1、第一章基于NX的CAE入门,王丽 7696129,关于NX的CAE我们主要学习两部分内容: 1.结构分析(Structure) 2.运动仿真(Motion),结构分析,本学期将学习结构分析，即高级仿真模块。,结构分析研究的问题,在目前阶段我们使用UG的结构分析模块所研究的问题都是以材料力学为理论依据的. 因此我们主要研究以下三个方面: 一.构件是否有足够强度? 强度是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力.根据受力种类的不同分为以下几种:(1)抗压强度-材料承受压力的能力.(2)抗拉强度-材料承受拉力的能力.(3)抗弯强度-材料对致弯外力的承受能力.(4)抗剪强度-材料承受
2、剪切力的能力. 二.构件是否有足够刚度? 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 三.构件是否有足够稳定性? 如何把零件的模型和工况在软件中模拟呢? 我们需要知道那些条件才能模拟呢?,结构分析入门 -强度向导,强度向导（Strength Wizard）是在 UG NX 内一个集成的有限元分析系统。它是供设计人员使用的，可以直接对 UG NX的单个实体做基本的结构分析。 强度向导的分析流程如图所示：,什么是有限元分析? 本节我们先通过强度向导对NX的结构分析过程进行一个了解,实例分析-冰箱拉手的强度分析,本实例为冰箱拉手，如图2所示，进行一下分析： 该拉手的材料为ABS，与冰箱之间采用三个
3、螺丝连结，正常开门时的拉力为50N，安全系数为2，分析拉手的强度是否足够？ 因为设计问题，在装配时发现拉手与冰箱之间有干涉，干涉量为1mm，只能对拉手进行更改。开门时的极限拉力为500N, 分析拉手的强度是否足够？ 如果拉手的材料改为ABS-GF，分析拉手的强度是否足够？,打开文件drawer_finish.prt 进入建模应用. 进入强度向导.,按AnalysisStrength Wizard，弹出右图窗口，在同一目录下创建仿真文件：drawer_finish_50.sim . 单击确定进入强度向导窗口，选择整个冰箱拉手作为要分析的实体,定义材料,单击下一步，为实体选择材料,选择塑料ABS,
4、单击下一步，弹出右图窗口，指定承载对象的几何类型为Face,加载,选择拉手内表面,如右图: 点”下一步” 选择载荷类型为力(Force),点击”下一步”,指定力的大小为50N,方向为ZC轴 点击两次”下一步”,结束加载,指定边界条件,指定边界的几何类型为Face 因为拉手将被三个螺丝连接，所以选择三个凸台的内表面,选择”固定” 点击”下一步”两次结束约束.,模拟分析,如右图所示，设定“检查仿真出错”（Error Checked Simulation）: on，单击“执行仿真”（Perform Simulation）键进行模拟分析。系统自动划分有限元网格和优化后，进行运算，大约需要几分钟，由电脑
5、硬件性能决定。,此处中文版NX容易出错,建议 使用英文版,单击“结构性能”（Structural Performance）键，观察结构性能。零件表面显示为绿色，表示该零件性能很好。,按Display Options键，设定Show Mesh Edges: on，按OK键，结果显示如右图。,按Displacements键，观察位移情况。最大位移为0.1366mm（红色区域）。 按Animation中的Play键，可以看到位移的动态变化情况。,按Stresses键，观察应力分布。最大应力为3.079MPa（红色区域），而ABS的屈服极限为40MPa。40/3.079=12.99 按Animatio
6、n中的Play键，可以看到应力的动态变化情况。,按Answer Quality键，评估零件的质量。可见绝大部分网格（蓝色）非常安全，但需要注意在螺丝孔附近的一些网格（黄色）处于安全的边缘状态。,按Next键，生成网页格式（html）的分析报告 Title：Strength Analysis of Drawer Author：学生姓名（英文） Company Name：MECH 按Finish键，开始报告制作 按OK键多次，为报告中的性能位移应力质量捕捉图片 按Yes键，保存分析数据 检查报告文件 切换到IE浏览器窗口，检查刚生成的报告文件（注意在NX4.0中此时可能不会生成报告）。,更改模型
7、按Offset Faces 或图标，选择红色曲面，偏移距离为-1mm。 说明： 因为安装干涉问题，需要在此表面留出1mm余量。 将文件另存为drawer_finish_1.prt,进入强度向导Strength Wizard 按AnalysisStrength Wizard，创建一个新的仿真文件drawer_finish_500.sim,材料为ABS 载荷Force，载荷为500N。 说明： 设定最大受力为500N。 进入分析菜单。设定Error Checked Simulation: on，按Perform Simulation键进行模拟分析。系统将更新有限元网格并优化后，重新解算，大约需要几
8、分钟，由电脑硬件性能决定。,产品安全系数仍然为2.0 解算完成后，试分析产品性能是否安全。,解决措施 为了防止零件发生破坏，建议采用强度更高的材料ABS-GF。ABS-GF的屈服极限为75MPa。请大家自己验证。,思考题:,简单的说在产品开发过程中,产品成本决定一切,用少的投入得到更大的价值才是设计的根本. 试着将该门把手在某些品质出现问题的细节地方进行重新设计,争取在不更换材料,不改变门把手整体结构的情况下,满足力学要求.,结构仿真基础?,结构仿真=有限元结构分析 有限元结构分析基于 “工程力学”+”有限元解算”,结论: 基于NX 平台,学好你的 “工程力学”,结构仿真实例:车顶压跨分析,目
9、的: 决定 1)极限强度 2) 乘客撞击,Avi:,关于结构分析的工程力学知识参看: ,有限元方法简介 有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是：“Finite Element Method”。这种方法最初起源于结构分析，由结构力学的位移法发展而来。 1956年美国航空工程师Turner和Clough为分析飞机结构，将结构力学的矩阵位移法原理推广到弹性力学的平面问题，获得巨大成功，分析结果与实验数据非常吻合。之后Clough又用这种方法处理了一些复杂的平面弹性力学问题并于1960年首次提出“有限单元法”这个名词。 有限元的基本思想就是分片逼近 。,例如：要计算以下定积分,从定积分的
10、定义出发，可以将曲线分成若干小段，用若干矩形面积之和作为近似解，如果在小段内用简单函数逼近曲线，在有限范围内结果精度可以得到显著提高。,37,物理系统举例,几何体 载荷 物理系统,38,有限元模型,真实系统,有限元模型,有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。,定义,39,自由度（DOFs）,自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。,结构 DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,40,节点和单元,节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。,单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维
11、的单元等种类。,有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。,载荷,41,节点和单元 (续),信息是通过单元之间的公共节点传递的。,.,.,.,A,B,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,.,.,.,2 nodes,重点!,42,节点和单元 (续),节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。,J,I,I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,三维杆单元 (铰接),UX, UY, UZ,三维梁单元,二维或轴对称实体单元,UX, UY,三维四边形壳单元,UX, UY, UZ,三维实体热单元,TEMP,J,P,O,M,N,K,J,I,L,
12、三维实体结构单元,ROTX, ROTY, ROTZ,ROTX, ROTY, ROTZ,UX, UY, UZ,UX, UY, UZ,43,节点和单元 (续),每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 尽管梯子的有限元模型低于100个方程（即“自由度”），然而在今天一个小的 ANSYS分析就可能有5000个未知量，矩阵可能有25，000，000个刚度系数。,历史典故 早期 ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYS最早是在1970年发布的，运行在价格为1，000，000的CDC、由Univac和IBM生产的计算机上，它们的处理能力远远落后于今
13、天的PC机。一台奔腾PC机在几分钟内可求解50005000的矩阵系统，而过去则需要几天时间。,结构分析的目的 1、克服传统设计方法的不足。 以往的设计大都是基于经验的，基于经验的设计在以往的产品开发中取得了巨大的成功，但也存在一些不足，一般只能解决行不行的问题，很难解决优不优的问题，并且经验的积累需要时间，有时也不可靠。 比如:直径800mm 和直径1000mm的井盖多厚合适呢? 2、评价设计、优化设计。 尽管为了解决结构优化的问题，也有人提出了一些新的设计理念，解决上述问题的根本手段就是采用合理的、科学的方法对上述性能进行分析。,数值分析与实验分析的比较 分析方法可分为理论计算和实验两大类。
14、 1、基于实验的分析方法 指通过的实验测试获取需要的性能参数的方法。这种方法获取不同的性能参数需要采用不同的测试方法、仪器设备和辅助实验装置。如：强度实验，可以采用电阻应变片及应变仪、光弹涂膜或云纹栅、应变涂料等；扭转与弯曲刚度实验则需要专门的实验台等等。 实验方法的最大优点是结果真实可靠，通常被当作产品最终定型的权威性依据。,实验方法也存在不足： 1）实验一定要在样品或样机试制之后才能进行，成本高、周期长，并且只适合批量生产的产品。 2）可以获得的数据量有限，无法对设计提供更多的指导，更无法进行结构优化。 3）受实验手段的限制，有些参数无法测准。,2、基于理论计算的分析方法 指通过理论分析或
15、数值计算获取所需的性能参数的分析方法，目前在结构领域应用最广泛的就是“有限元方法”，也是我们要重点研究内容，与实验方法相比，理论计算方法的优点是显而易见的： 1）经济、快捷，成本低、周期短。（与实验相比） 2）一次分析可以获得大量的数据。 3）可以与设计同步进行。 4）可以配合优化算法，对设计进行优化。 目前主要的问题是，对于复杂问题分析精度不易控制，分析结果受模型质量影响较大，算法本身也存在一定缺陷。,有限元结构（静力）分析的基本过程 结构分析的有限元模型一般由下列6部分组成： 1、 选择NX几何体 2、 定义材料特性 选择材料。材料特性可以在建模中利用toolsMaterial Prope
16、rties命令预定义，或从强度向导库中选择一种材料。特性被存取并自动的分配给实体。 3、 作用的结构载荷 载荷是作用到组元几何体的各种力、压力、力矩和重力。对一特定类型的几何体，各种类型的载荷作用到的几何体如下:,4、 约束 为了承受载荷，结构的某些部分必须不被移动，或它的运动必须被限制。或者说，所有结构被约束在某些方式中。 几种类型的约束： 固定（Fixed）：被约束区不能在任一方向移动。 滑动的（Sliding）：被约束区沿一平面在任一方向自由滑动，但在正交平面的方向不能移动。 销钉的（Pinned）：被约束区绕一轴自由转动，但在其它方向不能移动。,5、 结构离散化 将结构或零件人为地划分
17、成有限个子域（这些子 被称做单元），假定单元之间通过有限个点相互连接（这些连接点被称做节点），如图1。,离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元(element)，单元又称网格(mesh)，单元之间的连接点称为节点(node)，单元间的相互作用只能通过节点传递。 通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。,离散处理的目的，就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。 可以从数学和力学的两个角度上阐述。 从数学的角度上讲，有限元法的基本思想是通过离散化的手段把微分方程或者变分方程变成代数方程进行求解。
18、从力学的角度上讲，有限元法的基本思想是通过离散化的手段把一个复杂的连续体变成离散的结构进行求解。,某汽车转向机构橡胶减振衬套有限元模型,6、答案 利用云图标绘显示分析结果。这些是专门的3-D彩色标绘，它们清晰地显示应力和位移场的值与形状。,有限元前后处理的概念 1、前处理 用于模型数据准备的软件。通常包含结构几何建模、网格生成、边界条件处理及材料参数生成、编辑与修改等功能。 2、后处理 用于处理、分析和评价分析结果的软件。通常包含物理量分布规律的显示、分析结果的变换处理、各种曲线及图表的生成与绘制等处理功能。,有限元分析的作用,有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要
19、表现在以下几个方面： 1、增加设计功能，减少设计成本； 2、缩短设计和分析的循环周期； 3、增加产品和工程的可靠性； 4、采用优化设计，降低材料的消耗或成本； 5、在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6、模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7、进行机械事故分析，查找事故原因。,专题： 有限元法的优越性,由于有限元法处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现在以下几个方面： 能够分析形状复杂的结构 能够处理复杂的边界条件 能够保证规定的工程精度 能够处理不同类型的材料,CAE与有限单元法的关系,CAE是Computer Aided Engineering的缩写。 计算机辅助工程分析中使用的方法包括有限元分析、边界元法、差分法等等。但有限元法的应用最广泛。这门课中的第一部分主要用的方法也是有限元方法。 有限元法是CAE的主要方法，现已成为CAE的代名词。,
