UG有限元分析教程

第1章高级仿真入门17第1章高级仿真入门在本章中，将学习：高级仿真的功能。由高级仿真使用的文件。使用高级仿真的基本工作流程。 创建FEM和仿真文件。用在仿真导航器中的文件。在高级仿真中有限元分析工作的流程。1.1综 述UG NX4高级仿真是一个综合性的有限元建模和结果可视化的产品，旨在满足设计工 程师与分析师的需要。高级仿真包括一整套前处理和后处理工具，并支持广泛的产品性能 评估解法。图1-1所示为一连杆分析实例。图1-1连杆分析实例高级仿真提供对许多业界标准解算器的无缝、透明支持，这样的解算器包括NXNastran、MSC Nastran、ANSYS和ABAQUS。例如，如果结构仿真中创建网格或解法，则指定将要用于解算模型的解算器和要执行的分析类型。本软件使用该解算器的术语或“语 言”及分析类型来展示所有网格划分、边界条件和解法选项。另外，还可以求解模型并直 接在高级仿真中查看结果，不必首先导出解算器文件或导入结果。高级仿真提供基本设计仿真中需要的所有功能，并支持高级分析流程的众多其他功能。高级仿真的数据结构很有特色，例如具有独立的仿真文件和FEM文件，这有利于在分布式工作环境中开发有限元（FE）模型。这些数据结构还允许分析师轻松地共享FE数据去执行多种类型分析。高级仿真提供世界级的网格划分功能。本软件旨在使用经济的单元计数来产生高质量网格。结构仿真支持完整的单元类型（1D、2D和3D）。另外，结构级仿真使分析师能够控制特定网格公差。例如，这些公差控制着软件如何对复杂几何体（例如圆角）划分网格。高级仿真包括许多几何体简化工具，使分析师能够根据其分析需要来量身定制CAD几何体。例如，分析师可以使用这些工具提高其网格的整体质量，方法是消 除有问题的几何体（例如微小的边）。高级仿真中专门包含有新的NX传热解算器和NX流体解算器。NX传热解算器是一种完全集成的有限差分解算器。它允许热工程师预测承受热载荷系统中的热流和温度。NX流体解算器是一种计算流体动力学（CFD）解算器。它允许分析师执行稳态、不可压缩的流分析，并对系统中的流体运动预测流率和压力梯度，也可 以使用NX传热和NX流体一起执行耦合传热/流体分析。1.2仿真文件结构当向前通过高级仿真工作流时，将利用 4个分离并关联的文件去存储信息。要在高级 仿真中高效地工作，需要了解哪些数据存储在哪个文件中，以及在创建那些数据时哪个文 件必须是激活的工作部件。这4个文件平行于仿真过程，如图1-2所示。图1-2仿真文件结构设计部件文件的理想化复制当一个理想化部件文件被建立时，默认有一.prt扩展名，fem#_i是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt, 个理想化部件被命名为plate_fe ml.prt。一个理想化部件是原设计部件的一个相关复制，可以修改它。理想化工具让用户利用理想化部件对主模型的设计特征做改变。不修改主模型部件，而按需要在理想化部件上执行几何体理想化。例如，可以移去和抑制特征，如在分析中被 忽略的小的几何细节。对同一原设计部件文件的不同类型分析可以使用多个理想化文件。仿真文件当建立一仿真文件时，默认一个仿真文件有一.sim扩展名，_sim#是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt, 个仿真文件被命名为plate_sim1.sim。仿真文件含有所有仿真数据，如解答、解算设置、载荷、约束、单元相关的数据、物 理特性和压制，可以对文件建立许多关联到同一FEM的仿真文件。当执行多个分析类型时，4个分离的文件提供灵活性。如果允许更新，4个文件是关连的。1.3高级仿真工作流程在开始一个分析前，应该对试图求解的问题有一彻底了解。应该知道将利用哪个求解 器，正在执行什么类型的分析和需要什么类型的解决方案。下列简要摘录了在结构仿真中 通用的工作流程。（1 ）在NX中，打开一部件文件。（2）启动高级仿真应用。为 FEM和仿真文件规定默认求解器（设置环境，或语言）。注意：也可以选择先建立 FEM文件，然后再建立仿真文件。（3 ）建立一解决方案。选择求解器（如NX Nastran）、分析类型（如 Structural ）和解决方案类型（如 Lin ear Statics ）。（4）如果需要，理想化部件几何体。 一旦使理想化部件激活，可以移去不需要的细节，如孔或圆角，分隔几何体准备实体网格划分或建立中面。（5 ）使FEM文件激活，网格划分几何体。首先利用系统默认自动地网格化几何体。 在许多情况下系统默认提供一好的高质量的网格，可无须修改使用。（6）检查网格质量。如果需要，可以用进一步理想化部件几何体细化网格，此外在FEM中可以利用简化工具，消除当网格划分模型时由CAD几何体可能引起的不希望结果的问题。（7）应用一材料到网格。（8 ）当对网格满意时，使仿真文件激活、作用载荷与约束到模型。（9）求解模型。（10 ）在后处理中考察结果。1.4仿真导航器仿真导航器（Simulation Navigator）提供在一树状结构中，一个观察和操纵一CAE分析的不同文件和组元的图形方法。每一个文件和组元被显示为在树中的一分离节点，如 图1-3所示。在仿真导航器中提供了直接存取直通快捷菜单。可以在仿真导航器中直接执行大多数 操作，代替使用图标或命令。例如，建立一新的求解定义，可以把载荷和约束从一容器拖 到仿真导航器的另一个中。rod_s i tn2 B Sd I on I P SUB匚* BT AT j C LOADS I i gp I Nado I YJi nJle -D03a Max !7 O54e -008 mmDeForiTiQt i on ? 1 sp I q匚eme门七 - Nacfa IhriuhclOf i Ndvk|Bt4r&日 2,445e -001 4,091 e -0017.336e-00-9* 704e -QD-=1-I,223e-DD3-J,4Sae-O03,7l2e-O03-J 957e-OD3-2.20e-003-?.69Je-003卜 Oviriiite CtrtESrW61 車Skn/aSri-良护 L6ad mnlanar k EJin；匚arelrt. :ntsis1SflUKnlACIMSP 羽:SkTidsoan 0b寮世两ED悴匚orstrnt3BPTCl)日-1 e- E LoahEIEejngi：l) 5旳虹IpMtW&w 1Workr RT 3- -teresbE Jrcd_feni Zj图1-3仿真导航器1.4.1在仿真导航器中的节点1-4所示为在一个顶级仿真文件内仿真导航器的顶部面板列出显示文件的内容。如图的容器例子。选中复选框可以控制项目的显示。三bratket_f em jB Sbroctetjenil j traifeLprt: l+l 0 Mygontjewwtry l+l 凰应 3D Me百has； 0 护:5hulatio 仃 怡应 Container 曰呈审Ln胡 0 Bendng Lgfid 話P Piling Load HHCwistrant Contansr S nx6d(i) 曰盖血LAon I 单Simdatkn Objects B甌壮5和sinU S FixcdU) fl 膚 SdbcMe 宜求ic Loiad51 白 DILoa* Bending Lwd E 當 Subcase Sintic Laad Z 曰话 Pulling LZ JiRwuts图1-4仿真导航器中的各种节点表1-1所示的是仿真导航器中各种节点的高级综述。表1-1仿真导航器节点 描述图标节点名节点描述躍FEM含有所有网格数据、物理特性、材料数据和多边形几何体。FEM文件总是相关到理想化。可以关联多个FEM文件到一单个理想化 部件主模型部件当主模型部件是工作部件时，在主模型部件节点上右击建立一新 的FEM或显示已有的理想化部件多边形几何体含有多边形几何体（多边形体、表面和边缘）。一旦网格化有限 元模型，任何进一步几何体提取发生在多边形几何体上，而不是 在理想化或主模型部件上续表图标节点名节点描述H1D网格含有所有一维（1D）网格3D网格含有所有三维（3D）网格载荷容器含有指定到当前仿真文件的载荷。在一解决方案容器内，载荷容 器（Load Container）含有指定到给件子工况的载荷解决方案含有解决方案对象、载荷、约束和对解决方案的子工况结果含有从一求解得来的任一结果。在后置处理器中，可以打开结果节点，并利用在仿真导航器内的可见复选框去控制各种结果组的 显示142仿真文件视图仿真文件视图是一个特殊浏览器窗口，存在于仿真导航器中。该窗口：显示所有已加载的部件，以及这些部件到主模型部件层次关系中的所有FEM和仿真文件。允许轻松更改显示的部件，方法是双击要显示的部件。如果某一实体正在显示，图标则显示为彩色，且名称会高亮显示。 如果某一实体不在显示，图标则变灰。允许在任何设计或理想化部件上创建新的FEM和仿真文件，而不必首先显示部件。仿真文件视图如图1-5所示。Session-bracket_sinl -bracket湎- _1 bracket Jem 1rbfacfcet茁真丈件图1-5仿真文件视图1.5练 习在本练习中利用一三维实体网格，分析一个连接杆部件，了解高级仿真工作流程，并 学习：打开部件及建立FEM和仿真文件。在网格化前理想化几何体。网格化部件。为网格定义一材料。作用载荷和约束到部件。求解模型。观察分析结果。第1步 打开部件，启动高级仿真在NX中，打开rod.prt部件，如图1-6所示。启动 Advaneed Simulation 应用。选择 Starts All Applications Advaneed Simulation。 在资源条上，单击 Simulation Navigator图标保持仿真导航器打开。在仿真导航器中，右击rod.prt并选择 New FEM and Simulation。如图1-7所示，New FEM a nd Simulation对话框列出 3个已自动建立的新文件。DefaultLanguage 下 NX NASTRAN 为求解器，Analysis Type 选择 Structural。图 1-6 rod.prt图 1-7 New FEM and Simulation 对话框单击New FEM and Simulation对话框中的 OK按钮。出现Create Solution对话框，如图1-8 所示，默认 Solver 是 NX NASTRAN。单击Create Solution对话框中的 OK按钮。Simulation Navigator 显示 Simulation 和 FEM 文件，图 1-8 Create Solution 对话框如图1-9所示。Sttniuldtloci NdvIgsWrNameS 3rod_fcmlH Srod_femljS rod.prt+ Q Polygon GeometryST # simuatfcn Object Oontatw1 段 LMdCCrtiiH#Thi CcTEtrarrt ContainerQ sohtEn 1E?車勺ELhtKn Objectsf f Subcese-Steflc Lo&cfe 1臥 gadsShujltioii nie ViewSession曰智冈_泗1 r rod_ferhl 回 mod_SeniL rod图1-9仿真导航器第2步理想化几何体对此练习，某些设计特征可以从部件移去，因为它们对分析是不重要的。在 Simulation Navigator 中，如果 Simulation File View 是被折叠，单击 Simulation FileView条打开它。 双击 rod feml i。提示：也可以选择文件名，右击并选择Make Displayed Part。理想化的部件现在在仿真导航器中被激活。在Advaneed Simulation工具栏中，单击 随Idealize对话框打开，选择部件。选中Holes复选框。Idealize Geometry 图标 。注意：设置直径到10，两个螺栓孔被亮显，因为每一个直径小于或等于10 mm。单击OK按钮。孔从理想化部件被移去，如图1-10所示。图1-10理想化部件单击Save图标兰，存储激活的文件。第3步划分部件网格为了划分部件网格，首先需要使FEM文件激活。在 Simulation File View 中，双击 rod_fem1。FEM文件被激活并列在仿真导航器的顶部。在 Advaneed Simulation 工具栏上，单击 3DTetrahedral Mesh 图标图1-11网格化部件单击Save图标,存储FEM文件。第4步为网格定义一材料在 Advaneed Simulation 工具栏上，单击 MaterialProperties 图标 。提示：也可以选择 Tools t Material Properties。在Materials对话框中，单击Library 图标中的箭头，然后单击Bearing 图标初 Fod-Feml-:hod Jem I rod pt+ 叼 Polygon Gecunetry-05? 3D Meshes M kmibTh vi mn图1-12 网格节点SActive图1-13 关断3D网格显示图1-14 选择载荷作用表面jrod_sml蔚I詔R iSpodJemlX*rod.prt* S Polygon Geometry苣 田西云 Meshes EJ3d_me由(I) ISmdMion Object Cont.sLoad ContainerCdrritrar Cdltafter召处畑rd粮 SwHjfeion Objects 输 Con5trjiihtsH g Sdbcd 5tatk Loads 1 pleads注意：也可以利用 Simulation Navigator，在激活的解决方案(Solution 1)中，右击Loads, 并选择New Load宀Bearing 去建立载荷。轴承载荷要求规定一柱形表面(或圆形边缘)，和一规定最大载荷方向的矢量。 首先，选择几何体一一轴承载荷将作用的柱面。打开Create Bearing对话框，选择在部件右端的柱面，如图 1-14所示。在Force文本框中输入 1000。注意：区域角(Region Angle)设置到180。这意味着载荷将作用到柱面超过180 。其次，选择要定义的最大载荷的矢量方向。单击 Inferred Vector 图标。单击0K按钮。载荷建立并显示在图形中，如图1-15所示。在载荷上显示的箭头是一bit，利用BC Edit Display对话框改变边界条件的外貌。在 Simulation Navigator 中右击 Solution (1)下的 Bearing (1)载荷,然后选择 Style。 在BC Edit Display对话框中，微微移动 Scale滑块向左减少箭头尺寸，然后单击 OK按钮。箭头尺寸改变，如图1-16所示。图1-15 建立并显示载荷图1-16修改后的载荷显示第6步作用第一约束利用一销住约束，在杆的一端约束大的弯曲面。该约束将仿真此面怎样与另一部件上 的对应面匹配。一个销住约束定义一旋转轴。一旦选择了一柱面，建立一柱坐标系，R和Z方向将被固定，Theta (旋转)方向是自由的。在 Advaneed Simulation 工具栏上，单击 Constraint Type 图标幽；注意：也可以利用 Simulation Navigator，在激活的解决方案 (Solution 1)中右击Constraints 并选择 New ConstraintPinned Constraint。打开Create Pinned Constraint对话框，选择在连接杆底部的大弯曲面，如图1-17所示。单击0K按钮。约束被作用的显示。由约束建立的圆柱坐标系也是可见的，如图1-18所示。图1-17选择底部的大弯曲面图1-18建立与显示销住约束第7步作用第二约束部件已被约束，但绕 Z轴仍然可自由旋转。现在部件顶部加另一约束，防止一刚体运 动。将利用用户定义的约束，在一个自由度中约束点。单击Constraint Type图标魏在 Create User Defined Constraint 对话框中的 DOF1 框中，单击 Fixed 图标*470*-003aOJe-OD4903#00SUBCASE - STATIC L0A05Waanitudc?-003 ram忖口曲I| , So IUt0 I v i sp I accrpc-rT; - Modal A Mini 日 739007 Max mat i qh repiq匚图1-22 结果显示提示：也可以在Advaneed Simulation工具栏上单击 Solve图标，显示Solve对话框。注 意 Comprehensive Cheek 要选中。单击OK按钮。显示In formation窗口，再次综合检查数据。如果通过检查，出现 Analysis Job Monitor对话框，它显示任务正在运行。分析在后台 运行，所以可以继续用 NX工作，而有限元分析正在被计算。当任务完成时，关闭 In formation窗口。在Analysis Job Monitor对话框上单击 Cancel按钮。现在解算完成，如图 1-21所示，Results节点在Simulation Navigator中可以见到。 第9步观察分析结果现在利用后置处理器观察分析结果。在 Simulation Navigator 中，双击 Resultso提示：也可以单击Advaneed Simulation工具栏上的 Results图标 。结果显示在后置处理器窗口中，如图1-22所示。-Subcase -Static Loads 1 Loads1)Results图 1-21 Results 节点显示Post Control工具栏，如图 1-23所示。輕? A图1-23 Post Cont工具栏提示：如果PostControl工具栏是不可见的，在Applieation工具区右击并选择 Post Control 。第10步 在仿真导航器中考察结果通过简单选择规定需要的类型，可以改变显示的结果类型。注意：默认选择位移类型。许多结果类型有专门的子类型（数据组元）。在图 1-24中，Displaeement已经展开以 显示不同数据元。F：咅凰 引J&SSELoads| 4 S( Dplacmeirfe - Nodal |1*! RotMon-rtodai+ S SbrBS& - EJement Nodal4 O 5b*n - Element Nodal 甌 Strain Eneffly -Elment 0 Sbdun Energy Densty - EJflnwnt+ O Appkd Lwd - HkM+： O Appti Mfimertt Modal+ 0 Reactnn Force - Nodal4- fteactw Moment - NocW ei+ S 3d_Meshes-Results-H SUBCASE-STATIC.I- S* Displacmnrimnt -.| 0 Rotation - NodalDeform2-446-0044.393e-on斗7 3d0e-004-9.787*-004 46ee-003 J 9S7e003-B2!02e-003-J 7)3e-003?.447e图1-24 展开的位移节点在 Simulation Navigator 中，展开 SUBCASE STATIC LOADS 1 Loads。 展开 Displacement Nodal。选中Y组元复选框。显示更新以展示 Y位移值，如图1-25所示。iad_s ! i 5c I ut i 0 6 06-93 -006e r&rmdiC i on I i Bp I qc ement “ No曲 I69Ze-003图1-25 Y位移值第11步 退出后置处理器 当完成观察结果时，可以退出后置处理器。在 Post Control 工具栏上，单击 Finish Post Processing 图标 。提示：也可以选择 Tools t Results Finish Post Processing。关闭所有部件文件。