Pro/MECHANICA: Structure and Thermal Analysis
Version 2001
Глава 2 - Основы моделирования в Pro/MECHANICA
Упражнение 2a - Статический анализ напряжений
Цель
После завершения этого упражнения Вы будете способны:
Задавать тип 3D модели
Устанавливать нагрузки, ограничения и свойства материала
Проверять обоснованность модели
Настраивать и выполнять Quick Check анализ
Настраивать и выполнять мультипроходный адаптивный анализ
Отображать результаты
Анимировать и создавать сечения твёрдотельных балок
Запускать Pro/MECHANICA в независимом режиме
В этом упражнении Вы настроите и запускаете стандартное изучение проекта (то есть, статический анализ напряжения) на простой твердотельной модели. Твёрдотельная модель показана на рисунке 2–16.
Рисунок 2-16
Задачи Моделирования
Задание 1: Открытие файла детали solid_model в Pro/ENGINEER.
1. Откройте файл solid_model.prt. Открывается файл детали, как показано на рисунке 2–17.
Рисунок 2-17
2. Выберите Set Up > Units из меню PART
(Edit > SetUp > Units;
здесь и далее в скобках будет приводиться комбинация
команд для Wildfire 2.0)
для проверки системы единиц. Система единиц для данного упражнения -
mmNs. Выберите millimeter Newton Second (mmNs) на закладке Systems of
Units, нажмите кнопку 
и кнопку 
.
Задание 2: Запуск Pro/MECHANICA
1. Выберите из меню Applications > Mechanica. Открывается диалоговое окно
Unit Info. Нажмите кнопку 
для запуска Pro/MECHANICA.
WCS представляет Мировую Декартову Систему Координат (начало в точке 0,0,0).
2. Выберите Structure. Модель появляется как показано на рисунке 2-18. Убедитесь, что иконка 
отображена на панели инструментов. Заметьте, появляется система координат WCS.
Рисунок 2-18
Задание 3: Определение типа модели.
1. Выберите Model > Model Type. Открывается диалоговое окно Model Type.
2. Выберите 3D в диалоговом окне
Model Type и нажмите иконку 
.
Задание 4: Применение нагрузок.
В этой задаче Вы приложите нагрузки к конечной поверхности твердотельной модели, как показано на рисунке 2-19.
Модель на рисунке 2-19 переориентирована для большей наглядности.
Рисунок 2-19
1. Из меню MEC STRUCT выберите Model > Loads > New > Surface или нажмите иконку 
(
New Force/Moment Load)
на панели инструментов. Открывается диалоговое окно
Force/Moment, как показано на рисунке 2–20.
Рисунок 2-20
2. Напечатайте [endload] в поле Name. Одобрите предлагаемую по умолчанию Member of Set опцию, LoadSet1.
Для создания нового набора нагрузок нажмите иконку
3. Нажмите кнопку
Surface(s) 
в секции
References и выберите поверхность, как показано на рисунке 2–19.
4. Выберите Done Sel. Открывается диалоговое окно Force/Moment. В диалоговом окне Force/Moment нагрузки определены относительно WCS в Coordinate System.
Для того чтобы связывать нагрузки с предопределённой пользователем системой координат, нажмите кнопку Coordinate
в секции References и выберите предопределённую пользователем систему координат.
5. Примите опции по умолчанию в опускающихся меню Distribution (в WF2 будет доступна после нажатия кнопки Advanced).
6. Примите опции по умолчанию опцию из опускающегося меню Force and Moment.
7. Введите [-500] в поле X в секции Force.
8. Введите [250] в поле Y в секции Force.
9. Нажмите кнопку 
, чтобы увидеть приложенные к модели нагрузки, как показано на рисунке 2–21.
Появляется предварительный просмотр нагрузок.
10. Нажмите кнопку 
и выберите Done/Return для завершения приложения нагрузок к твёрдотельной модели.
Рисунок 2-21
Задание 5: Применение ограничений.
В этой задаче, Вы примените ограничения к полной поверхности конца твердотельной модели предполагая, что твердотельная балка является консольной, как показано на рисунке 2-22.
Рисунок 2-22
1. Из меню MEC STRUCT выберите Model > Constraints > New > Surface
(Insert > Displacement Constraints) или нажмите иконку 
(
)
на панели инструментов. Открывается диалоговое окно
Constraint, как показано на рисунке 2-23.
Рисунок 2-23
2. Введите [fixed_face] в поле Name. Одобрите предлагаемую по умолчанию Member of Set опцию, ConstraintSet1.
Для создания нового ограничения нажмите иконку
.
3. Нажмите кнопку
Surface(s) 
в секции
References и выберите показанную на рисунке 2–22 поверхность. Система координат по умолчанию - WCS - в секции
Coordinate System. Выберите DoneSel для завершения выбора. Открывается диалоговое окно
Constraint.
4. В нижней части диалогового окна Constraint находятся шесть возможных ограничений: три Translation и три Rotation. Иконки для этих ограничений описаны в таблице 2–10. Примите все опции по умолчанию для всех трёх ограничений перемещения и вращения.
Твердотельные элементы имеют только три степени свободы - перемещение; вращение узла не может быть определено или вычислено.
Таблица 2-10
| Иконка Translation | Иконка Rotation | Описание |
 |
 |
Эта иконка позволяет ограниченному элементу свободно двигаться или вращаться в соответствующем направлении. |
 |
 |
Эта иконка фиксирует ограничиваемый элемент так, что он не может двигаться или вращаться в соответствующем направлении. |
 |
 |
Эта иконка позволяет ограниченному элементу свободно двигаться или вращаться в соответствующем направлении при точно установленном смещении. |
5. Нажмите кнопку 
и выберите Done/Return для завершения применения ограничений. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 2–24.
В зависимости от ориентации Вашей модели, вектора нагрузки могут изменяться.
Рисунок 2-24
Задание 6: Применение материала.
В этой задаче Вы выберете материал для твёрдотельной балки.
1. Выберите Model > Materials из меню MEC STRUCT (Properties > Materials). Открывается диалоговое окно Materials, как показано на рисунке 2-25.
Рисунок 2-25
2. Раскройте список в секции Materials in Library и выберите STEEL.
Нажмите кнопку
в диалоговом окне Materials для просмотра и проверки свойств материала.
3. Нажмите кнопку 
для перемещения STEEL в секцию
Materials in Model.
4. Нажмите кнопку 
и выберите Part.
5. Выберите деталь и выберите Done Sel.
6. Нажмите кнопку 
для завершения назначения материала.
Заключение
В предыдущих задачах Вы создавали объекты моделирования, требуемые для анализа модели. В следующих задачах Вы установите тип анализа, метод сходимости и запустите анализ.
Задачи Анализа
Задание 7: Настройка анализа.
В этой задаче Вы определите тип анализа. Сначала твердотельная балка анализируется с использованием опции сходимости Quick Check для проверки на наличие ошибок.
1. Выберие Analyses из меню MEC STRUCT. Открывается диалоговое окно Analyses, как показано на рисунке 2-26.
Рисунок 2-26
2. Выберите Static из раскрывающегося меню New Analysis.
3. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Static Analysis Definition, как показано на рисунке 2-27.
Рисунок 2-27
4. Напечатайте [bar_1] в поле Name (bar_1 - теперь название поддиректории, содержащей все полученные файл).
5. Напечатайте [static analysis of a solid bar] в поле Description. Этот шаг не обязателен, но поможет Вам идентифицировать анализ позже.
6. Для статического анализа напряжения Вам нужно определить или выбрать ограничение и наборы нагрузок. Вы их создали в предшествующих шагах. В данном случае это ConstraintSet1 и LoadSet1. Гарантируйте, что они выделены.
7. Выберите Quick Check из раскрывающегося меню Method для метода сходимости. Этот опция позволяет определить, правильно ли установлен анализ при первом прогоне.
8. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Static Analysis Definition и кнопку 
в диалоговом окне
Analyses для завершения настройки анализа.
Задание 8: Проверка обоснованности модели
Опция Check Model выделяет ошибки моделирования (например, конфликты нагрузок и ограничений или не назначенного материала) и ошибки редактирования.
1. Выберите Check Model из меню MEC STRUCT. Эта команда проверяет достоверность имитационной модели.
2. Появляется диалоговое окно Information, показанное на рисунке 2–28, если отсутствуют ошибки.
Рисунок 2-28
3. Нажмите кнопку 
, чтобы завершить проверку достоверности модели.
Задание 9: Запуск анализа.
1. Выберите Run из меню MEC STRUCT. Открывается диалоговое окно Run, как показано на рисунке 2–29.
Файлы и каталоги Pro/MECHANICA созданы в рабочем каталоге Pro/ENGINEER. Следовательно, это хорошая идея, создать новую поддиректорию для каждой модели, установить её в качестве рабочего каталога и хранить файл детали в ней.
Рисунок 2-29
Рекомендуется установить распределение RAM на половину физической памяти Вашего компьютера.
2. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Run для настройки позиций для временных и выходных файлов, формат выходных файлов и распределение RAM. Открывается диалоговое окно
Run Settings, как показано на рисунке 2–30. Когда Вы установили изучение проекта, все временные файлы удаляются по завершении прогона, если он завершается ненормально.
Элементы определяются автоматически. Они могут быть просмотрены только в Pro/MECHANICA в независимом режиме.
Рисунок 2-30
3. Нажмите кнопку 
для одобрения настроек по умолчанию и закрытия диалогового окна
Run Settings.
4. Нажмите иконку 
в диалоговом окне
RUN для запуска анализа. Открывается диалоговое окно
Question, как показано на рисунке 2-31.
Рисунок 2-31
5. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Question. В окне появляется сообщение,
The design study has started. Pro/MECHANICA потребуется несколько минут на решение проблемы. Открывается диалоговое окно
Run.
6. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Run для просмотра информации (например, распределение памяти для блока решающего устройства - 48.0, никакие ошибки в модели не были обнаружены и т.д.), как показано на рисунке 2–32.
Рисунок 2-32
7. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Summary for Design Study "bar_1.
8. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне. Анализ
Quick Check завершён.
Задание 10: Решение твёрдотельной балки с использованием опции сходимости Multi-Pass Adaptive.
В этой задаче модель прогоняется через решающее устройство с повышением порядка проблемных элементов при каждом прогоне. Прогоны продолжаются до решения сходимости или до достижения максимального порядка многочлена (по умолчанию - 6, максимум - 9).
1. Выберите Analyses и нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Analyses. Появляется диалоговое окно Static Analysis Definition.
2. Выберите Multi-Pass Adaptive из раскрывающегося меню Method.
3. Выберите 1 из раскрывающегося меню Minimum и 9 из раскрывающегося меню Maximum в секции Polynomial Order. Введите [5] в качестве процента сходимости в поле Percent Convergence секции Limits.
4. Выберите опцию Local Displacement, Local Strain Energy, and GlobalRMS Stress в секции Converge on. Открывается диалоговое окно Static Analysis Definition, как показано на рисунке 2–33.
Рисунок 2-33
5. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Static Analysis Definition и кнопку
в диалоговом окне
Analyses для завершения настройки анализа.
6. Выберите Run и нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Run.
7. Убедитесь, что выбрана опция Use elements from an existing study. Открывается диалоговое окно Run Settings, как показано на рисунке 2–34.
Рисунок 2-34
8. Нажмите кнопку 
для одобрения настроек по умолчанию и закрытия диалогового окна
Run Settings.
9. Нажмите кнопку 
для запуска анализа. Открывается диалоговое окно
Question, как показано на рисунке 2–35.
Рисунок 2-35
10. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Question.
11. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Question обнаружения ошибки. В окне появляется
сообщение The design study has started. Pro/MECHANICA потребуется несколько минут на решение проблемы.
12. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Run для просмотра информации (например, пробег сходится на проходе 5 в секции
Measures, max_disp_mag - 0.022 от единицы длины и т.д.).
13. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Summary.
14. После завершения прогона нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
RUN.
Заключение
Файл .ro1 содержит информацию о равнодействующей реакции нагрузок, приложенных к модели.
В предшествующих задачах Вы решили анализ. Затем Вы отобразите и интерпретируете результаты этого анализа.
Задачи по обработке результатов
Задание 11: Отображение результатов.
В этой задаче Вы создадите и отобразите цветной график напряжения Мизеса.
1. Выберите Results и нажмите кнопку 
для сохранения текущей модели. Открывается окно
Untitled, как показано на рисунке 2–36.
Рисунок 2-36
2. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Create Result Window, как показано на рисунке 2–37.
Рисунок 2-37
3. Нажмите кнопку для одобрения названия окна по умолчанию, window1. Открывается диалоговое окно Design Study for Result Window "window1", как показано на рисунке 2-38.
Рисунок 2-38
В диалоговом окне RUN Settings Вы указали, где все выходные файлы должны быть сохранены.
4. Название анализа bar_1 и он находится под директории bar_1. Выберите подкаталог bar_1, используя поле Current Directory и раскрывающееся меню Drive. Подкаталог bar_1 появляется в поле Study (не делайте двойного щелчка по bar_1).
5. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Design Contents for Results Window "window1", как показано на рисунке 2–39.
Рисунок 2-39
Опция Feature Angle отображает кромки элемента в пределах амплитуды от 0° до 45° в демонстрационном окне. Когда установлено на 0°, кромки элемента полностью отображены, а когда установлено на 45°, кромки элемента не отображаются.
6. Выберите Stress из раскрывающегося меню Quantity и выберите von Mises из раскрывающегося меню Quantity.
7. Включите опцию Average, отключите опцию Continuous Tone, введите [0] в поле Feature Angle (для отображения всех кромок элемента).
8. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Define Contents for Result Window. Появляется окно
"window1", как показано на рисунке 2–40.
Рисунок 2-40
9.
Нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Define Contents for Results Window "window1".
10. В диалоговом окне
Define Contents for Results Window "window1" включите опцию Continuous Tone, установите
Fringe Levels(2-9) на [9], установите Feature Angle на [30] и нажмите кнопку 
. Появляется окно
"window1", как показано на рисунке 2-41.
Используйте шаги 9 и 10 из Задачи 11 только для целей отображения.
Рисунок 2-41
Задание 12: Используйте предопределённые критерии, чтобы изучить сходимость.
1. Выберите Edit > Copy или нажмите иконку 
для отображения графика сходимости. Открывается диалоговое окно, как показано на рисунке 2–42.
Рисунок 2-42
2. Напечатайте [convm] в поле To New Result Window. Открывается диалоговое окно Define Contents for Results Window "convm", как показано на рисунке 2–43.
Рисунок 2-43
3. Выберите Measure из раскрывающегося меню
Quantity и нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Select a Measure, как показано на рисунке 2-44.
Рисунок 2-44
4. Выделите max_stress_vm и нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Define Contents for Results Window "convm".
5. Нажмите кнопку 
.
Введите [condef] и [constr]в качестве названий для окон результатов.
6. Повторите шаги с 1 по 5 из Задания 12 для создания критерия для max_disp_mag и strain_energy.
7.
Нажмите иконку 
. Открывается диалоговое окно
Display Result Window, как показано на рисунке 2-45.
Рисунок 2-45
8. Выберите только convm в диалоговом окне
Display Result Window и нажмите кнопку 
для просмотра max_stress_vm. Появляется график сходимости, как показано на рисунке 2–46.
Рисунок 2-46
9. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Display Result Window, как показано на рисунке 2-47.
Рисунок 2-47
10. Выберите только condef в диалоговом окне и нажмите кнопку 
для просмотра max_disp_mag. Появляется график сходимости, как показано на рисунке 2-48.
Рисунок 2-48
11. Повторите шаги от 9 до 10 из Задания 12 для отображения графика сходимости strain_energy, как показано на рисунке 2–49.
Рисунок 2-49
Эти графики иллюстрируют, которое решение сходится после пяти проходов. Решение практически неизменное после четырёх проходов.
Задание 13: Анимируйте твёрдотельную балку в window1.
Убедитесь, что выбрано только window1 в диалоговом окне Display Result Window.
1. Нажмите кнопку 
, выделите window1 в диалоговом окне
Display ResultWindow и нажмите кнопку 
.
2. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Define Contents for Results Window "window1".
3. В диалоговом окне
Define Contents for Results Window "window1" отключите опцию Continuous Tone. Включите опцию
Average. Введите [0] для Feature Angle, включите опцию Deformed и примите заданное по умолчанию значение
Scale (10%). Включите опцию Animate, одобрите значение
Frames, заданное по умолчанию (8), и выберите
Reverse. Нажмите кнопку 
.
4. Выберите View > Start для запуска анимации. Нажимайте Step Back или Step Forward для перемещения по кадрам анимации. Выберите View> Stop для остановки анимации.
Задание 14: Исследование меню Info.
В этом задании Вы будете исследовать опции меню Info. Вы также расположите точку и значение максимального напряжения.
1. Нажмите иконку 
или выберите Edit > Result Window. Открывается диалоговое окно
Define Contents for Result Window "window1". Включите опции Deformed и
Animate. Нажмите кнопку 
. Появляется
"window1".
Выберите View > Span/Pan/Zoom, чтобы переориентировать модель.
2. Выберите Info > Model Max. Расположение и значение максимального напряжения Мизеса появляется на экране, как показано на рисунке 2–50.
Рисунок 2-50
3. Исследуйте другие опции меню
Info. Например, опция Query Dynamic показывает уровни напряжения твердотельной детали по мере перемещения курсора вдоль модели. После завершения нажмите кнопу 
.
Задание 15: Создание сечений твёрдотельной балки.
1. Выберте View > Spin/Pan/Zoom из главного меню.
Выберите View > Shade для отмены закраски модели.
2. Нажмите кнопку 
в диалоговом окне
Question. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 2–51.
Рисунок 2-51
3. Выберите Insert > Cutting Surfs. Открывается диалоговое окно Create Cutting Surface, как показано на рисунке 2-52.
Рисунок 2-52
4. В диалоговом окне
Create Cutting Surface выберите опции, как показано на рисунке 2–52. Нажмите иконку 
, для переориентации модели, чтобы видеть сечение, как показано на рисунке 2-53.
Рисунок 2-53
5. Выберите Edit > Cutting Plane, выберите секущую плоскость, щёлкните средней кнопкой мышки и введите [60] в поле
Depth. Нажмите кнопку 
. Обратите внимание, как сечение перемещается вдоль детали.
6. Выберите Edit > Cutting Plane, выберите секущую плоскость и щёлкните средней кнопкой мышки. Нажмите кнопку 
. Удерживая кнопку мыши и перемещения её Вы можете перемещать сечение вверх и вниз по модели.
7. Щёлкните средней кнопкой мышки для отмены динамической модификации. Появляется диалоговое окно Modify Cutting Surface.
8. Нажмите кнопку 
для закрытия диалогового окна
Modify Cutting Surface.
9. Выберите Edit > Delete Cutting Plane для удаления сечения.
10. Выберите Insert > Capping Surf и повторите шаги от 1 до 7 из задания 15 для получения результата, показанного на рисунке 2–54.
Рисунок 2-54
11. Выберите Done/Return из меню MEC STRUCT. Нажмите кнопку 
.
Задание 16: Исследование пределов элемента.
1. Выберите Settings > AGEM Settings из меню MECHANICA. Открывается диалоговое окно AutoGEM Settings, как показано на рисунке 2–55.
Рисунок 2-55
2. Одобрите твёрдотельный тип элемента, Tetra. Нажмите кнопку 
. Открывается диалоговое окно
Element Limits, как показано на рисунке 2-56.
Рисунок 2-56
Диалоговое окно Element Limits содержит четыре типа настроек: Edge Angles, Face Angles, Edge Turns и Aspect Ratios.
• Допустимые углы между кромками элемента показаны на рисунке 2-57.
Рисунок 2-57
• Допустимые углы между гранями элемента показаны на рисунке 2-58.
Рисунок 2-58
Максимальный допустимый Edge Turns позволяет Вам создавать элементы, которые соответствуют форме геометрии, из меньшего количества элементов
• Максимально допустимое Edge Turns между 45°и 95° показано на рисунке 2–59. Этот предел имеет допустимый диапазон от 1 до 100 градусов.
Рисунок 2-59
• Максимально допустимое Aspect Ratio, коэффициент длины к ширине элемента, показан на рисунке 2-60.
Рисунок 2-60
3. Нажмите кнопку 
для одобрения опций по умолчанию.
4. Нажмите кнопку для закрытия диалогового окна
AutoGEM Settings.
5. Нажмите Done.
Задание 17: Запуск Pro/MECHANICA в независимом режиме.
Сетка в Pro/MECHANICA генерируется автоматически. Она может быть видима только в независимом режиме. В этом задании Вы запустите Pro/MECHANICA в независимом режиме и исследуете FEA сетку.
1. Выберите Indep Mec > Structure из меню MECHANICA.
2. При запросе введите [Y].
3. Прочитайте информационное сообщение и нажмите кнопку 
.
Для удаления объектов моделирования в независимом режиме (например, нагрузки, твёрдотельные элементы) выберите Edit > Delete > Entity.
Для модификации нагрузок выберите Edit > Loads.
4. Напечатайте [solid_modelM] в качестве названия новой модели и нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 2–61.
Познакомьтесь с интерфейсом независимого режима и меню Design. Pro/MECHANICA в независимом режиме рассмотрена в главе 12.
Рисунок 2-61
5. Нажмите кнопку 
, выберите Iso и нажмите кнопку 
.
6. Выберите Model > Elements > AutoGEM.
7. Выберите Volume > All и нажмите клавишу Enter. Pro/MECHANICA начинает создавать сетку модели. Открывается диалоговое окно AutoGEM Summary, как показано на рисунке 2-62.
Рисунок 2-62
Обратите внимание, в диалоговом окне AutoGEM Summary имеется только 21 тетраэдрический элемент.
8. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 2–63.
Рисунок 2-63
9. Выберите Settings из меню Display, как показано на рисунке 2–64. Открывается диалоговое окно Display Settings, как показано на рисунке 2–65.
Рисунок 2-64
Рисунок 2-65
10. Выберите Flat Shade из раскрывающегося меню Display Type. Секция Display Type выглядит как показано на рисунке 2-66.
Рисунок 2-66
11. Выберите Coarse из раскрывающегося меню Display Quality.
12. Выберите Elements из раскрывающегося меню Shade.
13. Выберите Elements из раскрывающегося меню Shade.
14. Включите опцию Shrink All Elements.
15. Выберите White из раскрывающегося меню Background Color.
16. Нажмите кнопку 
. Модель теперь выглядит как показано на рисунке 2-67.
Рисунок 2-67
17. Сохраните модель и закройте окно.