UG有限元分析第11章

第11章

非線性分析實(shí)例精講——靜壓軸承裝配分析本章內(nèi)容簡介本實(shí)例在介紹非線性分析的定義、基本類型、主要參數(shù)和基本操作步驟的基礎(chǔ)上，利用UG

NX高級(jí)仿真中的【SOL

601,106

Advanced

Nonlinear

Statics】結(jié)構(gòu)非線性靜態(tài)分析模塊，以靜壓軸承裝配模型的非線性接觸作為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了創(chuàng)建加載函數(shù)、定義加載步長、設(shè)置高級(jí)非線性接觸參數(shù)、設(shè)置非線性解算主要參數(shù)的基本方法，介紹了整個(gè)結(jié)構(gòu)非線性變形狀況隨步長變化過程的動(dòng)畫演示以及非線性結(jié)果查看和分析的方法，為確定合理的靜壓軸承裝配工藝和滿足靜壓軸承承載性能設(shè)計(jì)要求提供依據(jù)。本章節(jié)主要內(nèi)容:基礎(chǔ)知識(shí)問題描述問題分析操作步驟本節(jié)小結(jié)11.1

基礎(chǔ)知識(shí)非線性基礎(chǔ)知識(shí)主要包括4大點(diǎn)：非線性分析的定義；非線性分析的類型；非線性分析的特點(diǎn)；非線性分析的步驟；11.2

問題描述本實(shí)例以四油腔靜壓軸承的裝配工藝為例，考察軸瓦在壓入缸套后四個(gè)封油面的切向變形，進(jìn)而確定裝配壓入的工藝，如圖所示為靜壓軸承的裝配主模型，鋼套內(nèi)孔和銅瓦外圓的配合錐度為1：7，需要計(jì)算軸瓦在壓入過程中及壓入后的切向變形過程情況、最大主應(yīng)力大小的變化過程；靜壓軸承裝配主模型鋼套軸瓦工況條件軸瓦使用錫青銅（ZQSn3-7-5-1），鋼套使用40Cr，工作時(shí)鋼套不動(dòng)，將軸瓦沿軸向壓入10mm，壓入過程中軸瓦與鋼套的摩擦系數(shù)取0.05。為進(jìn)一步的壓入裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)（提取約束反力）提供數(shù)據(jù)支撐，需要考慮的問題如下：封油面近油腔邊切向變形的確定彈性軸瓦彈變鋼套最大許用應(yīng)力的確定軸瓦使用的材料為錫青銅（ZQSn3-7-5-1），屈服強(qiáng)度為260

MPa，抗拉強(qiáng)度極限為

1000

MPa；鋼套的材料為40Cr，屈服強(qiáng)度為1178MPa，抗拉強(qiáng)度極限為1240

MPa，這些材料的抗拉強(qiáng)度極限、屈服極限均為已知，一般由設(shè)計(jì)手冊(cè)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范分別查詢這兩類材料在工況下的許用應(yīng)力。要避免壓入裝配過程中出現(xiàn)較大的塑性變形。確定裝配壓入力非線性解算中的其他規(guī)定11.3

問題分析從實(shí)際工況來看，軸瓦壓入鋼套的裝配過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)大變形與接觸邊界非線性的過程，但不屬于高速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此可以選用NX

Nastran提供的【SOL601,129】非線性隱式計(jì)算模塊。根據(jù)工況可以約束鋼套固定不動(dòng)，設(shè)定軸瓦壓向鋼套的時(shí)間為1s，軸瓦壓入的軸向距離為10mm，使用強(qiáng)迫位移來實(shí)現(xiàn)和模擬軸瓦壓入的過程。軸瓦在壓入的過程中，封油面錐面和鋼套接觸是非線性的，因此可以利用【SOL

601,129】提供的【高級(jí)非線性接觸】來定義兩者之間的接觸狀況，【SOL106】非線性靜態(tài)分析中不支持【面與面的接觸】。兼顧計(jì)算精度和運(yùn)行時(shí)間，本實(shí)例取時(shí)間增量為0.05s，共有20個(gè)計(jì)算步長。在沒有特殊的要求下，本實(shí)例操作中可以默認(rèn)非線性計(jì)算過程中的收斂準(zhǔn)則、收斂公差、自動(dòng)遞增方案和最大迭代次數(shù)等內(nèi)部設(shè)置的參數(shù)。11.4

操作步驟創(chuàng)建有限元模型創(chuàng)建仿真模型定義高級(jí)非線性接觸定義時(shí)間步定義解算參數(shù)求解后處理及其動(dòng)畫演示11.5

操作步驟打開隨書光盤part源文件所在的文件夾：

Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch11_NonLinearStatic\Assem1_Non，調(diào)出如圖所示的靜壓軸承裝配主模型。（1）創(chuàng)建有限元模型1）依次左鍵單擊【開始】和【高級(jí)仿真】，在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級(jí)樹中，單擊【Assem1_Non】節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊彈出菜單出現(xiàn)的【新建FEM】選項(xiàng)，新建

FEM，并進(jìn)行其他設(shè)置；直接進(jìn)入創(chuàng)建有限元模型環(huán)境，如圖所示；設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊確定2）指派材料：軸瓦單擊工具欄中的【材料屬性】圖標(biāo)，彈出【指派材料】對(duì)話框；在圖形窗口單擊選中軸瓦模型，單擊【新建材料】的【創(chuàng)建】命令，如圖所示；設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊該命令3）指派材料：鋼套按照上述的方法，在圖形窗口單擊選中鋼套模型，單擊【新建材料】的【創(chuàng)建】命令，彈出創(chuàng)建各向同性材料對(duì)話框，在【名稱】中輸入【40Cr】，在【屬性】的【質(zhì)量密度（RHO）】中輸入【7.85e-6】,【單位】默認(rèn)為【kg/mm^3】，在【彈性常數(shù)】的【楊氏模量（E）】中輸入【193000】，【單位】選擇【N/mm^2(MPa)】，在【泊松比(NU)】中輸入【0.284】；點(diǎn)擊【強(qiáng)度】按鈕，在【屈服強(qiáng)度】中輸入【1178】，【單位】選擇【N/mm^2(MPa)】，在【極限抗拉強(qiáng)度】中輸入【1240】，【單位】選擇【N/mm^2(MPa)】，單擊【確定】按鈕，完成鋼套材料的創(chuàng)建，選擇剛才創(chuàng)建好的材料，單擊【確定】命令。4)創(chuàng)建物理屬性單擊工具欄中的【物理屬性】圖標(biāo)，彈出創(chuàng)建【物理屬性表管理器】對(duì)話框；設(shè)置參數(shù)創(chuàng)建軸瓦物理屬性設(shè)置參數(shù)創(chuàng)建鋼套物理屬性5)網(wǎng)格屬性定義單擊工具欄中的【網(wǎng)格收集器（俗稱為：網(wǎng)格屬性定義）】圖標(biāo)，彈出【網(wǎng)格捕集器】對(duì)話框單擊【確定】單擊【確定】創(chuàng)建鋼套網(wǎng)格屬性創(chuàng)建軸瓦網(wǎng)格屬性6）劃分網(wǎng)格單擊工具欄中的【3D四面體網(wǎng)格】命令，彈出【3D四面體網(wǎng)格】對(duì)話框；設(shè)置相關(guān)參數(shù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)劃分鋼套網(wǎng)格劃分軸瓦網(wǎng)格單擊工具欄中的【單元質(zhì)量】圖標(biāo)，在下拉菜單中選擇【單元質(zhì)量】命令，彈出【模型檢查】對(duì)話框；7）檢查單元質(zhì)量單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)劃分好的靜壓軸承網(wǎng)格模型（2）創(chuàng)建仿真模型單擊確定1）單擊【仿真導(dǎo)航器】窗口分級(jí)樹的【Assem1_Non

_fem1.fem】節(jié)點(diǎn)，右鍵彈出快捷菜單，單擊【新建仿真】，新建相關(guān)操作，【解算方案類型】選取為【SOL601，106

Advanced

Nonlinear

Statics】，如圖所示，單擊【確定】按鈕。同時(shí)注意到【仿真導(dǎo)航器】窗口分級(jí)樹中，新出現(xiàn)了相關(guān)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊工具欄中的【約束類型】圖標(biāo)的小三角符號(hào)，單擊彈出的【固定約束】命令，彈出【固定約束】對(duì)話框2）添加固定約束單擊該命令添加好固定約束的模型3）添加強(qiáng)迫位移約束單擊該命令單擊【強(qiáng)迫位移約束】對(duì)話框下面的【自由度】子項(xiàng)【DOF3】右側(cè)的小三角形符號(hào)，切換為【場】，在下拉菜單中選擇【表構(gòu)造器】選項(xiàng)，如圖所示，彈出【表格場】對(duì)話框；設(shè)置相關(guān)參數(shù)4）添加強(qiáng)迫位移約束單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)強(qiáng)迫位移約束施加效果圖（3）定義高級(jí)非線性接觸單擊工具欄上【仿真對(duì)象模型】圖標(biāo)，單擊彈出的【面對(duì)面接觸】圖標(biāo)，彈出【面對(duì)面接觸】對(duì)話框；單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置參數(shù)單擊該命令在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級(jí)樹中單擊【Solution

1】節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊【編輯】命令，彈出【編輯解算方案】對(duì)話框，如圖所示，單擊【解算方案】下面的【工況控制】選項(xiàng)卡；（4）定義時(shí)間步單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊確定1）右擊【solution1】單擊【編輯】命令，彈出【解算方案對(duì)話框】，選取【工況控制】下的【策略參數(shù)】選項(xiàng)，單擊【策略參數(shù)】右側(cè)的【創(chuàng)建模型對(duì)象】圖標(biāo)，彈出【策略參數(shù)】對(duì)話框；（5）定義解算參數(shù)單擊該命令設(shè)置相關(guān)參數(shù)2）激活【大位移】選項(xiàng)單擊【解算方案】下面的【參數(shù)】選項(xiàng)卡，激活【大位移】選項(xiàng)，如圖所示，單擊【確定】按鈕即可完成上述的解算方案的設(shè)置任務(wù)；勾選單擊確定（6）求解在【仿真導(dǎo)航器】窗口分級(jí)樹中單擊【Solution

1】節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊【求解】命令，

彈出【求解】對(duì)話框，單擊【確定】按鈕，其中【非線性歷史記錄】的信息窗口記錄加載時(shí)間步的過程，如圖所示，【載荷步收斂】窗口記錄解算迭代及其收斂過程，如圖所示，計(jì)算時(shí)間約50min，計(jì)算到16步的時(shí)候就已經(jīng)收斂了，等到解算作業(yè)完成，關(guān)閉各個(gè)信息窗口。方案求解的非線性歷史記錄載荷步收斂對(duì)話框在【仿真導(dǎo)航器】窗口中的分級(jí)樹中，雙擊【結(jié)果】節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入了【后處理導(dǎo)航器】窗口，如圖所示，在【Solution1】下面

出現(xiàn)了各個(gè)解算成功的【非線性步長】節(jié)

點(diǎn)，共16個(gè)，可以展開每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，查看

各自節(jié)點(diǎn)-單元的位移和應(yīng)力情況。各個(gè)非線性步長節(jié)點(diǎn)（7）后處理及其動(dòng)畫演示1）查看動(dòng)畫及迭代結(jié)果單擊展開【Solution

1】，展開【非線性步長16，8.000e-001】的【位移-節(jié)點(diǎn)的】下面的【Z】，雙擊，出現(xiàn)16步計(jì)算后的Z向位移，單擊工具欄上的【動(dòng)畫】圖標(biāo)，彈出【動(dòng)畫】對(duì)話框；將【動(dòng)畫】的【結(jié)果】選項(xiàng)切換為【迭代】，即可出現(xiàn)如圖所示的對(duì)話框；動(dòng)畫對(duì)話框迭代動(dòng)畫對(duì)話框單擊該命令單擊該命令2）彈性筒夾單獨(dú)的變形及應(yīng)力變化情況查看在【后處理導(dǎo)航器】樹狀列表窗口中展開【Post

Views

1】節(jié)點(diǎn)，如圖所示，在【3DElements】節(jié)點(diǎn)下抑制【3d_mesh(2)】，在圖形窗口中僅剩下軸瓦模型，如果單擊【播放】按鈕，即可演示出彈性筒夾單獨(dú)的變形及應(yīng)力變化情況。取消勾選3）查看軸瓦的應(yīng)力云圖在【后處理導(dǎo)航器】窗口中展開【非線性步長16，8.000e-001】節(jié)點(diǎn)，展開【非線性應(yīng)力-單元節(jié)點(diǎn)】，雙擊【Von-Mises】節(jié)點(diǎn)，在窗口即可出現(xiàn)了軸瓦的應(yīng)力云圖；軸瓦的應(yīng)力云圖4）鋼套的應(yīng)力云圖查看依照3）中所述的方法，在展開的【Post

Views

1】節(jié)點(diǎn)下的【3D

Elements】節(jié)點(diǎn)下抑制【3d_mesh(1)】，在圖形窗口中僅顯示鋼套模型，展開【非線性步長16，8.000e-001】節(jié)點(diǎn)，展開【非線性應(yīng)力-單元節(jié)點(diǎn)】，雙擊【Von-Mises】節(jié)點(diǎn)，

在窗口即可出現(xiàn)了鋼套的應(yīng)力云圖，如圖所示。鋼套的應(yīng)力云圖5）新建路徑在【后處理導(dǎo)航器】窗口中展開【PostViews1】節(jié)點(diǎn)，右鍵單擊【新建路徑】圖標(biāo)，如圖所示。選取該棱邊新建路徑對(duì)話框后處理導(dǎo)航器新增路徑節(jié)點(diǎn)6）步長16狀態(tài)下的軸瓦上所抽取路徑的應(yīng)力情況展開【非線性步長16，8.000e-001】節(jié)點(diǎn)，雙擊【Von-Mises】在圖形窗口中僅顯示軸瓦模型，【Post

Views

2】，右鍵單擊彈出的【新建圖表】按鈕，彈出【圖表】對(duì)話框；設(shè)置相關(guān)參數(shù)步長16下的Path

1應(yīng)力圖表對(duì)話框應(yīng)力隨時(shí)間（步長）變化的曲線7）步長16狀態(tài)下的軸瓦上所抽取路徑的位移情況創(chuàng)建在步長16狀態(tài)下的軸瓦上所抽取路徑的位移情況：展開【非線性步長16，8.000e-001】節(jié)點(diǎn)，展開【位移-節(jié)點(diǎn)的】下面的【Z】，單擊【Post

Views

2】，右鍵單擊彈出的【新建圖表】按鈕；設(shè)置相關(guān)參數(shù)單擊確定位移隨時(shí)間（步長）變化的曲線8）鋼套的約束反作用力查看展開【非線性步長16，8.000e-001】節(jié)點(diǎn)，展開【非線性應(yīng)力-單元節(jié)點(diǎn)】，雙擊【反作用力】節(jié)點(diǎn)，展開【Post

Views

2】，在【3D

Elements】節(jié)點(diǎn)下抑制【3d_mesh(1)】，在圖形窗口中僅顯示鋼套模型，如圖所示為鋼套的約束反作用力；9）退出后處理導(dǎo)航器如果完成了以上分析結(jié)果的查看任務(wù)，可以單擊工具欄中的【返回到模型】命令，退出【后處理導(dǎo)航器】窗口。上述實(shí)例各個(gè)模型文件、輸出結(jié)果和變形過程的動(dòng)畫請(qǐng)參考隨書光盤Book_CD\Part\Part_CAE_Finish\11_NonLinear

Static\文件夾中的相關(guān)文件，操作過程的演示請(qǐng)參考隨書光盤文件Book_CD\AVI\11_NonLinear

Static

_AVI。11.6

本章小結(jié)通過查