在图 2.21 对话框下部区域切换至 Display Option，勾选 Continuous Tone，如图 2.22 所示。第 2
18、 章 入门实例15图 2.22（7） 单击 OK 关闭对话框，完成结果窗口 init_stess 的定义。（8） 从图 2.19 中选择主菜单 Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标） ，系统弹出 Result Window Definition 对话框，在 Name 中填入Init_disp，在 Title 中填入 Displacement of Bracket， 如图 2.23 所示。图 2.23 （9） 在 Study Selection 中的 Design Study 下方单击 按钮，选择上面完成的分析Struct，单击 Open 按钮。（10） 系统
19、回到 Result Window Definition 对话框。（11） 在 Display type 栏中选择 Fringe，在 Quantity 中选择 Displacement，在Component 中选择 Magnitude。（12） 将对话框下部区域切换至 Display Option，如图 2.24 所示，勾选 Continuous Tone 和 Deformed。16图 2.24 （13） 单击 OK 按钮关闭对话框，完成结果窗口 Init_disp 的定义。（14） 显示已经定义的窗口，单击结果窗口上的 命令图标，在弹出的结果窗口选择对话框中选择 init_stess 和 In
20、it_disp，如图 2.25 所示。图 2.25 （15） 单击 OK 按钮，显示出如图 2.26 所示结果。第 2 章 入门实例17图 2.26 从图 2.26 可以看出，最大应力为 132.6Mpa，最大变形为 0.11354mm。 提示：Pro/MECHANICA Wildfire 比 Pro/MECHANICA 2001 在结果显示上较大的改进是在结果窗口中可以直接显示有限元网格。下面就来练习这一功能：（16） 在图 2.22 和图 2.24 所示对话框中分别勾选 Show Element Edges。（17） 单击结果窗口上的 命令图标，在弹出的结果窗口选择对话框中选择init_s
21、tess 和 Init_disp。（18） 单击 OK 按钮，显示出如图 2.27 所示结果。18图 2.27 2.2.3 进行模型的灵敏度分析灵敏度分析研究的主要内容是研究特定参数对模型特性的影响情况，即研究模型特定变化对于参数变化的灵敏程度。在本例中，设置 3 个参数，如图 2.28 所示。图 2.28 这 3 个参数分别为 Round、Thinckness 和 Hole_Dia，分别指代圆角半径大小、悬臂此处圆角大小设为参数Round此处圆孔直径大小设为参数 Hole_Dia此处厚度设为参数Thinckness第 2 章 入门实例19厚度、圆孔的直径大小。本小节中所要进行的灵敏度分析就是
22、研究这 3 个参数对模型应力的影响情况，即研究一下模型应力随着这三个参数变化而变化的程度。步骤一：建立参数 Round（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Model。（2） 在 STRC MODEL 菜单中选择 Dsgn ControlDesign Params，系统弹出Design Parameters 对话框，如图 2.29 所示。图 2.29 （3） 单击 Create 按钮新建一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框，如图2.30 所示。20图 2.30 （4） 在设计参数定义对话框中的 Type 设置为 Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺
23、寸。（5） 选择圆角半径尺寸，如图 2.31 所示。图 2.31 （6） 系统返回设计参数定义对话框，在 Name 中填入 Round，同时设置该参数的变化范围，在 Minimum（最小值）中填入 2.54，在 Maximum（最大值）中填入 12.7。（7） 单击 Accept 完成参数 Round 的定义，系统返回 Design Parameters 对话框，如图 2.32 所示。选择此圆角直径第 2 章 入门实例21图 2.32 步骤二：建立参数 Hole_Dia（1） 单击 Design Parameters 对话框中的 Create 按钮新建另一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框
24、，如图 2.33 所示。图 2.33 （2） 在设计参数定义对话框中将 Type 设置为 Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺寸。（3） 选择圆孔直径尺寸，如图 2.34 所示。图 2.34 选择此圆孔尺寸22（4） 系统返回设计参数定义对话框，在 Name 中填入 Hole_Dia，现在设置该参数的变化范围，在 Minimum（最小值）中填入 3.175，在 Maximum（最大值）中填入 46.99。（5） 单击 Accept 按钮完成参数 Hole_Dia 的定义，系统返回 Design Parameters 对话框。步骤三：建立参数 Thincknes
25、s（1） 单击 Design Parameters 对话框中的 Create 按钮新建另一个设计参数，系统弹出设计参数定义对话框。（2） 在设计参数定义对话框中将 Type 设置为 Dimension，然后单击右侧的Select按钮，系统提示选择一个尺寸。（3） 选择悬臂厚度尺寸，如图 2.35 所示。图 2.35 （4） 系统返回设计参数定义对话框，在 Name 中填入 Thinckness，同时设置该参数的变化范围，在 Minimum（最小值）中填入 5.08，在 Maximum（最大值）中填入 19.05。（5） 单击 Accept 按钮完成参数 Thinckness 的定义。（6） 系
26、统返回 Design Parameters 对话框，此时已经完成 3 个设计参数的定义。（7） 选中其中一个设计参数，然后单击右侧的 Review 按钮，可以进行设计参数的修改工作。（8） 单击 Done 按钮完成设计参数的定义。步骤四：进行形状改变动画演示上面建立了 3 个设计参数，这 3 个参数指代三个不同的尺寸参数。为了防止设计参数在变化过程中引起几何干涉，通常在参数建立后进行几何形状改变动画演示，意即动画演示根据参数改变引起模型几何的改变情况。（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Model。（2） 在 STRC MODEL 菜单中选择 Dsgn ControlShape An
27、imation。（3） 系统弹出 Shape Animation 对话框，勾选参数选择此尺寸第 2 章 入门实例23Round、Thinckness 、Hole_Dia ，接受默认的参数范围，在 Number of Intervals 中填入 10，意即动画演示步骤为 10 步，如图 2.36 所示。图 2.36 （4） 单击 Animate 按钮进行动画演示。（5） 模型形状根据 3 个参数的变化进行改变，每改变一步，Pro/MECHANIC 会在信息窗口内提示“Continue to Step 5”类似的信息，单击 Yes 继续。（6） 动画演示到最后一步，系统弹出如图 2.37 所示的对
28、话框，询问是否使模型恢复到最初的状态。图 2.37 （7） 单击 Yes 按钮使模型恢复到最初的状态。步骤五：建立灵敏度分析任务我们要研究模型的应力分别随着三个参数的改变而发生的改变情况，必须针对每个设计参数建立一个灵敏度分析任务。（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Analyses/Studies，系统弹出 Analyses and Design Studies 对话框。（2） 在 Analyses and Design Studies 对话框中选择 File|New Design Study，系统弹出设计分析定义对话框。24（3） 在 Study Name 中填入分析名称 sen
29、s_round。（4） 在 Type 中选择 Global Sensitivity。（5） 在 Analyses 中选择前面所建立的基本应力分析任务 Struct。（6） 在 Parameters 中勾选 Round（由于我们要单独研究 Round 参数对模型应力的影响程度，所以每次都只选择一个参数） ，在 Start 和 End 中接受默认的Minimum 和 Maximum。（7） 在 Number of Intervals 中输入 10。（8） 不要选择 Repeat P-Loop Convergence。（9） 设置的参数如图 2.38 所示。图 2.38 （10） 单击 Accept
30、 按钮完成 sens_round 任务的定义。（11） 按照同样的方法建立另外两个灵敏度分析任务 sens_holedia 和sens_thinckness，如图 2.39 和图 2.40 所示。（12） 3 个分析任务建立后的 Analysis and Design Studies 对话框如图 2.41 所示。第 2 章 入门实例25图 2.39图 2.40 26图 2.41 步骤六：进行灵敏度分析计算上面建立了 3 个灵敏度分析任务，接着要分别进行这 3 个任务的计算。（1） 在图 2.41 的对话框中选择 sens_round。（2） 选择 Run|Start（或者单击 图标） ，开始分
31、析计算。（3） 计算大约进行 10 分钟才能完成。（4） 同样的方法进行 sens_holedia 和 sens_thinckness 的计算。步骤七：显示灵敏度分析计算结果显示灵敏度分析计算结果就是显示模型的应力随着 3 个设计参数的变化情况。（1） 在 MEC STRUCT 菜单中选择 Resulsts，系统弹出结果后处理主界面，如图2.27 所示。（2） 从图 2.19 中选择主菜单 Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的图标） ，系统弹出 Result Window Definition 对话框。在 Name 中填入sens_round，在 Title 中
32、填入 round vs stress。（3） 在 Study Selection 中的 Design Study 下方单击 按钮，选择上面完成的分析sens_round，单击 Open 按钮。（4） 系统回到 Result Window Definition 对话框。（5） 在 Display type 中选择 Graph，在 Quality 中选择 Measure，如图 2.42 所示。第 2 章 入门实例27图 2.42 （6） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 max_stresss_vm，如图2.43 所示。图 2.43 （7） 单击 Accept 按钮完成选择，系统返回到
33、 sens_round 结果窗口定义对话框，如图 2.44 所示。28图 2.44 （8） 确认 Graph Location 的选项为 Design Var，单击下方的 按钮，选择设计变量，如图 2.45 所示。图 2.45 （9） 单击 Accept 接受选择，系统返回 sens_round 结果窗口定义对话框。（10） 单击 OK 按钮完成结果窗口 sens_round 的定义（11） 开始定义新的结果窗口 sens_holedia。从图 2.19 中选择主菜单 Insert|Result Window（或者直接单击上方工具栏中的 图标） ，系统弹出 Result Window Defi
34、nition 对话框。在 Name 中填入 sens_ holedia，在 Title 中填入 holedia vs stress。（12） 在 Study Selection 中的 Design Study 下方单击 按钮，选择上面完成的分析sens_holedia，单击 Open 按钮。（13） 系统回到 Result Window Definition 对话框。（14） 在 Display type 中选择 Graph，在 Quality 中选择 Measure，如图 2.46 所示。第 2 章 入门实例29图 2.46 （15） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 max_s
35、tresss_vm。（16） 单击 Accept 按钮完成选择，系统返回到 sens_holedia 结果窗口定义对话框，如图 2.47 所示。图 2.47 （17） 确认 Graph Location 的选项为 Design Var，单击下方的 按钮，选择设计变量，如图 2.48 所示。30图 2.48（18） 单击 Accept 按钮接受选择，系统返回 sens_holedia 结果窗口定义对话框。（19） 单击 OK 按钮完成结果窗口 sens_holedia 的定义。（20） 开始定义新的结果窗口 sens_thinckness：从图 2.19 中选择主菜单 Insert|Result
36、 Window（或者直接单击上方工具栏中的 图标） ，系统弹出 Result Window Definition 对话框。在 Name 中填入 sens_thinckness，在 Title 中填入thinckness vs stress。（21） 在 Study Selection 中的 Design Study 下方单击 按钮，选择上面完成的分析sens_thinckness，单击 Open 按钮。（22） 系统回到 Result Window Definition 对话框。（23） 在 Display type 中选择 Graph，在 Quality 中选择 Measure，如图 2.49 所示。图 2.49 （24） 单击下方的 命令图标，选择要显示的结果，选择 max_stresss_vm。（25） 单击 Accept 按钮完成选择，系统返回到 sens_thinckness 结果窗口定义对话框，
