UG結(jié)構(gòu)分析一

1、第一章基于NX的CAE入門,王麗 7696129,關(guān)于NX的CAE我們主要學(xué)習(xí)兩部分內(nèi)容: 1.結(jié)構(gòu)分析(Structure) 2.運(yùn)動仿真(Motion),結(jié)構(gòu)分析,本學(xué)期將學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)分析，即高級仿真模塊。,結(jié)構(gòu)分析研究的問題,在目前階段我們使用UG的結(jié)構(gòu)分析模塊所研究的問題都是以材料力學(xué)為理論依據(jù)的. 因此我們主要研究以下三個(gè)方面: 一.構(gòu)件是否有足夠強(qiáng)度? 強(qiáng)度是指材料承受外力而不被破壞(不可恢復(fù)的變形也屬被破壞)的能力.根據(jù)受力種類的不同分為以下幾種:(1)抗壓強(qiáng)度-材料承受壓力的能力.(2)抗拉強(qiáng)度-材料承受拉力的能力.(3)抗彎強(qiáng)度-材料對致彎外力的承受能力.(4)抗剪強(qiáng)度-材料承受

2、剪切力的能力. 二.構(gòu)件是否有足夠剛度? 剛度是指零件在載荷作用下抵抗彈性變形的能力。 三.構(gòu)件是否有足夠穩(wěn)定性? 如何把零件的模型和工況在軟件中模擬呢? 我們需要知道那些條件才能模擬呢?,結(jié)構(gòu)分析入門 -強(qiáng)度向?qū)?強(qiáng)度向?qū)В⊿trength Wizard）是在 UG NX 內(nèi)一個(gè)集成的有限元分析系統(tǒng)。它是供設(shè)計(jì)人員使用的，可以直接對 UG NX的單個(gè)實(shí)體做基本的結(jié)構(gòu)分析。 強(qiáng)度向?qū)У姆治隽鞒倘鐖D所示：,什么是有限元分析? 本節(jié)我們先通過強(qiáng)度向?qū)X的結(jié)構(gòu)分析過程進(jìn)行一個(gè)了解,實(shí)例分析-冰箱拉手的強(qiáng)度分析,本實(shí)例為冰箱拉手，如圖2所示，進(jìn)行一下分析： 該拉手的材料為ABS，與冰箱之間采用三個(gè)

3、螺絲連結(jié)，正常開門時(shí)的拉力為50N，安全系數(shù)為2，分析拉手的強(qiáng)度是否足夠？ 因?yàn)樵O(shè)計(jì)問題，在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)拉手與冰箱之間有干涉，干涉量為1mm，只能對拉手進(jìn)行更改。開門時(shí)的極限拉力為500N, 分析拉手的強(qiáng)度是否足夠？ 如果拉手的材料改為ABS-GF，分析拉手的強(qiáng)度是否足夠？,打開文件drawer_finish.prt 進(jìn)入建模應(yīng)用. 進(jìn)入強(qiáng)度向?qū)?,按AnalysisStrength Wizard，彈出右圖窗口，在同一目錄下創(chuàng)建仿真文件：drawer_finish_50.sim . 單擊確定進(jìn)入強(qiáng)度向?qū)Т翱?，選擇整個(gè)冰箱拉手作為要分析的實(shí)體,定義材料,單擊下一步，為實(shí)體選擇材料,選擇塑料ABS,

4、單擊下一步，彈出右圖窗口，指定承載對象的幾何類型為Face,加載,選擇拉手內(nèi)表面,如右圖: 點(diǎn)”下一步” 選擇載荷類型為力(Force),點(diǎn)擊”下一步”,指定力的大小為50N,方向?yàn)閆C軸 點(diǎn)擊兩次”下一步”,結(jié)束加載,指定邊界條件,指定邊界的幾何類型為Face 因?yàn)槔謱⒈蝗齻€(gè)螺絲連接，所以選擇三個(gè)凸臺的內(nèi)表面,選擇”固定” 點(diǎn)擊”下一步”兩次結(jié)束約束.,模擬分析,如右圖所示，設(shè)定“檢查仿真出錯(cuò)”（Error Checked Simulation）: on，單擊“執(zhí)行仿真”（Perform Simulation）鍵進(jìn)行模擬分析。系統(tǒng)自動劃分有限元網(wǎng)格和優(yōu)化后，進(jìn)行運(yùn)算，大約需要幾分鐘，由電腦

5、硬件性能決定。,此處中文版NX容易出錯(cuò),建議 使用英文版,單擊“結(jié)構(gòu)性能”（Structural Performance）鍵，觀察結(jié)構(gòu)性能。零件表面顯示為綠色，表示該零件性能很好。,按Display Options鍵，設(shè)定Show Mesh Edges: on，按OK鍵，結(jié)果顯示如右圖。,按Displacements鍵，觀察位移情況。最大位移為0.1366mm（紅色區(qū)域）。 按Animation中的Play鍵，可以看到位移的動態(tài)變化情況。,按Stresses鍵，觀察應(yīng)力分布。最大應(yīng)力為3.079MPa（紅色區(qū)域），而ABS的屈服極限為40MPa。40/3.079=12.99 按Animatio

6、n中的Play鍵，可以看到應(yīng)力的動態(tài)變化情況。,按Answer Quality鍵，評估零件的質(zhì)量?？梢娊^大部分網(wǎng)格（藍(lán)色）非常安全，但需要注意在螺絲孔附近的一些網(wǎng)格（黃色）處于安全的邊緣狀態(tài)。,按Next鍵，生成網(wǎng)頁格式（html）的分析報(bào)告 Title：Strength Analysis of Drawer Author：學(xué)生姓名（英文） Company Name：MECH 按Finish鍵，開始報(bào)告制作 按OK鍵多次，為報(bào)告中的性能位移應(yīng)力質(zhì)量捕捉圖片 按Yes鍵，保存分析數(shù)據(jù) 檢查報(bào)告文件 切換到IE瀏覽器窗口，檢查剛生成的報(bào)告文件（注意在NX4.0中此時(shí)可能不會生成報(bào)告）。,更改模型

7、按Offset Faces 或圖標(biāo)，選擇紅色曲面，偏移距離為-1mm。 說明： 因?yàn)榘惭b干涉問題，需要在此表面留出1mm余量。 將文件另存為drawer_finish_1.prt,進(jìn)入強(qiáng)度向?qū)trength Wizard 按AnalysisStrength Wizard，創(chuàng)建一個(gè)新的仿真文件drawer_finish_500.sim,材料為ABS 載荷Force，載荷為500N。 說明： 設(shè)定最大受力為500N。 進(jìn)入分析菜單。設(shè)定Error Checked Simulation: on，按Perform Simulation鍵進(jìn)行模擬分析。系統(tǒng)將更新有限元網(wǎng)格并優(yōu)化后，重新解算，大約需要幾

8、分鐘，由電腦硬件性能決定。,產(chǎn)品安全系數(shù)仍然為2.0 解算完成后，試分析產(chǎn)品性能是否安全。,解決措施 為了防止零件發(fā)生破壞，建議采用強(qiáng)度更高的材料ABS-GF。ABS-GF的屈服極限為75MPa。請大家自己驗(yàn)證。,思考題:,簡單的說在產(chǎn)品開發(fā)過程中,產(chǎn)品成本決定一切,用少的投入得到更大的價(jià)值才是設(shè)計(jì)的根本. 試著將該門把手在某些品質(zhì)出現(xiàn)問題的細(xì)節(jié)地方進(jìn)行重新設(shè)計(jì),爭取在不更換材料,不改變門把手整體結(jié)構(gòu)的情況下,滿足力學(xué)要求.,結(jié)構(gòu)仿真基礎(chǔ)?,結(jié)構(gòu)仿真=有限元結(jié)構(gòu)分析 有限元結(jié)構(gòu)分析基于 “工程力學(xué)”+”有限元解算”,結(jié)論: 基于NX 平臺,學(xué)好你的 “工程力學(xué)”,結(jié)構(gòu)仿真實(shí)例:車頂壓跨分析,目

9、的: 決定 1)極限強(qiáng)度 2) 乘客撞擊,Avi:,關(guān)于結(jié)構(gòu)分析的工程力學(xué)知識參看: ,有限元方法簡介 有限元方法也叫“有限單元法”或“有限元素法”，英文是：“Finite Element Method”。這種方法最初起源于結(jié)構(gòu)分析，由結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法發(fā)展而來。 1956年美國航空工程師Turner和Clough為分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)力學(xué)的矩陣位移法原理推廣到彈性力學(xué)的平面問題，獲得巨大成功，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。之后Clough又用這種方法處理了一些復(fù)雜的平面彈性力學(xué)問題并于1960年首次提出“有限單元法”這個(gè)名詞。 有限元的基本思想就是分片逼近 。,例如：要計(jì)算以下定積分,從定積分的

10、定義出發(fā)，可以將曲線分成若干小段，用若干矩形面積之和作為近似解，如果在小段內(nèi)用簡單函數(shù)逼近曲線，在有限范圍內(nèi)結(jié)果精度可以得到顯著提高。,37,物理系統(tǒng)舉例,幾何體 載荷 物理系統(tǒng),38,有限元模型,真實(shí)系統(tǒng),有限元模型,有限元模型 是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。,定義,39,自由度（DOFs）,自由度(DOFs) 用于描述一個(gè)物理場的響應(yīng)特性。,結(jié)構(gòu) DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,40,節(jié)點(diǎn)和單元,節(jié)點(diǎn): 空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。,單元: 一組節(jié)點(diǎn)自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣 描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、 面或?qū)嶓w以及二維或三維

11、的單元等種類。,有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷。,載荷,41,節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù)),信息是通過單元之間的公共節(jié)點(diǎn)傳遞的。,.,.,.,A,B,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,.,.,.,2 nodes,重點(diǎn)!,42,節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù)),節(jié)點(diǎn)自由度是隨連接該節(jié)點(diǎn) 單元類型 變化的。,J,I,I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,三維桿單元 (鉸接),UX, UY, UZ,三維梁單元,二維或軸對稱實(shí)體單元,UX, UY,三維四邊形殼單元,UX, UY, UZ,三維實(shí)體熱單元,TEMP,J,P,O,M,N,K,J,I,L,

12、三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元,ROTX, ROTY, ROTZ,ROTX, ROTY, ROTZ,UX, UY, UZ,UX, UY, UZ,43,節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù)),每個(gè)單元的特性是通過一些線性方程式來描述的。 作為一個(gè)整體，單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。 盡管梯子的有限元模型低于100個(gè)方程（即“自由度”），然而在今天一個(gè)小的 ANSYS分析就可能有5000個(gè)未知量，矩陣可能有25，000，000個(gè)剛度系數(shù)。,歷史典故 早期 ANSYS是隨計(jì)算機(jī)硬件而發(fā)展壯大的。ANSYS最早是在1970年發(fā)布的，運(yùn)行在價(jià)格為1，000，000的CDC、由Univac和IBM生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)上，它們的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于今

13、天的PC機(jī)。一臺奔騰PC機(jī)在幾分鐘內(nèi)可求解50005000的矩陣系統(tǒng)，而過去則需要幾天時(shí)間。,結(jié)構(gòu)分析的目的 1、克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。 以往的設(shè)計(jì)大都是基于經(jīng)驗(yàn)的，基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在以往的產(chǎn)品開發(fā)中取得了巨大的成功，但也存在一些不足，一般只能解決行不行的問題，很難解決優(yōu)不優(yōu)的問題，并且經(jīng)驗(yàn)的積累需要時(shí)間，有時(shí)也不可靠。 比如:直徑800mm 和直徑1000mm的井蓋多厚合適呢? 2、評價(jià)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。 盡管為了解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題，也有人提出了一些新的設(shè)計(jì)理念，解決上述問題的根本手段就是采用合理的、科學(xué)的方法對上述性能進(jìn)行分析。,數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)分析的比較 分析方法可分為理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩大類。

14、 1、基于實(shí)驗(yàn)的分析方法 指通過的實(shí)驗(yàn)測試獲取需要的性能參數(shù)的方法。這種方法獲取不同的性能參數(shù)需要采用不同的測試方法、儀器設(shè)備和輔助實(shí)驗(yàn)裝置。如：強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，可以采用電阻應(yīng)變片及應(yīng)變儀、光彈涂膜或云紋柵、應(yīng)變涂料等；扭轉(zhuǎn)與彎曲剛度實(shí)驗(yàn)則需要專門的實(shí)驗(yàn)臺等等。 實(shí)驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果真實(shí)可靠，通常被當(dāng)作產(chǎn)品最終定型的權(quán)威性依據(jù)。,實(shí)驗(yàn)方法也存在不足： 1）實(shí)驗(yàn)一定要在樣品或樣機(jī)試制之后才能進(jìn)行，成本高、周期長，并且只適合批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。 2）可以獲得的數(shù)據(jù)量有限，無法對設(shè)計(jì)提供更多的指導(dǎo)，更無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 3）受實(shí)驗(yàn)手段的限制，有些參數(shù)無法測準(zhǔn)。,2、基于理論計(jì)算的分析方法 指通過理論分析或

15、數(shù)值計(jì)算獲取所需的性能參數(shù)的分析方法，目前在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的就是“有限元方法”，也是我們要重點(diǎn)研究內(nèi)容，與實(shí)驗(yàn)方法相比，理論計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的： 1）經(jīng)濟(jì)、快捷，成本低、周期短。（與實(shí)驗(yàn)相比） 2）一次分析可以獲得大量的數(shù)據(jù)。 3）可以與設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。 4）可以配合優(yōu)化算法，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。 目前主要的問題是，對于復(fù)雜問題分析精度不易控制，分析結(jié)果受模型質(zhì)量影響較大，算法本身也存在一定缺陷。,有限元結(jié)構(gòu)（靜力）分析的基本過程 結(jié)構(gòu)分析的有限元模型一般由下列6部分組成： 1、 選擇NX幾何體 2、 定義材料特性 選擇材料。材料特性可以在建模中利用toolsMaterial Prope

16、rties命令預(yù)定義，或從強(qiáng)度向?qū)熘羞x擇一種材料。特性被存取并自動的分配給實(shí)體。 3、 作用的結(jié)構(gòu)載荷 載荷是作用到組元幾何體的各種力、壓力、力矩和重力。對一特定類型的幾何體，各種類型的載荷作用到的幾何體如下:,4、 約束 為了承受載荷，結(jié)構(gòu)的某些部分必須不被移動，或它的運(yùn)動必須被限制?；蛘哒f，所有結(jié)構(gòu)被約束在某些方式中。 幾種類型的約束： 固定（Fixed）：被約束區(qū)不能在任一方向移動。 滑動的（Sliding）：被約束區(qū)沿一平面在任一方向自由滑動，但在正交平面的方向不能移動。 銷釘?shù)模≒inned）：被約束區(qū)繞一軸自由轉(zhuǎn)動，但在其它方向不能移動。,5、 結(jié)構(gòu)離散化 將結(jié)構(gòu)或零件人為地劃分

17、成有限個(gè)子域（這些子 被稱做單元），假定單元之間通過有限個(gè)點(diǎn)相互連接（這些連接點(diǎn)被稱做節(jié)點(diǎn)），如圖1。,離散就是將一個(gè)連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元(element)，單元又稱網(wǎng)格(mesh)，單元之間的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)(node)，單元間的相互作用只能通過節(jié)點(diǎn)傳遞。 通過離散，一個(gè)連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。,離散處理的目的，就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程組，以利于用計(jì)算機(jī)求解。 可以從數(shù)學(xué)和力學(xué)的兩個(gè)角度上闡述。 從數(shù)學(xué)的角度上講，有限元法的基本思想是通過離散化的手段把微分方程或者變分方程變成代數(shù)方程進(jìn)行求解。 從力學(xué)的角度上講，有限元法的基本思想是通過離散化的手段把一個(gè)復(fù)雜的連續(xù)體變成離散的結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。,某汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)橡膠減振襯套有限元模型,6、答案 利用云圖標(biāo)繪顯示分析結(jié)果。這些是專門的3-D彩色標(biāo)繪，它們清晰地顯示應(yīng)力和位移場的值與形狀。,有限元前后處理的