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《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》共分为三篇11章,从软件的基本操作讲起,再进一步介绍各种分析机构的建立、分析和优化设计,然后结合具体实例,讲解了各种工具的使用方法和操作步骤,最后通过综合实例,强化读者对Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的基本操作、基本技能的掌握和理解。
《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》可作为机械设计技术人员学习基于Pro/ENGINEER Wildfire 5.0进行机械结构有限元分析的入门与实践的书籍,也可作为大专院校机械类专业学生的教材或教学参考书。
《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》结合内容讲解和读者学习的需要,在光盘中配置了大量实例源文件以及相关的视频讲解内容,对《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》中的各个重要实例进行了针对性讲解,便于读者掌握实例操作的流程和技巧。
内容简介
《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》涵盖了Pro/Engineer Wildfire 5.0的Mechanism(运动/动力学仿真技术)、Mechanica(有限元分析技术)两大模块,介绍了动力学分析、动画制作、结构分析和热力学分析模型的创建及分析过程。根据由浅入深、前后呼应的教学原则进行内容安排,从而使读者能更快、更深入地理解Pro/ENGINEER Wildfire 5.0软件中的一些抽象概念、复杂命令和功能,并对运用该软件进行产品分析的过程有全面的了解。《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》第1章介绍了使用该软件进行分析的3种模式:FEM模式、集成模式和独立模式,重点以集成模式为讲解对象,介绍了机构动力学和有限元分析。第2章一第5章介绍了动力学分析模块的建立和环境的设置、动力学分析和动画制作等。第6章一第9章介绍了机构结构分析和热力学分析模型的建立及分析过程。每个知识点都使用了命令讲解结合具体实例的方法,可以在学习软件操作的同时通过实例练习来迅速掌握相关知识。每部分都有综合实例练习,通过学习的知识,更加快速有效地掌握软件的使用。
《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》的特点是详细介绍了Pro/Engineer Wildfire 5.0中各种工具命令的使用方法,突出了工具命令的操作方法,使用大量实例阐述工具命令的使用方法和相关的知识和技巧。《Pro/ENGINEER Wildfire 5.0动力学与有限元分析从入门到精通》可作为机械设计技术人员学习基于Pro/Engineer Wildfire5.0进行机械结构有限元分析的入门与实践的书籍,也可作为大专院校机械类专业学生的教材或教学参考书。
内页插图
目录
前言
第1篇 机构动力分析
第1章 动力学与有限元分析概述
1.1 机构的工作模式
1.1.1 FEM模式
1.1.2 集成模式
1.1.3 独立模式
1.2 Pro/Engineer Mechanica的安装
第2章 动力学分析
2.1 机构模块介绍
2.1.1 机构模块简介
2.1.2 运动学分析流程
2.1 .3动力学分析流程
2.2 机构工作台
2.3 菜单栏介绍
2.3.1 文件(F)菜单
2.3.2 编辑(E)菜单
2.3.3 视图菜单
2.3.4 插入菜单
2.3.5 分析菜单
2.3.6 信息菜单
2.3.7 应用程序菜单
2.3.8 工具菜单栏
2.4 T具栏
2.4.1 机构工具栏
2.4.2 模型工具栏
2.4.3 动态工具栏
2.4.4 运动工具栏
2.5 结构树
2.5.1 模型树
2.5.2 机构树
第3章 建立运动模型及设置运动环境
3.1 建立常规连接
3.1.1 刚性连接
3.1.2 销钉连接
3.1 .3滑动杆连接
3.1.4 圆柱连接
3.1.5 平面连接
3.1.6 球连接
3.1.7 轴承连接
3.1.8 焊缝连接
3.1.9 一般连接
3.1.10 6DOF连接
3.1.11 槽连接
3.2 建立特殊连接
3.2.1 凸轮连接
3.2.2 3D接触连接
3.2.3 齿轮连接
3.2.4 传动带连接
3.3 调节连接方式
3.4 定义运动机构
3.5 拖动和快照
3.6 定义伺服电动机
3.7 设置运动环境
3.7.1 定义重力
3.7.2 定义执行电动机
3.7.3 定义弹簧
3.7.4 创建阻尼器
3.7.5 创建力,力矩
3.7.6 定义初始条件
3.8 定义质量属性
3.9 术语表
第4章 机构动力学分析
4.1 机构分析
4.1.1 位置分析
4.1.2 运动学分析
4.1.3动态分析
4.1.4 静态分析
4.1.5 力平滑分析
4.2 分析结果
4.2.1 回放
4.2.2 测量
4.2.3 轨迹曲线
4.3 常规机构仿真
4.3.1 连杆机构
4.3.2 凸轮机构
4.3.3 齿轮机构
第5章 动画制作
5.1 动画制作概述
5.1.1 进入动画制作模块
5.1.2 动画制作菜单栏介绍
5.1.3 动画制作工具栏
5.2 定义动画
5.2.1 创建动画
5.2.2 动画显示
5.2.3 定义主体.
5.3 动画制作
5.3.1 关键帧排序
5.3.2 事件
5.3.3 锁定主体
5.3.4 创建电动机
5.3.5 连接状态
5.3.6 定时视图
5.3.7 定时透明视图
5.3.8 定时显示
5.3.9 编辑和移除对象
5.4 生成动画
5.4.1 启动动画
5.4.2 回放
5.4.3 输出动画
第2篇 结构与热力学分析
第6章 结构分析概述
6.1 结构分析模块
6.1.1 结构分析模块简介
6.1.2 分析流程
6.2 结构分析工作台
6.3 菜单栏
6.3.1 “文件”菜单
6.3.2 “编辑”菜单
6.3.3 “插入”菜单
6.3.4 “属性”菜单
6.3.5 “AutoGEM"菜单
6.3.6 “分析”菜单
6.4 工具栏
第7章 建立结构分析模型
7.1 简化模型
7.2 创建载荷
7.2.1 创建载荷集
7.2.2 创建力/力矩载荷
7.2.3 创建压力载荷
7.2.4.创建承载载荷
7.2.5 创建重力载荷
7.2.6 创建离心载荷
7.2.7 创建温度载荷
7.3 创建约束
7.3.1 创建约束集
7.3.2 创建位移约束
7.3.3 创建平面约束
7.3.4 创建销钉约束
7.3.5 创建球约束
7.3.6 创建对称约束
7.4 理想化模型
7.4.1 创建壳
7.4.2 创建梁
7.4.3 创建弹簧
7.4.4 创建质量
7.5 创建连接
7.5.1 创建界面
7.5.2 创建焊接
7.5.3 创建刚性连接
7.5.4 创建受力连接
7.5.5 创建紧固件连接
7.6 材料
7.6.1 定义材料
7.6.2 创建材料方向
7.6.3 分配材料
7.7 创建模拟测量
7.8 网格划分
7.9 创建曲面区域和体积块区域
7.9.1 创建曲面区域
7.9.2 创建体积
7.10 显示控制
第8章 结构分析
8.1 分析的类型
8.2 建立结构分析
8.2.1 静态分析
8.2.2 模态分析
8.2.3 失稳分析
8.2.4 疲劳分析
8.2.5 预应力静态分析
8.2.6 预应力模态分析
8.3 动态分析
8.3.1 动态时域分析?
8.3.2 动态频域分析
8.3.3 动态冲击分析
8.3.4 动态随机分析
8.4 设计研究
8.4.1 标准设计研究
8.4.2 敏感度设计研究
8.4.3 优化设计研究
8.5 电动机吊座的结构分析
8.5.1 创建模型
8.5.2 建立分析模型
8.5.3 结构分析
8.5.4 优化设计
8.5.5 升级零件
第9章 热力学分析
9.1 热力学分析概述
9.1.1 进入热力学分析
9.1.2 操作平台介绍
9.1.3 分析流程
9.2 创建热力载荷
9.2.1 创建载荷集
9.2.2 创建热力载荷
9.3 创建边界条件
9.3.1 创建边界条件集
9.3.2 创建规定温度
9.3.3 创建对流条件
9.3.4 创建热对称性
9.4 建立分析和研究
9.4..1 创建稳态热分析
9.4.2 创建瞬态热分析
9.5 CPU散热片分析
9.5.1 建立简化模型
9.5.2 分配材质并创建曲面区域
9.5.3 施加热力载荷
9.5.4 设置边界条件
9.5.5 运行分析并获取结果
第3篇 综合实例
第10章 二级减速器仿真
10.1 二级减速器仿真概述
10.2 装配模型
10.2.1 建立骨架模型
10.2.2 装配传动轴
10.2.3 装配齿轮
10.3 建立运动模型
10.3.1 设置连接
10.3.2 检查机构
10.3.3 定义伺服电动机
10.4.运动分析
10.4.1 运动学分析
10.4.2 回放
10.4.3 生成分析测量结果
第11章 活塞连杆机构
11.1 运动仿真
11.1.1 组装活塞
11.1.2 机构设置
11.1 .3运动分析:
11.2 活塞结构分析
11.2.1 建立分析模型
11.2.2 结构分析
11.2.3 热力学分析
11.3 优化设计
11.3.1 标准设计研究
11.3.2 敏感度设计研究
11.3.3 优化设计研究
11.3.4 升级模型
精彩书摘
使用软件对设计模型进行运动仿真和有限元分析,能够模拟在真实环境工作状况并对其进行分析和研究,尽早发现设计中的缺陷,并验证产品功能和性能的可靠性,提前进行修改和优化,从而减少制造中发现问题而付出昂贵的代价,提高设计的可行性和缩短周期。
Pro/Engineer Wildfire是集CAD/CAM/CAE于一体的大型三维设计软件,其中CAE包含运动分析、结构分析和热力学分析3大部分,功能强大,主要表现在以下几个方面:
(1)采用运动/动力学的理论和方法,通过CAD绘出实体模型并设计出会运动的机构。对整体机构进行运动/动力学仿真,分析出如位置、速度、加速度、作用力等具有重要的决定机构性能等设计参数的物理数据。
(2)采用工程数值分析中的有限元技术,分析、计算产品机构的应力、变形等物理参数,分析物理量在空间和时间上的分布和变化规律,完成机构的线性、非线性、静力、动力的计算分析。
(3)在满足设计要求的前提下,采用过程优化设计方法,对产品的机构、设计参数、结构形状等参数进行优化设计,使产品机构性能达到最佳状态。
(4)采用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范,评估机构的安全性、可靠性和使用寿命。
前言/序言
Pro/Engineer是基于单一数据库、参数化、特征、全相关及工程数据再利用等概念的基础上开发出的一个功能强大的CAD/CAE/CAM软件,它能将产品从设计到生产加工的过程集成在一起,让所有用户同时进行同一产品的设计与制造工作。它是3D产品设计的行业标准。作为业界领先的生产效率工具,它促进用户采用最佳设计做法,同时确保遵守业界和公司的标准。集成的参数化3D CAD/CAM/CAE解决方案可让设计速度比以前快,同时最大限度地增强创新力度并提高质量,最终创造出不同凡响的产品。
本书基本涵盖了Pro/Engineer Wildfire 5.0动力学分析、机构分析两大部分。从基本操作到模型建立、从概念到综合实例、从分析到优化设计的编制,讲述了模块中各工具的操作方法、使用步骤和基本功能。在每章的最后,以实例的形式进一步巩固所学基本工具的使用。本书最后以两个典型实例(二级减速器、活塞连杆机构)讲解了使用Pro/Engineer Wildfire 5.0进行工程分析的设计过程。本书的特点主要体现在以下几个方面:
编排采用循序渐进的方式,适合初、中、高级读者逐步掌握Pro/Engineer Wildfire5.0软件使用的基本操作方法进行产品分析和优化设计的精髓。
以知识点为介绍单元,通过概念、操作方法、经典实例,透彻地剖析每个知识点,让读者深切掌握每个知识点。
采用了浅显易懂的例子,容易上手操作。每个例子讲解步骤简单全面,易于理解。
对关键性的技巧以“注意”提醒读者,减少不必要的时间和精力去琢磨和研究它。
内容翔实,选例典型,针对性强,叙述言简意赅、清晰流畅、讲解透彻,能使读者快速掌握Pro/Engineer Wildfire 5.0动力学分析、机构分析模块的应用要领。
结合内容在光盘中配置了大量实例源文件,以及相关的视频讲解内容,对书中的各个重要实例进行针对性讲解,便于读者掌握实例操作的流程和技巧
本书共分为3篇11章,第1篇(第1~5章)机构动力学分析。讲述了Pro/Engineer Wildfire 5.0软件进行动力学和有限元分析的三种模式、动力学分析模块的介绍、建立运动模型及设置运动环境、动力学分析和动画制作等基础知识;第2篇(第6~9章)结构与热力学分析。介绍了结构分析模块、建立机构分析模型的方法步骤、机构各种结构分析以及热力学分析等内容。讲述了静态分析、模态分析、失稳分析、疲劳分析、预应力分析、动态分析以及敏感度分析、优化设计等;第3篇(第10章、第ll章)综合实例。以最常见的二级减速器、活塞连杆机构为例,讲述了动力学和结构分析创建过程,巩固各模块中常见工具的使用方法和技巧,通过举一反三,让读者具有独立完成项目分析设计的能力。
《结构设计与力学仿真:从概念到验证的工程实践》 在这纷繁复杂的工程设计世界里,精确的力学分析与高效的结构验证是实现产品性能、安全与可靠性基石。本书旨在为广大工程技术人员、在校学生以及对工程力学仿真感兴趣的读者,提供一个系统、深入且贴合实际的指导框架,帮助您掌握从概念设计到最终性能验证的全过程。我们不仅仅是介绍工具的使用,更侧重于理解其背后的力学原理,培养您独立分析解决工程问题的能力。 第一部分:工程分析的理论基石与思维模式 在深入接触具体的软件工具之前,理解力学分析的核心理论和建立正确的分析思维模式至关重要。本部分将为您打下坚实的理论基础,并引导您构建严谨的工程分析思维。 第一章:工程力学基础回顾与现代分析视角 经典力学回顾: 简要回顾材料力学、弹性力学、塑性力学等核心概念,包括应力、应变、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度等基本物理量及其相互关系。重点梳理不同材料模型(线弹性、弹塑性、超弹性等)的适用范围和基本假设。 动力学基础: 阐述刚体动力学与连续体动力学的基础,包括牛顿运动定律、能量守恒定律、动量守恒定律等,以及它们在描述机械系统运动行为中的应用。 现代工程分析的演进: 追溯工程分析方法的发展历程,从传统的解析解法、图解法,到数值计算方法,再到如今广泛应用的计算机辅助工程(CAE)技术。探讨CAE技术如何打破传统方法的局限,实现复杂问题的求解。 分析思维模式的建立: 强调在进行工程分析前,首先需要明确分析目标,识别关键受力部件,简化模型,选择合适的分析方法,并理解各种简化和假设的潜在影响。培养“先思考,后计算”的良好习惯。 第二章:有限元分析(FEA)方法论与基本原理 有限元法的核心思想: 深入剖析有限元法的基本原理,即“离散化”——将连续的求解域划分为若干个相互连接的、简单的离散单元(如三角形、四边形、四面体、六面体等)。 单元类型与插值函数: 介绍不同几何形状和节点数的单元类型(如杆单元、梁单元、壳单元、实体单元),以及用于描述单元内物理量(位移、温度等)变化的插值函数(形函数)。 单元刚度矩阵的建立: 详述如何基于虚功原理或变分原理,推导出单个单元的刚度矩阵。解释刚度矩阵在描述单元连接关系和荷载传递中的作用。 整体刚度矩阵的组装: 说明如何将所有单元的刚度矩阵按照节点连接关系,组装成整体结构刚度矩阵。强调节点编号和自由度的概念。 边界条件与荷载的施加: 讲解如何在整体刚度方程中施加位移边界条件(约束)和外力荷载(集中力、压力、重力、温度载荷等)。 求解线性方程组: 介绍求解形如 $[K]{u} = {F}$ 的大型稀疏线性方程组的常见数值方法,如直接法(高斯消元法)和迭代法(共轭梯度法)。 应力和应变的计算: 解释求解位移后,如何基于单元形函数和应变-位移关系,计算单元内的应力和应变。 单元与网格的质量: 讨论网格划分质量对分析结果准确性的影响,包括单元畸变、长宽比、雅可比行列式等评价指标。 第三章:动力学分析的理论框架与应用场景 动力学方程的建立: 介绍动力学分析的基本方程,例如以达朗贝尔原理为基础的运动方程:$[M]{ddot{u}} + [C]{dot{u}} + [K]{u} = {F(t)}$。 质量矩阵、阻尼矩阵与刚度矩阵: 详细阐述质量矩阵(惯性效应)、阻尼矩阵(能量耗散)和刚度矩阵(恢复力)的物理意义及其在动力学方程中的作用。 模态分析(自由振动分析): 讲解模态分析的原理,即求解无阻尼、无外力的自由振动方程,得到结构的固有频率(自振频率)和振型(固有模态)。阐述固有频率和振型在结构设计中的重要性,如避免共振。 响应谱分析: 介绍响应谱分析方法,如何根据给定的地震波或随机振动功率谱密度(PSD)来估算结构的最大响应(位移、速度、加速度、应力等)。 瞬态动力学分析(时域分析): 阐述如何求解含有时间相关荷载和阻尼的动力学方程,获得结构在任意时刻的响应。介绍时间积分方法(如中心差分法、Newmark-β法、Wilson-θ法)。 谐响应分析(频域分析): 讲解如何求解在周期性外力作用下结构的稳态响应,得到结构在不同频率下的幅值和相位响应。 随机振动分析: 阐述如何根据输入激励的统计特性(如PSD),计算结构的输出响应的统计特性。 冲击与碰撞分析: 探讨如何模拟短暂、剧烈冲击或碰撞事件对结构的影响,通常需要非线性瞬态动力学分析。 第二部分:工程仿真流程与关键技术实践 本部分将带领您一步步实践典型的工程仿真流程,涵盖从前处理到后处理的每一个环节,并深入探讨一些高级技巧。 第四章:模型准备与前处理流程 几何建模与简化: 介绍如何导入或创建分析所需的工程几何模型。重点讲解模型简化的策略,如去除倒角、小孔、薄壁、抽壳、缝合等,以减小计算量并聚焦于关键力学行为。 材料属性定义: 详细说明如何为模型定义准确的材料属性,包括弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、导热系数等。介绍不同材料模型的选择(线弹性、弹塑性、各向同性、正交异性等)。 网格划分策略: 深入探讨网格划分的关键技术,包括网格类型(结构网格、非结构网格)、单元尺寸控制、网格密度分布(局部细化)、网格质量检查与优化。讨论网格尺寸对结果精度的影响,并提供网格独立性研究的方法。 加载与约束的定义: 讲解如何精确地施加各种类型的载荷,如位移约束、固定约束、弹性支撑、集中力、压力、重力、温度变化、惯性参考系等。强调载荷和约束的合理性对仿真结果的决定性作用。 单元类型与物理设置: 根据分析需求,选择合适的单元类型(实体、壳、梁、桁架等),并设置分析的物理场(静力学、模态、瞬态动力学、谐响应等)。 第五章:求解器设置与分析执行 分析类型选择: 明确分析目标,选择最适合的分析类型,如静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、屈曲分析、热应力分析等。 求解器选项配置: 介绍不同求解器(如直接求解器、迭代求解器)的特点与适用场景。讲解求解器相关的参数设置,如时间步长、收敛准则、载荷步等。 非线性分析的考量: 探讨几何非线性(大变形、大转动)、材料非线性(塑性、屈服)和接触非线性(接触面的滑动、分离、压溃)等在仿真中的处理方法。讲解如何设置接触属性(摩擦、无摩擦、粘附等)。 并行计算与效率优化: 介绍如何利用多核处理器或集群进行并行计算,以缩短大型复杂模型的求解时间。 分析运行与监控: 演示如何启动分析计算,并监控计算过程中的进度、残差、收敛状态等关键信息。 第六章:结果后处理与解读 可视化结果展示: 介绍如何直观地展示分析结果,如位移云图、应力云图(Mises应力、主应力、剪应力)、应变云图、温度分布图、振型动画等。 数据提取与量化分析: 讲解如何从模型中提取特定位置、截面、曲线上的数值结果,如最大位移、最大应力、关键点的应力-时间曲线、频率响应曲线等。 结果的准确性评估: 强调对仿真结果进行验证的重要性,包括与理论计算、实验数据、工程经验进行对比。讨论网格收敛性研究、载荷和约束敏感性分析。 失效模式与性能评估: 如何根据仿真结果,识别潜在的失效模式(如屈服、断裂、失稳、共振),评估结构的强度、刚度、耐久性、热性能等。 报告生成与沟通: 指导如何撰写清晰、完整的仿真报告,包含模型描述、分析设置、关键结果、结论与建议,以及局限性说明。 第三部分:进阶应用与工程最佳实践 在掌握了基本流程后,本部分将进一步拓展您的视野,深入探讨高级仿真技术和工程实践中的常见挑战。 第七章:接触与连接仿真技术 接触算法与类型: 深入探讨不同接触算法(如法向刚度、Penalty、拉格朗日乘子法)的原理与优劣。讲解不同接触类型(面-面、点-面、边-面)的定义和应用。 接触参数的敏感性: 分析接触参数(如摩擦系数、接触刚度)对仿真结果的影响,并给出选择建议。 焊接、螺栓连接的仿真: 介绍如何模拟焊接、螺栓连接等复杂连接形式,并评估其承载能力和稳定性。 预紧力与装配仿真: 探讨如何施加预紧力,以及在装配过程中部件之间的相互作用。 第八章:非线性分析的深度探索 弹塑性材料行为: 深入研究屈服准则(Von Mises, Tresca等)、硬化模型(随动硬化,随动硬化),以及材料塑性变形过程的仿真。 大变形与稳定性分析: 讲解在分析中考虑大变形效应(如薄壁结构在压力下的失稳),以及进行屈曲分析来预测结构的临界失稳载荷。 疲劳寿命预测: 介绍基于应力-应变循环数据,预测结构在反复载荷作用下的疲劳寿命的基本方法。 第九章:高级动力学分析技术 跌落与冲击仿真: 详细讲解如何精确模拟产品跌落、碰撞等冲击场景,包括冲击方向、接触区域、材料的动力学行为。 振动与噪声工程(V&N): 探讨如何利用仿真技术评估结构在动态激励下的振动响应,并进一步预测可能产生的噪声。 多体动力学(MBD)与FEA的耦合: 介绍将多体动力学仿真结果(如位移、速度、加速度)作为载荷,导入到有限元分析中,以更精确地评估局部应力。 第十章:失效分析与可靠性工程 断裂力学基础与仿真: 介绍裂纹扩展的基本概念,以及如何使用有限元方法进行断裂力学分析,评估结构的断裂韧性。 可靠性预测与裕度分析: 基于仿真结果,结合材料的变异性、载荷的波动性,进行结构的可靠性评估和设计裕度分析。 失效模式分析与改进建议: 总结常见的工程结构失效模式,并基于仿真结果,提出结构优化和改进的建议,以提高产品性能和可靠性。 第十一章:仿真流程的自动化与集成 参数化建模与自动化仿真: 介绍如何通过参数化建模,实现模型尺寸、材料属性、载荷条件的快速修改,并自动化仿真流程。 多学科协同仿真(Co-simulation): 探讨不同仿真软件(如结构、流体、热、电磁)之间的耦合与协同仿真,以解决复杂的多物理场问题。 设计空间探索与优化: 结合优化算法,利用仿真结果自动探索设计参数空间,找到最优设计方案。 结语 《结构设计与力学仿真:从概念到验证的工程实践》不仅仅是一本关于软件操作的手册,更是一次思维的训练、一次方法的探索。我们相信,通过对本书内容的深入学习和实践,您将能够更加自信地驾驭复杂的工程挑战,将创新设计转化为可靠的产品,为工程技术的进步贡献力量。愿本书成为您工程之路上的得力助手。