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1、会计学1UG NX有限元分析入门专题实例有限元分析入门专题实例 2.1 UG NX 2.1 UG NX有限元入门实例有限元入门实例有限元入门实例有限元入门实例11轴对称分析轴对称分析轴对称分析轴对称分析本小节主要内容：本小节主要内容：本小节主要内容：本小节主要内容：n n基础知识基础知识基础知识基础知识n n问题描述问题描述问题描述问题描述n n问题分析问题分析问题分析问题分析n n操作步骤操作步骤操作步骤操作步骤n n本节小结本节小结本节小结本节小结第1页/共57页n n弹性力学中将回转体对称于旋转轴而发生变形的问题定义为轴对弹性力学中将回转体对称于旋转轴而发生变形的问题定义为轴对称问题。根
2、据铁摩辛柯弹性理论中介绍，在轴对称情况下，称问题。根据铁摩辛柯弹性理论中介绍，在轴对称情况下，只有径向和轴向位移，不能有周向（切向）位移。轴对称分析要只有径向和轴向位移，不能有周向（切向）位移。轴对称分析要求，除了结构是轴对称之外，载荷和约束也必须是轴对称的。由求，除了结构是轴对称之外，载荷和约束也必须是轴对称的。由此可见，在轴对称分析中不能有周向变形，因而也不能施加周向此可见，在轴对称分析中不能有周向变形，因而也不能施加周向载荷。载荷。n nUG NXUG NX轴对称模型分析的基本轴对称模型分析的基本要求要求；n n所有的载荷、约束都必须是轴对称的；所有的载荷、约束都必须是轴对称的；第2页/
3、共57页n n 本章节以本章节以HSKHSK刀柄作为分析对象，采用刀柄作为分析对象，采用UG NXUG NX轴对称的方法，对其承载进轴对称的方法，对其承载进行有限元分析，针对轴对称类零件结构，为了简化模型和减少计算量，行有限元分析，针对轴对称类零件结构，为了简化模型和减少计算量，UG NXUG NX提供了轴对称类结构的求解方案。本实例对刀柄承载进行静力学结提供了轴对称类结构的求解方案。本实例对刀柄承载进行静力学结构分析，并设置相关边界条件；构分析，并设置相关边界条件；HSK刀柄实体模型三维简化模型第3页/共57页材料材料材料材料参数表参数表参数表参数表第4页/共57页n n该该HSKHSK刀柄
4、的几何形状、载荷条件以及边界条件均满足轴对称结构分析的基本刀柄的几何形状、载荷条件以及边界条件均满足轴对称结构分析的基本条件，因此，可以按照轴对称解算方法对其进行承载求解。条件，因此，可以按照轴对称解算方法对其进行承载求解。n n本实例关键操作是：合理简化和选取零件截面作为分析对象，因此，对于坐标本实例关键操作是：合理简化和选取零件截面作为分析对象，因此，对于坐标系设置十分重要，本实例中没有涉及到对坐标系原点及坐标轴调整，以及对主系设置十分重要，本实例中没有涉及到对坐标系原点及坐标轴调整，以及对主模型做重定位操作方法。模型做重定位操作方法。n n在轴类零件中，因功能需要或者工艺要求而设置的凹槽
5、、凸台、过渡圆角及倒在轴类零件中，因功能需要或者工艺要求而设置的凹槽、凸台、过渡圆角及倒角等，如果在承载过程中对结构整体受力分析结果的影响很小，那么，在有限角等，如果在承载过程中对结构整体受力分析结果的影响很小，那么，在有限元分析过程中一般可以忽略，本实例需要对模型的一些小特征进行清理。元分析过程中一般可以忽略，本实例需要对模型的一些小特征进行清理。第5页/共57页n n创建有限元模型的解算方案创建有限元模型的解算方案n n设置有限元模型基本参数设置有限元模型基本参数n n划分有限元模型网格划分有限元模型网格n n创建仿真模型创建仿真模型n n求解及后处理求解及后处理 第6页/共57页单击确定
6、设置为轴对称（1 1）创建有限元模型的解算方案）创建有限元模型的解算方案o依次左键单击【开始】和【高级仿真】，在【仿真导航器】窗口的分级树中，单击【HSK63E.prt】节点，右键弹出菜单并单击出现的【新建FEM和仿真】选项，弹出【新建FEM和仿真】对话框。第7页/共57页弹出信息对话框仿真导航器新增新的节点单击关闭第8页/共57页（2 2 2 2）创建有限元模型）创建有限元模型）创建有限元模型）创建有限元模型n n理想化模型环境下简化模型理想化模型环境下简化模型n n自定义材料自定义材料n n创建物理属性创建物理属性n n网格属性定义网格属性定义n n定义截面模型定义截面模型第9页/共57页
7、1)1)1)1)理想化模型环境下简化模型理想化模型环境下简化模型理想化模型环境下简化模型理想化模型环境下简化模型n n单击【仿真导航器】窗口分级树中【单击【仿真导航器】窗口分级树中【HSK63E_sim1.simHSK63E_sim1.sim】节点的【】节点的【HSK63E_fem1_i.prtHSK63E_fem1_i.prt】子节点（理想化模型节点），即可进入理想化模型环境：先理想化几何体，再对称】子节点（理想化模型节点），即可进入理想化模型环境：先理想化几何体，再对称分割模型；分割模型；设置相关参数设置相关参数第10页/共57页2)2)2)2)自定义材料自定义材料自定义材料自定义材料n
8、n单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框，在图形窗口选中被分单击工具栏中的【指派材料】图标，弹出【指派材料】对话框，在图形窗口选中被分割后的两个模型作为【选择体】，单击【新建材料】选项下的【创建】命令，弹出割后的两个模型作为【选择体】，单击【新建材料】选项下的【创建】命令，弹出如如图所示的【各向同性材料】对话框图所示的【各向同性材料】对话框。单击【新建材料】输入名称及参数单击【确定】第11页/共57页3)3)3)3)创建物理属性创建物理属性创建物理属性创建物理属性n n单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表
9、管理器】对话框单击【创建】选择材料单击【确定】第12页/共57页4)4)4)4)网格属性定义网格属性定义网格属性定义网格属性定义n n单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框】对话框设置相关参数单击【确定】第13页/共57页5)5)5)5)定义截面模型定义截面模型定义截面模型定义截面模型n n去掉【仿真导航器】窗口分级树中【多边形几何体】节点的【去掉【仿真导航器】窗口分级树中【多边形几何体】节点的【Polygon Body(3)Polygon Body(3)】子】子节点方框中的勾
10、选，隐藏节点方框中的勾选，隐藏-Y-Y向的模型，单击命令工具栏中【仅显示】命令按钮，弹出向的模型，单击命令工具栏中【仅显示】命令按钮，弹出【仅显示】对话框，选取对象，单击【确定】，即得到如图所示的截面。【仅显示】对话框，选取对象，单击【确定】，即得到如图所示的截面。相关操作后得到的截面模型第14页/共57页（3)3)3)3)划分网格划分网格划分网格划分网格n n单击工具栏中的【单击工具栏中的【2D2D网格】图标，弹出【网格】图标，弹出【2D2D网格】对话框网格】对话框设置相关参数单击确定仿真导航器新增节点第15页/共57页1 1 1 1）分析单元）分析单元）分析单元）分析单元质量质量质量质量o
11、单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框：设置相关参数第16页/共57页（4 4 4 4）创建仿真模型）创建仿真模型）创建仿真模型）创建仿真模型o单击【仿真导航器】窗口分级树中【HSK63E_fem1.fem】节点，右键弹出快捷菜单的【显示仿真】命令，弹出【HSK63E_sim1.sim】节点并单击该选项，即进入SIM仿真环境o1）施加边界约束o2）施加载荷第17页/共57页设置相关参数o单击工具栏中【约束类型】中的【用户定义约束】命令，弹出【用户定义约束】对话框；1 1）施加边界约束）施加边界约束固定约束施加示意图第18页/共57页2023/4/252 2）施加载荷）施加载荷o
12、单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【离心】图标，弹出【离心力】对话框；设置相关参数单击确定第19页/共57页 （5 5 5 5）求解及后处理）求解及后处理）求解及后处理）求解及后处理p在仿真窗口中单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，稍等后完成分析作业，关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。第20页/共57页1 1 1 1）云图结果查看）云图结果查看）云图结果查看）云图结果查看o在【后处理导航器】窗口分级树中，点击【Solution 1】，打开【位移-节点的】前面的加号（+），单
13、击【幅值】节点，可以查看截面的整体变形情况。打开【应力-单元节点的】前面的加号（+），选择【Von Mises】可以查看截面的Von Mises的应力情况。位移幅值云图Von Mises云图第21页/共57页Von Mises 云图最大值及最小值2 2）查看云图最大值及最小值）查看云图最大值及最小值o查看截面变形和应力的最大值与最小值可以通过【后处理导航器】中的【云图绘图】中的【Post View1】来实现；第22页/共57页o通过【拖动注释】命令来放置和调整最大值与最小值的位置，单击【新建注释】命令，弹出相应的对话框设置相关参数3 3）注释）注释N N个最大值及最小值个最大值及最小值3个最小
14、值及3个最大值第23页/共57页o选择【编辑后处理视图】命令，可以对后处理中的【显示】、【图例】、【文本】等内容进行相关参数设置；单击【编辑后处理视图】命令，弹出相应的对话框；选取不同的项目编辑相应的结果4 4）编辑后处理视图）编辑后处理视图勾选显示未变形的模型示意图第24页/共57页o单击【编辑后处理视图】对话框中的【显示于】后面的下拉小三角形符号，选择【3D轴对称结构】，单击后面的【选项】按钮，弹出【3D轴对称】设置对话框设置相关参数5 5）显示）显示3D3D轴对称结构轴对称结构360度显示模型结果示意图第25页/共57页o单击【编辑后处理视图】，对文本，图例进行相关设置；设置相关参数6
15、6）其他设置）其他设置参数设置第26页/共57页7 7 7 7）返回到建模模块）返回到建模模块）返回到建模模块）返回到建模模块n n限于篇幅，还有其他数据结果的显示、分析和比较不再赘述，单击【限于篇幅，还有其他数据结果的显示、分析和比较不再赘述，单击【保存】命令，保存在相应的文件夹中，单击工具栏中的【返回到模型保存】命令，保存在相应的文件夹中，单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理】显示模式，完成此次计算任务的操作。】命令，退出【后处理】显示模式，完成此次计算任务的操作。n n上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘Book_CDPa
16、rtPart_CAE_finishCh02_HSKBook_CDPartPart_CAE_finishCh02_HSK文件夹中相关文件，操作过文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考随书光盘文件程的演示请参考随书光盘文件Book_CDAVICh02_HSK_Book_CDAVICh02_HSK_AVIAVI。第27页/共57页n n本实例介绍一个完整的轴对称零件进行拆分、抽取本实例介绍一个完整的轴对称零件进行拆分、抽取2D2D面和进行面和进行2D2D网格网格的划分的过程，再进行轴对称分析解算，取代对整个模型进行有限元的划分的过程，再进行轴对称分析解算，取代对整个模型进行有限元分析，减少了计算规模
17、，这在类似对称回转类零件（转子、压力容器分析，减少了计算规模，这在类似对称回转类零件（转子、压力容器等）的有限元分析中有重要的参考价值。等）的有限元分析中有重要的参考价值。n n创建轴类零件整模型的仿真模型中，划分网格和约束条件定义时宜采创建轴类零件整模型的仿真模型中，划分网格和约束条件定义时宜采用【圆柱坐标系】，对应在后处理查看结果时必须切换为【圆柱坐标用【圆柱坐标系】，对应在后处理查看结果时必须切换为【圆柱坐标系】，这也适用于其他轴类、盘套类等对称零件分析结果的查看。系】，这也适用于其他轴类、盘套类等对称零件分析结果的查看。n n为了说明轴对称分析类型在减少计算规模上具有的优势，本实例还对
18、为了说明轴对称分析类型在减少计算规模上具有的优势，本实例还对整个整个3D3D实体模型进行网格划分的方法进行操作和比较，计算后的位移实体模型进行网格划分的方法进行操作和比较，计算后的位移云图和应力云图分别如下图所示，结果说明：在约束条件和加载条件云图和应力云图分别如下图所示，结果说明：在约束条件和加载条件一致的前提下，两者最终结果非常接近。一致的前提下，两者最终结果非常接近。第28页/共57页a 直接划分单元后的位移云图 b 直接划分单元后的应力云图第29页/共57页2.2 UG NX2.2 UG NX2.2 UG NX2.2 UG NX有限元入门实例有限元入门实例有限元入门实例有限元入门实例2
19、 2 2 2 对称约束分析对称约束分析对称约束分析对称约束分析本小节主要内容：本小节主要内容：本小节主要内容：本小节主要内容：n n基础知识基础知识基础知识基础知识n n问题描述问题描述问题描述问题描述n n问题分析问题分析问题分析问题分析n n操作步骤操作步骤操作步骤操作步骤n n本节小结本节小结本节小结本节小结第30页/共57页n n如下图所示，为工程应用中常见的一款吊篮简化模型（其中相关结构已如下图所示，为工程应用中常见的一款吊篮简化模型（其中相关结构已经简化，只保留主要框架），它是一个对称体（可以视为经简化，只保留主要框架），它是一个对称体（可以视为2 2等分体），为等分体），为了减小
20、计算量，就能应用到了减小计算量，就能应用到UG NXUG NX的对称约束分析。本实例主要对吊篮进的对称约束分析。本实例主要对吊篮进行静力学分析（相关条件参阅资料）。行静力学分析（相关条件参阅资料）。吊篮简化模型第31页/共57页材料材料材料材料参数表参数表参数表参数表第32页/共57页n n为了减少网格划分时间和计算规模，对于大型、型面复杂的对称类零件及模型，为了减少网格划分时间和计算规模，对于大型、型面复杂的对称类零件及模型，可以采用局部剖分模型，利用可以采用局部剖分模型，利用UG NXUG NX高级仿真提供的【对称约束】功能，可高级仿真提供的【对称约束】功能，可以方便快速的进行计算。以方便
21、快速的进行计算。n n材料为材料为Q235Q235。本实例主要分析该吊篮静止时，在固定约束情况下，静止的吊。本实例主要分析该吊篮静止时，在固定约束情况下，静止的吊篮承受自重、风压所产生的变形，及所受的应力的情况。篮承受自重、风压所产生的变形，及所受的应力的情况。第33页/共57页n n创建有限元模型的解算方案创建有限元模型的解算方案n n设置有限元模型基本参数设置有限元模型基本参数n n划分有限元模型网格划分有限元模型网格n n创建仿真模型创建仿真模型n n求解求解n n后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况 第34页/共57页（1 1）创建有限元模型的解算方
22、案）创建有限元模型的解算方案o依次左键单击【开始】和【高级仿真】，右键单击弹出的【新建FEM和仿真】选项，弹出【新建FEM和仿真】对话框，设置相关参数，即可进入了创建有限元模型的环境，注意在【仿真导航器】窗口的分级树中出现了相关节点。仿真导航器新增节点第35页/共57页o双击【仿真导航器】窗口分级树中的【Diaolan_fem1.fem】节点，进入FEM环境，再双击【Diaolan_fem1_i.prt】理想化模型节点，即可进入理想化模型环境，对模型进行相关操作。拆分体相关参数设置1 1）拆分体操作）拆分体操作拆分体结果示意图第36页/共57页2 2）分割面操作）分割面操作o单击【理想化几何体
23、】图标右侧的小三角符号，单击出现的【分割面】图标，弹出【分割面】对话框：设置相关参数分割面结果示意图第37页/共57页（2)2)2)2)设置有限元模型基本参数设置有限元模型基本参数设置有限元模型基本参数设置有限元模型基本参数n n右击仿真导航器窗口分级树中的【右击仿真导航器窗口分级树中的【Diaolan_fem1_i.prtDiaolan_fem1_i.prt】节点，单击弹出的】节点，单击弹出的【显示【显示FEMFEM】命令，单击出现的【】命令，单击出现的【Diaolan_fem1.femDiaolan_fem1.fem】节点，即进入】节点，即进入FEMFEM环境。环境。关闭弹出的信息窗口。取
24、消导航器窗口中【多边形几何体】下【关闭弹出的信息窗口。取消导航器窗口中【多边形几何体】下【Polygon Polygon Body(3)Body(3)】节点前面的复选框，图形窗口只显示分割之后的二分之一模型。】节点前面的复选框，图形窗口只显示分割之后的二分之一模型。第38页/共57页1)1)1)1)自定义材料自定义材料自定义材料自定义材料n n单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料】对话框。单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料】对话框。复制材料输入名称及参数单击【确定】第39页/共57页2)2)2)2)创建物理属性创建物理属性创建物理属性创建物理属性n n单击工具栏中的【物理
25、属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击【创建】选择材料单击【确定】第40页/共57页3)3)3)3)网格属性定义网格属性定义网格属性定义网格属性定义n n单击工具栏中的【网格捕集器】图标，弹出【网格捕集器】对话框。单击工具栏中的【网格捕集器】图标，弹出【网格捕集器】对话框。单击【确定】第41页/共57页（3 3 3 3）划分有限元模型网格）划分有限元模型网格）划分有限元模型网格）划分有限元模型网格n n单击工具栏中的【单击工具栏中的【3D3D四面体网格】图标，弹出【四面体网格】图标，弹出【3D3D四面体网格】对话框；四面体网
26、格】对话框；设置相关参数单击确定网格划分后示意图第42页/共57页1 1 1 1）分析单元）分析单元）分析单元）分析单元质量质量质量质量o单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框：设置相关参数第43页/共57页2023/4/25（4 4）创建仿真模型）创建仿真模型o在【仿真导航器】窗口分级树中，右键单击【Diaolan_fem1.fem】节点，找到【显示仿真】单击选择【Diaolan_sim1.sim】节点，进入仿真模型操作环境。o1）施加边界固定约束o2）施加边界对称约束o3）施加风压压力o4）施加重力载荷第44页/共57页1 1 1 1）施加边界固定约束）施加边界固定约束）施
27、加边界固定约束）施加边界固定约束o单击工具栏中【约束类型】中的【固定约束】命令，弹出【固定约束】对话框。设置相关参数单击确定约束效果示意第45页/共57页2 2 2 2）施加边界对称约束）施加边界对称约束）施加边界对称约束）施加边界对称约束o单击工具栏中【约束类型】中的【对称约束】命令，弹出【对称约束】对话框。设置相关参数单击确定约束效果示意第46页/共57页3 3 3 3）施加风压压力）施加风压压力）施加风压压力）施加风压压力o单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【压力】图标，弹出对话框。单击确定设置相关参数第47页/共57页4 4 4 4）施加重力载荷）施加重力载荷
28、）施加重力载荷）施加重力载荷o单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【重力】图标，弹出对话框。单击确定设置相关参数仿真导航器新增节点第48页/共57页（5 5 5 5）求解）求解）求解）求解o在仿真导航器窗口的分级树中，单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【编辑解算方案属性】按钮，弹出【编辑解算方案】对话框，关闭【预览解算方案设置】子项【迭代求解器】，单击【工况控制】选项卡，单击【Contact Parameters】右侧的【创建模型对象】图标，弹出【接触参数】对话框，将【接触状态】切换为【从初始开始】，将【初始穿透/缝隙
29、】切换为【设为零】，单击【确定】按钮，返回到【编辑解算方案】对话框，再次单击【确定】按钮，返回到【求解】对话框。o单击【求解】对话框中的【确定】按钮，稍等完成分析作业后，关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。第49页/共57页（6 6 6 6）后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况）后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况）后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况）后处理，分析吊篮模型的变形和应力情况o在【后处理导航器】窗口的分级树中，增加了接触分析结果的类型，可以展开各自的子节点进行查看相应的分析结果。双击相应的节点即可查看相应的云图第50页/共57页1 1 1 1）查看云
30、图结果）查看云图结果）查看云图结果）查看云图结果o在【后处理导航器】窗口的分级树中，可以查看吊篮整体变形情况；吊篮模型的Von Mises的应力分布情况。吊篮的整体变形位移云图吊篮的的Von Mises应力云图第51页/共57页2 2 2 2）查看位移幅值云图最大值和最小值）查看位移幅值云图最大值和最小值）查看位移幅值云图最大值和最小值）查看位移幅值云图最大值和最小值o吊篮应力的最大值与最小值可以通过【后处理导航器】窗口分级树中的【云图绘图】的【Post View1】来实现，在这个节点命令中，可以通过勾选【单元】前面的【对号】显示和查看所关心单元的结果；通过勾选【注释】命令中的【Minimum
31、】和【Maximum】在窗口中显示计算结果的最大值和最小值。查看最大最小值第52页/共57页3 3 3 3）隐藏三重轴操作）隐藏三重轴操作）隐藏三重轴操作）隐藏三重轴操作o左键单击【首选项】下【可视化】命令，弹出【可视化首选项】对话框；取消勾选取消勾选三重轴后的云图第53页/共57页4 4 4 4）返回到模型，退出后处理窗口）返回到模型，退出后处理窗口）返回到模型，退出后处理窗口）返回到模型，退出后处理窗口o可以通过在工具栏菜单上选择【标识结果】命令，来查看自己关心模型部位的分析结果，也可以通过工具栏菜单上的【播放】命令，来查看模型变形位移及应力变化的情况。o单击工具栏中的【返回到模型】命令，
32、退出【后处理】显示模式，完成此次计算任务的操作。o上述实例模型源文件和相应输出结果请参考随书光盘Book_CDPartPart_CAE_finishCh02_Diaolan文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CDAVICh02_Diaolan_AVI。第54页/共57页o（1）本实例通过对一个完整的循环对称零件进行分割，通过拆分体进行3D网格划分，再通过【对称约束】功能，可减少一半的模型网格划分及计算工作量。o（2）为了说明本实例采用【对称约束】功能，在减少计算规模上具有的优势，再采用传统的整体3D实体单元网格划分方法进行分析操作，在边界约束条件和加载条件一致的前提下，计算的变形位移云图和应力云图结果，分别如下图所示，显然，从计算结果数值的角度来看，两者方法的计算精度非常接近。直接划分实体单元后计算位移云图直接划分实体单元后计算应力云图第55页/共57页2.3 2.3 2.3 2.3 本章小结本章小结本章小结本章小结o 本章节主要讲解了回转类轴对称结构、约束对称类零件的有限元分析两个实例的操作流程，重点对【轴对称分析】分析类型及【对称约束】命令应用中的工作流程、主要选项和参数设置作了介绍，为实际工程中对称类零件和装配模型的有限元分析提供了基本的方法第56页/共57页