UG NX 高級(jí)仿真在壓力容器中的應(yīng)用

1、在壓力容器應(yīng)力分析中的應(yīng)用閆 碩（滄州市設(shè)備安裝工程有限公司 工程科）摘要：UG NX高級(jí)仿真模塊具有很強(qiáng)的線性分析功能和非線性分析功能，能夠滿足壓力容器應(yīng)力分析的需求。以壓力容器典型的受內(nèi)壓圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)為例，利用 NX CAD的強(qiáng)大建模功能以及CAD&CAE的無(wú)縫集成，進(jìn)行了應(yīng)力分析以及線性化處理，成功證明了UG NX高級(jí)仿真在壓力容器分析設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性、方便性。 關(guān)鍵詞：UG NX高級(jí)仿真；壓力容器;CAD&CAE技術(shù)；nx nastran ；線性化處理；應(yīng)力分析UG NX高級(jí)仿真 基本模塊是 UG NX的核心子集，包括了一系列分析功能例如線性靜態(tài)分析，正則模態(tài)分析

2、，線性屈曲分析以及流體、熱傳遞分析 。UG NX高級(jí)仿真 基本模塊提供了有限元分析所需的單元類(lèi)型庫(kù)，模型材料庫(kù) 。支持強(qiáng)有力的邊界條件管理能力。提供系列的包括屈曲分析的線性算法控制能力以及無(wú)限規(guī)模的正則模態(tài)分析能力。支持穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳遞分析的解算能力。NX- 基本分析模塊在虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中擁有很關(guān)鍵的地位，為產(chǎn)品性能開(kāi)發(fā)的數(shù)字化原型和仿真模擬提供了廣泛應(yīng)用的CAE解決方案。特征 強(qiáng)有力的分析能力 功能完善的單元庫(kù)包括點(diǎn)焊單元在內(nèi) 各種類(lèi)型的模型材料庫(kù) 邊界條件易操作性如工況的合并，添加，刪除 各種特征值求解正則模態(tài)及復(fù)特征值分析 設(shè)計(jì)優(yōu)化和敏度分析評(píng)估設(shè)計(jì)變動(dòng)的效果 高效的解算器 熱傳導(dǎo) 自

3、然對(duì)流 強(qiáng)迫對(duì)流 熱載荷定義 溫度邊界條件 初始邊界條件 熱控制系統(tǒng) 圖形化顯示結(jié)果收益 與物理原型試驗(yàn)相比，仿真分析降低了設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)和成本高的風(fēng)險(xiǎn) 通過(guò)相對(duì)快捷的仿真過(guò)程和反復(fù)的驗(yàn)證研究大大提高了產(chǎn)品革新的進(jìn)程 在各種工況下都能進(jìn)行產(chǎn)品功能仿真模擬，包括熱場(chǎng)分析一、UG NX高級(jí)仿真功能簡(jiǎn)介UG NX高級(jí)仿真技術(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)：1）靜力分析：除一般分析功能之外還提供結(jié)構(gòu)的重量和重心數(shù)據(jù)，支持全范圍的材料模式。同時(shí)支持具有慣性釋放的靜力分析（無(wú)約束狀態(tài)下的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)）、非線性靜力分析（包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等）。2）屈曲分析：主要用于結(jié)構(gòu)特定載荷下穩(wěn)定性以及失穩(wěn)的臨界載荷。包括線

4、性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非線性屈曲分析（幾何非線性屈曲分析、彈塑性屈曲分1 / 6臨界點(diǎn)。該方法較其他有限元軟件中所使用的限定載荷量級(jí)法具有更高的精確度和可靠性。3）動(dòng)力學(xué)分析：具有其他有限元軟件所無(wú)法比擬的強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)分析功能，包括正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、（直接、模態(tài)）頻率和（直接、模態(tài)、非線性）瞬態(tài)響應(yīng)分析、（噪）聲學(xué)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動(dòng)力靈敏度分析等。UG NX高級(jí)仿真提供求解所需的動(dòng)力和阻尼單元。4）非線性分析：UG NX高級(jí)仿真強(qiáng)大的非線性分析功能為設(shè)計(jì)人員有效地設(shè)計(jì)產(chǎn)品，減少額外成本提供了一個(gè)十分實(shí)用可靠的工具。包括幾何非線性分析、材料非線性（支持 Von

5、 Mises、Tresca、Mohr Coulomb、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，蠕變分析可利用 ORNL定律或 Rheological模擬）、非線性邊界（接觸問(wèn)題）、非線性瞬態(tài)分析、非線性單元（非線性阻尼、彈簧、接觸單元等）。UG NX高級(jí)仿真非線性分析提供 N-R法、改進(jìn) Newton法、弧長(zhǎng)法、 Newton與弧長(zhǎng)混合法、兩點(diǎn)積分法、Newmark 法及非線性瞬態(tài)分析過(guò)程中的自動(dòng)時(shí)間步調(diào)整功能等豐富的迭代和運(yùn)算控制算法。5）熱傳導(dǎo)分析：可以計(jì)算熱分布狀況，直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布，提供廣泛的溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)分析（線性 /非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、線性 /非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對(duì)

6、流、相變、熱腔分析）。UG NX高級(jí)仿真支持穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析的線性、非線性兩種算法。此外，UG NX高級(jí)仿真還應(yīng)用于流固耦合分析、空氣動(dòng)力彈性及顫振分析、多級(jí)超單元分析、高級(jí)對(duì)稱(chēng)分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析、復(fù)合材料分析等?？梢?jiàn)，UG NX高級(jí)仿真的分析功能已經(jīng)完全囊括了壓力容器應(yīng)力分析涉及的內(nèi)容，能夠滿足這一特定領(lǐng)域的需求。二、 NX CAD建模功能眾所周知，UG NX的 CAD模塊為高端技術(shù)產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的 CAD參數(shù)化建模功能。依托于 CAD強(qiáng)大建模功能，可以方便、快捷的完成模型的構(gòu)建，相對(duì)于以往ANSYS建模，大大提高了模型處理效率。同時(shí) UG NX還提供了宏文件錄制功能以及基于知識(shí)

7、建模的知識(shí)熔接（ Knowledge Fusion）等自動(dòng)建模技術(shù)工具，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)創(chuàng)建與分析。宏文件以及 KF語(yǔ)言都可以用普通的文本文件進(jìn)行編輯與修改，方便，易學(xué)，易懂。譬如壓力容器典型支管結(jié)構(gòu)的倒角造型，在 NX CAD中建好基本模型之后，不同于 ANSYS中先生成圓角再生成蒙皮的方法，直接運(yùn)用一個(gè)邊倒角命令便可迅速生成所要倒角相冠線，如圖 1所示以往分析中，經(jīng)常采用 CAD建模功能較方便的系統(tǒng)構(gòu)建模型，然后再通過(guò)中間標(biāo)準(zhǔn)格式（譬如 IGES、Pasolid、STEP等）導(dǎo)入 CAE分析工具進(jìn)行模型的有限元分析，但是這種方法，中間格式的傳遞常常因?yàn)椴患嫒菪远鴮?dǎo)致部分模型參數(shù)的丟失，而

8、給2 / 6成方案，實(shí)現(xiàn)了 CAD參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分等功能的無(wú)縫集成，并支持其他 CAD軟件的模型數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入，為用戶提供了很大的方便。三、 應(yīng)力線性化功能NX的應(yīng)力線性化程序在美國(guó)已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可，根據(jù)CODAP95(E) -C10/351，薄膜應(yīng)力張量采用計(jì)算公式：彎曲應(yīng)力張量采用計(jì)算公式：計(jì)算步驟為：1）確定關(guān)心的區(qū)域2）在鎖定區(qū)域繪制顯示 Sxx 應(yīng)力云圖3）圍繞厚度突變區(qū)域沿壁厚方向在不同點(diǎn)（點(diǎn)越多越好）找到應(yīng)力4）計(jì)算積分找出彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力值5）重復(fù)以上步驟尋找 Sxx ， Syy ， Szz ，Txy，Tyz，Txz6）計(jì)算彎曲主應(yīng)力和薄膜主應(yīng)力7）按照下式對(duì)彎曲應(yīng)力和

9、薄膜應(yīng)力進(jìn)行積分獲得應(yīng)力值如圖2所示，一般在NX中一個(gè)評(píng)定路徑要求最少分為 20段。3 / 6高級(jí)仿真在壓力容器中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)示意如圖所示：力學(xué)模型與有限元模型。1、 力學(xué)模型：取 1/2模型2、材料：steel-E=2.07E+8 =0.29(溫度20)3、 單元類(lèi)型：選取 3D四面體單元(大小為10mm)4、 邊界條件：施加邊界條件如圖所示，施加均布?jí)毫?P=50MPa圖應(yīng)力圖像采用 UG NX高級(jí)仿真7.0為解算器。應(yīng)力分布如圖 6所示，可見(jiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)在內(nèi)壁與套筒連接不遠(yuǎn)處(深紅色位置)，軸向應(yīng)力大小為 2.084e+3 MPa。在最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)處設(shè)置路徑 A在位移圖像中的圖像，如圖 7所示。4 / 6圖 位 7A移圖像 5 / 6持其他CAD軟件的模型數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入，為用戶提供了