NX響應仿真實例11

第頁NXNastran動力學仿真在室外機配管優(yōu)化設計中的應用本文以某室外機配管為分析對象進行動力學仿真，該機器整改前在制熱時有嗡嗡聲，而且回氣振動也接近測試標準的上限。采用B&K的pulse測試系統(tǒng)對室外機的噪音進行測試分析，發(fā)現(xiàn)嗡嗡聲的主要頻率為148HZ。對室外機制熱運行時的噪音進行錄音，然后對錄音進行濾波，將148HZ的頻率成份過濾掉，此時嗡嗡聲基本消失。采用加速度傳感氣對壓縮機的儲液罐和回氣管進行振動測試，對其頻譜進行分析，發(fā)現(xiàn)儲液罐處也有148HZ的頻率，并且在該頻率處的振動峰值也大，回氣上要小一點，用手握住回氣管或者在回氣管上加一塊較的220×120厚度為8mm的防震膠，此時嗡嗡聲會明顯減小，此時低壓閥安裝板處的振動也明顯減少。因此我們初步判斷室外機的嗡嗡聲主要是通過壓縮機儲液罐經(jīng)過回氣管、低壓閥連接管傳遞到閥安裝板和鈑金輻射出來的。整改方案決定通過增加回氣管的柔性借助銅管的阻尼來衰減噪聲，同時降低配管的振動。圖1和圖2分別為整改前和整改后的四通閥組件。試驗測試表明，采用改進后的四通閥組件，室外機的嗡嗡聲和等到明顯改善，配管的振動也明顯減小。下面詳細描述整個配管仿真分析的過程。1建立有限元模型為了快速有效的分析配管的振動特性，在計算分析的過程中沒有考慮壓縮機的幾何模型，由于壓縮機是配管的振動激勵源，所以在計算過程中必須考慮壓縮機的影響，本文在計算過程中通過試驗采用三向加速度傳感器測試排氣管和回氣管處的振動加速度，然后將測試的振動數(shù)據(jù)進行8階高通濾波，并通過積分將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移測試數(shù)據(jù).通過加載壓縮機的振動激勵來考慮壓縮機對配管的振動影響，整個配管的簡化模型如圖3.1.1理想化幾何模型為了得到比較理想的網(wǎng)格質(zhì)量，最好在建模里面先利用分割面工具()將配管用基準面將配管進行剖分，剖分后的效果如圖2：利用模型理想化命令()，將模型進行理想化，去掉一些可以忽略小特征，或者采用同步建模命令()來刪除不需要的特征，這對于從其它軟件導入NX的模型特別有效.由于配管的壁厚較薄，因此對整個四通閥組件在分析過程中可以考慮采用殼體單元.對四通閥組件中的配管采用偏置的方法抽中面()，其結(jié)果如圖4。從理想化模型的狀態(tài)回到有限元模型的狀態(tài)，通常會發(fā)現(xiàn)中面沒有顯示，這時可以通過編輯有限元模型的幾何體選項將中面加入進來。具體步驟如下：在仿真航器的有限元文件名上點右鍵，選擇編輯，在彈出的對話框中，選“選擇體”，如圖4，在圖形窗口中框選中所有體并確定。然后在仿真導航器的PolygonGeometry模型樹上將實體特征隱藏，只顯示中面特征。1.2有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分，分別對排氣管、回氣管低壓閥連接管等進行網(wǎng)格劃分，采用2D的映射網(wǎng)格對配管進行網(wǎng)格劃分，這樣可以得到高質(zhì)量的網(wǎng)格。對四通閥劃分網(wǎng)格時，先采用2D的映射網(wǎng)格對其進行網(wǎng)格劃分，對其個別面無法進行映射網(wǎng)格劃分的，再采用自動網(wǎng)格進行劃分。1.2.1修復小面引起的網(wǎng)格不連續(xù)在NX的機械布管里面進行配管設計時，在U形彎的地方，結(jié)構(gòu)工程師在導圓角時通常會留下一個很小的直線段在那里，比如60的直線段，要導兩個R30的圓角，在NX機械部管里導不出來，結(jié)構(gòu)工程師通常會小于R30的值代替，比如R29.9，這樣就留下了一個0.2mm的直線段，在生成配管后，就產(chǎn)生了一個0.2mm寬的圓環(huán)面。在有限元建模畫網(wǎng)格時如果沒有選中那個小面，就會出現(xiàn)一個裂縫在那里，如果選中了這個小面，由于其尺寸很小，生成的網(wǎng)格質(zhì)量也會很差，所以在有限元里面需要將這小面及其相鄰的進行合并，使用合并面命令()，將裂縫處的面合并更新網(wǎng)格后的效果如圖6。1.2.2為了得到較好的單元質(zhì)量，最好對配管進行沿著配管的中心線逐段進行剖分，同時在劃分網(wǎng)格時，同時在劃分網(wǎng)格時，對網(wǎng)格質(zhì)量較差的局部設定網(wǎng)格種子，對其單元數(shù)或者單元的邊長進行設定。其操作菜單如圖7。1.2.3對單元的形狀進行檢查，可以檢查出形狀較差的網(wǎng)格，并以指定的顏色標示出失效的單元，同時也可以列表統(tǒng)計出形狀較差單元的個數(shù)。如果單元形狀較差的個數(shù)較多，會造成計算結(jié)果不收斂，無法得到計算結(jié)果。圖8為單元形狀檢查的操作路徑，圖9為單元形狀檢查的結(jié)果。1.2.4對單元的法向進行檢查，如圖10。對四通閥組件，在進行有限元網(wǎng)格劃分時，通常采用殼體單元，在使用殼體單元時，一定要使整個四通閥組件的單元的法向一致，單元的法向應都向外或者都向內(nèi)，否則在進行動態(tài)響應分析計算時會造成計算不收斂。對法向不一致的單元，要利用法向反向使其一致。1.2.5在劃分有限元網(wǎng)格后，要對重復節(jié)點進行檢查，如果存在重復節(jié)點，該節(jié)點附近的單元是裂開的，沒有合并在一起，需要對該重復節(jié)點進行合并。在本文分析的案例的模型中沒有重復節(jié)點存在，圖11是另外一個模型中有重復節(jié)點的情形，在這里只是為了說明該問題而特意列舉出來.1.2.6在排氣口和回氣管及壓縮機的連接處創(chuàng)建RBE2剛性單元，以便在進行頻率響應和瞬態(tài)響應分析時施加振動加速度或者位移等強迫振動激勵。具體操作步驟如下：利用建立節(jié)點命令在()先在配管的端部的圓心處建立一個節(jié)點，再點擊圖標()，彈出如下的對話框，形心節(jié)點選擇剛剛建立的節(jié)點，分支節(jié)點選擇形心對應的邊。如圖12。1.2.7在進行仿真計算時，通常會對四通閥進行適當?shù)暮喕?，為了保證四通閥的有限元網(wǎng)格的質(zhì)量屬性及實際一致，以保證計算的四通閥組件模態(tài)和及實際情況更吻合，需要進行對其質(zhì)量屬性進行檢查。在NX5.0高級仿真里面，劃分網(wǎng)格后在下拉菜單上點擊：信息――高級仿真――實體屬性檢查可以查詢網(wǎng)格的質(zhì)量屬性。在NX6.0高級仿真里面，直接在仿真導航器的模型樹上，在要查詢網(wǎng)格的模型樹上點鼠標右鍵選擇實體屬性，就可以查詢到網(wǎng)格的質(zhì)量屬性。操作菜單見圖13，圖14為四通閥組件劃分有限元網(wǎng)格后的有限元模型。本文在分析過程中，網(wǎng)格的材料屬性為銅：彈性模量=1.23×E11Pa，泊松比=0.34，密度=8.94×E3Kg/m3。2配管的模態(tài)分析仿真2.1新建一個仿真首先新建一個仿真，在仿真導航器上有限元模型文件名上點鼠標右鍵，選擇新建仿真，在彈出的創(chuàng)建解算方案中，求解器選擇NXNASTRAN，解算方案類型選擇SEMODES103–響應仿真。操作菜單如圖15。2.2定義配管的焊口連接處的接觸對整個四通閥組件，在配管的焊接處，需要定義定義粘合接觸，具體操作菜單如圖162.3加載模態(tài)邊界條件在進行固有模態(tài)分析時，將排氣管、回氣管、低壓管和冷凝器接管等端部施加固定約束。在排氣管和回氣管的端部圓心處(形心節(jié)點處)施加強迫運動約束，如圖17。圖18為整個四通閥組件加載的邊界條件.在進行模態(tài)計算時，NXNASTRAN會默認為在加載強迫約束的地方，排氣管和回氣管端面是固定的.通過計算得到的配管的模態(tài)振型結(jié)果可以看出.2.4模態(tài)求解設置在進行模態(tài)分析時，選中Subcase-Dynamics點右鍵，激活，再選擇編輯解算步驟，設置輸出需求(位移、應力等)，操作菜單見如圖20。同時還要設定求解輸出的模態(tài)階數(shù)和求解參數(shù)，指定NXNASTRAN求解器的路徑和求解時占用內(nèi)存的大小。在NX6.0中默認的內(nèi)存大小為400MB，最好把它調(diào)到1000MB或者以上，如果不修改內(nèi)存值，NASTRAN會無法啟動。操作菜單見圖21。計算結(jié)束后，雙擊Results進入后處理界面，即可以讀取各階模態(tài)的振動頻率和振型結(jié)果。為了不顯示配管的網(wǎng)格，只顯示配管的變形后的特征，可以點擊命令()。在彈出的對話框中，選擇邊和面，在邊的選項里面，選擇特征。圖22和23為第1階模態(tài)回氣振型和第4階模態(tài)排氣的振型.其振動的形式及實際測試樣機的結(jié)果也一致.2.5預應力模態(tài)如果要考慮冷媒壓力(不考率壓力脈動)對配管模態(tài)的影響，需要計算預應力模態(tài)，這時應先激活Subcase-Dynamic設定好輸出需求和輸出的模態(tài)階數(shù)后，再激活Subcase-StressStiffening，再右鍵點loads在配管壁面上施加壓力載荷，施加載荷時要主要壓力的方向，應是向外的。操作菜單見圖24。通過計算發(fā)現(xiàn)冷媒壓力對配管的模態(tài)的影響不大，在0.5HZ左右，因為壓力是沿著配管內(nèi)表面的法線方向，而配管本身的剛度在這個方向是比較大的，所以靜壓力對配管的模態(tài)影響不大。3瞬態(tài)應分析在模態(tài)分析的基礎上進行瞬態(tài)響應或者頻率響應分析，在仿真導航器的模型數(shù)上用鼠標右鍵點sim文件，在彈出的菜單中選擇新建結(jié)算方案過程，然后選擇響應仿真。操作菜單界面如圖25。3.1設置阻尼參數(shù)在新建的ResponseSimulation里面雙擊NormalModes，然后將展開響應仿真局部放大圖窗口。操作菜單如圖26。有阻尼情況下，振幅隨時間以指數(shù)規(guī)律衰減，阻尼越大，振幅衰減的越快，振動耗散得也越快。粘性阻尼及速度成正比，結(jié)構(gòu)阻尼及位移成正比。在瞬態(tài)響應分析中，結(jié)構(gòu)阻尼(Hysteretic)必須轉(zhuǎn)化為等效的粘性阻尼(Viscous)。在響應仿真局部放大圖中，點鼠標右鍵選擇一階模態(tài)，可以對其模態(tài)的阻尼因子進行編輯。操作菜單如圖27。對阻尼因子編輯后，DampedFrequency會自動進行修改，如圖28。有阻尼固有頻率及固有頻率的關系：，其中為有阻尼頻率，為固有頻率。在仿真導航器中右鍵點擊ResponseSimulation，選擇新建事件，在彈出的菜單中選擇瞬態(tài)或者頻率，如圖29。如果選擇瞬態(tài)，在加載振動的激勵函數(shù)時，激勵函數(shù)是隨時間變化的加速度、速度或者位移函數(shù)。3.2AFU函數(shù)屬性設置在施加強迫激勵前，要先在XY函數(shù)導航器里面把振動的激勵測試數(shù)據(jù)導入進來，振動激勵測試數(shù)據(jù)在導入之前，必須先將其轉(zhuǎn)化為NXNASTRAN所支持的數(shù)據(jù)格式文件，其支持的數(shù)據(jù)文件格式有：csv、mat、rsp、dac和unv。在XY函數(shù)導航器中，在AssociatedAFU上點右鍵新建一個文件如huiqi_x，然后在文件名上點鼠標右鍵，選擇導入，在彈出的對話框中設置要導入的數(shù)據(jù)的格式和數(shù)據(jù)屬性。在導入數(shù)據(jù)時，點擊選項，彈出如下的對話框：函數(shù)類型為時間，間距為等間距，橫坐標為時間，縱坐標為加速度或者位移，如圖31。如果沒有正確的設置，在加載激勵時，將無法把數(shù)據(jù)加載到激勵位置的節(jié)點上。同時也無法對該數(shù)據(jù)進行FFT變換，將時域的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域。3.3激勵測試數(shù)據(jù)的處理測試數(shù)據(jù)的處理非常重要.在導入測試數(shù)據(jù)前，需要對測試的加速激勵數(shù)據(jù)進行濾波處理，如果沒有經(jīng)過濾波，加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過積分后會一直往上漂。圖32是沒有經(jīng)過濾波的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過積分后得到的時間速-度曲線。圖33為加速數(shù)據(jù)經(jīng)過8階高通濾波和積分后得到回氣x方向的時間――位移曲線，由于剛開始的測試數(shù)據(jù)沒完全穩(wěn)定，所以取了5～10s比較穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)。為了及有限元計算模型中的單位一致，將位移的單位為轉(zhuǎn)化為mm，3.4施加振動位移激勵在仿真導航器的Excitation上點右鍵新建激勵，選擇平移節(jié)點的，操作路徑如圖34，然后在彈出的圖35所示的窗口中指定激勵的節(jié)點，并通過函數(shù)管理器來指定X、Y和Z方向的位移激勵。圖36為XY函數(shù)管理器，窗口里面顯示的時間――位移函數(shù)是前面事先定義好的。所有函數(shù)的數(shù)據(jù)的時間間隔和時間長度必須是一樣的，否則加載激勵時，會提示數(shù)據(jù)不一致，不能加載激勵。3.5求解評估響應結(jié)果3.5.1在完成前面所有的準備工作后，就可以對四通閥組件進行響應評估求解了。如圖37和38，選擇評估云圖結(jié)果――響應，可以輸出位移、速度、加速度和應力的結(jié)果，在圖38中，可以選擇從激勵函數(shù)曲線上選擇求解振動激勵峰值時刻點，也可以指定求解一段時間內(nèi)來對響應結(jié)果進行求解，如果是指定一段時間，通常指定的時間長度為10～20個周期，如果設定的求解時周期較大，計算結(jié)果文件會較大，求解時間也會較長。在圖38中，選擇的是指定激勵的時刻點，圖39為從激勵函數(shù)中指定求解的時刻點。在后處理中分別讀取各個峰值點時刻的位移和應力云圖，讀取應力結(jié)果時通常是選擇讀取VonMises應力的值，在大致了解哪個地方應力比較大后，可以通過評估節(jié)點的函數(shù)響應來查看在整個激勵時間內(nèi)的所關心的應力較大處的應力隨時間變化的情況。從圖40～47可以看出，在配管拐彎的地方應力都會比直線段的配管處的應力要大，而且內(nèi)側(cè)的應力要比外側(cè)的應力要大.從圖中可以看出配管的應力隨時間不斷變化，配管的應力最大在6MPa左右，配管的應力值比較小，說明該方案設計的配管是比較安全的.圖48和49為配管在兩時刻點的振動幅值云圖，從圖中可以看出，在回氣管的U形彎處，配管的振動較大，為250μm左右，這及實際也測試樣機的結(jié)果也較為一致，因為壓縮機儲液管的本身的振動較大，反應在振動激勵上，就是壓縮機回氣口處的振動激勵本身較大，所以在改處的振動也要大一些.3.5.2評估函數(shù)響應評估節(jié)點函數(shù)響應，其操作路徑如圖50?？梢暂敵龅慕Y(jié)果為位移、速度和加速度，可以在圖51的菜單中的結(jié)果欄進行選擇，同時定要指定響應的節(jié)點，節(jié)點的位移和加速度通常是計算所關心的內(nèi)容。為了得到節(jié)點應力隨時間變化的結(jié)果，在評估函數(shù)響應分析時，選擇基本的，如圖52所示，參照前面評估云圖結(jié)果分析的應力場分布的結(jié)果，選擇應力較大的位置進行求解，得到該節(jié)點處在整個振動激勵時間段范圍內(nèi)的結(jié)果。圖53～63為配管各彎位處內(nèi)外側(cè)節(jié)點Vonmise應力隨時間變化的曲線，從應力曲線可以看出，在5～10秒內(nèi)整個四通閥組件的應力在8MPa以內(nèi)，應力較小遠低于銅管的屈服強度65MPa。說明該設計的應力設計案是可靠的。4.頻率響應分析為了分析配管在給的振動激勵頻率的響應情況，需要進行頻率響應分析，其操作菜單如圖64，在新建事件的類型中選擇頻率。進行頻率響應分析時，加載的振動激勵函數(shù)為位移隨頻率變化的函數(shù)，因此需要將振動激勵的時域函數(shù)轉(zhuǎn)化為頻域，通過點擊工具欄的圖標()，在彈出的菜單中選擇time->Spectr