UGNX11.0有限元分析实战：创建4种工况解算

1.创建解算方案1：SOL101力载荷

1）将【M0901_卡箍_sim1.sim】设为显示部件，解算方案【Solution 1】重命名为【SOL101FORCE】，隐藏所有网格，只显示几何。

2）在【约束类型】下单击【固定约束】按钮，【选择对象】为轴管外侧端面（共2个面），如图9-21所示。单击【对称约束】按钮，约束轴管和卡箍在YZ平面上的对称面（共3个面），如图9-22所示。

图9-21 【固定约束】选择面

图9-22 【对称约束面】选择面

3）在【仿真导航器】窗口中【SOL101_FORCE】节点前出现了警告标识，表示存在约束冲突。右键单击【SOL101_FORCE】节点，选择【解决冲突】选项，弹出【解决冲突管理器】对话框，如图9-23所示。右键单击对话框第一行，选择【应用-Fixed（1）】，单击【关闭】按钮关闭对话框。

图9-23 【解决冲突管理器】对话框

4）单击【对称约束】按钮，【选择对象】为轴管、卡箍和螺栓在XY平面上的对称面（共8个面），单击【确定】按钮。在【仿真导航器】窗口中【SOL101FORCE】节点前出现了警告标识，表示存在约束冲突，右键单击【SOL101FORCE】节点，选择【解决冲突】，弹出【解决冲突管理器】对话框，右键单击对话框第一行，选择【应用-Symmetric（2）】，单击【关闭】按钮关闭对话框。

5）给螺栓施加力载荷。螺杆整个圆形横截面上受到1000N拉力。由于本节案例采用了对称模型，螺栓半圆横截面上受到的拉力应该为500N。

单击【载荷类型】下的【力】按钮，【选择对象】为螺杆半圆横截面，在【幅值】下【力】的参数框内输入【500N】，【指定矢量】为【XC】，单击【确定】按钮完成力的施加。

6）完成载荷和约束的设置后，在【视图】菜单栏中单击【带有淡化边的线框】按钮，模型显示如图9-24所示。

提示

从图中可以看出，对称约束所在的面上都有一个直角坐标系。这些坐标系是NX创建对称约束时自动生成的。在仿真导航器中的CSYS下面，可以找到101和102这两个坐标系。显示所有网格，在【主页】菜单栏单击【节点/单元】按钮，弹出【节点/单元信息】对话框，在【类型】下拉列表框内选择【节点】选项，选择YZ平面上的任意几个节点，勾选【求解器语法预览】复选框，单击【确定】按钮。在弹出的【信息】窗口中，显示了这些节点的ID号、坐标和节点坐标系。CD表示节点坐标系，每个节点的CD字段都是101，说明YZ对称面上所有的节点都赋予了101坐标系。再返回到【仿真导航器】窗口中，右键单击【Symmetric（1）】节点，选择【求解器语法预览】选项，在弹出的【信息】窗口中可以看到C1字段都是345，即约束了DOF3、DOF4、DOF5三个自由度，正如上一节中提到的那样。

图9-24 载荷和约束

7）在【仿真对象类型】下单击【面对面接触】按钮。弹出的【面对面接触】对话框如图9-25所示，选取【类型】下拉列表框内的【自动配对】选项，单击【创建面对】按钮，在弹出的对话框中，框选1/4模型的所几何体，在【距离公差】参数框内输入【0.1mm】，单击【确定】按钮回到【面对面接触】对话框。【静摩擦系数】参数框内输入【0.3】，【最大搜索距离】参数框内输入【0.1mm】。单击【线性替代】后面的【创建建模对象】按钮，弹出图9-26所示的对话框，选取【初始穿透/间隙】下拉列表框内的【设为零】选项，单击后面的【添加】按钮，单击【确定】按钮回到原对话框中，再单击【确定】按钮完成接触设置。

图9-25 【面对面接触】对话框

图9-26 【线性替代】对话框

8）在【仿真导航器】窗口中，【仿真对象】节点下面增加了3个接触对，双击【Face Contact（1）】节点可以查看接触参数。注意使用【自动配对】创建接触时，NX会自动在距离小于【距离公差】的两个面之间建立接触。

9）右键单击【SOL101_FORCE】节点，选择【编辑】选项，在弹出的对话框中，选择左侧的【工况控制】，单击【输出请求】后面的【编辑】按钮，选择【接触结果】，勾选【启用BCRESULTS请求】复选框，单击【确定】按钮完成。

10）右键单击【SOL101FORCE】节点，选择【求解】选项。计算完成后，双击【仿真导航器】窗口中的【结果】，可以查看结果。查看【位移】节点，发现螺栓发生了横向移动，并且穿透了卡箍，如图9-27所示。

图9-27 位移云图

提示

实际中拧紧螺栓时，螺母是固定的，螺栓拧紧后不会有横向移动。为了限制螺栓的横向移动，可以给螺栓增加Y方向的约束，也可以通过修改接触参数来控制接触的切向刚度。这里，选择第二种方式来实现。

11）单击左上角的【回到主页】按钮，返回到仿真界面。在【仿真导航器】窗口中，双击【仿真对象】下面的【Face Contact（1）】（螺栓和卡箍的接触）节点进行编辑。在对话框中，单击【线性替代】后面的【创建建模对象】按钮，选取【初始穿透/间隙】下拉列表框内的【设为零】选项，【法向罚因子】参数框内输入【1】，【切向罚因子】参数框内输入【0.6】，分别添加成功后，单击【确定】按钮完成设置。默认情况下，法向罚因子是切向罚因子的10倍，一般不需要设置。

12）右键单击【SOL101_FORCE】节点，选择【求解】选项重新提交计算，计算完成后查看结果。

2.创建解算方案2：SOL101螺栓预紧力载荷

1）在【仿真导航器】窗口中右键单击【SOL101_FORCE】节点，选择【克隆】选项复制解算方案，并将其重命名为【SOL101_BOLTFOR】。在这个解算方案中，将采用螺栓预紧力载荷。

2）在【约束类型】下单击【对称约束】按钮，【选择对象】为螺杆半圆横截面，单击【确定】按钮。在【仿真导航器】窗口中，【SOL101_BOLTFOR】节点前出现了警告标识，右键单击【SOL101_BOLTFOR】节点，选择【解决冲突】选项，右键单击第一行选择【应用-Symmetric（3）】。返回到【仿真导航器】窗口中，在结构树【载荷】下面，右键单击【Force（1）】，选择【移除】选项。

3）显示所有网格，单击【螺栓预紧力】按钮。在弹出的【螺栓预紧力】对话框中，选取【类型】下拉列表框内的【3D单元上的力】选项，【选择对象】为框选螺杆任一横截面上（对称约束的横截面除外）的所有节点，【方向】为【X轴】，在【力】参数框内输入【500N】，如图9-28所示，单击【确定】按钮。将【仿真导航器】窗口下的结构树全部展开，【SOL101_BOLTFOR】的各个子节点如图9-29所示。

4）右键单击【SOL101_BOLTFOR】节点，选择【求解】选项，计算完成后，可以查看结果。

图9-28 设置螺栓预紧力

图9-29 展开结构树

3.创建解算方案3：SOL601力载荷(www.xing528.com)

1）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【M0901_卡箍_sim1.sim】节点，选择【新建解算方案】选项。

2）在弹出的【解算方案】对话框中，选取【解算方案类型】下拉列表框内的【SOL601，106高级非线性静态】选项，将【名称】后的【Solution 1】重命名为【SOL601_FORCE】，单击【确定】按钮。

提示

在非线性分析中，载荷需要逐步加载，这里采用ATS（Automatic Time Stepping）自动时间步，并设置载荷随时间变化的历程。注意静态分析中的时间并不是实际的时间，只是用于对载荷步进行分解，作为计数的参考量。

3）在【仿真导航器】窗口中，展开【SOL101_FORCE】节点下面的【约束】，将这些约束拖放到【SOL601_FORCE】节点下面的【约束】中，将【SOL101_FORCE】节点下的【仿真对象】中的所有接触，拖放到【SOL601_FORCE】的【仿真对象】中。

提示

拖放时，按住鼠标左键不放，移动光标至目标位置，然后松开。拖放操作能够方便在不同的解算方案之间，共用相同的约束、载荷和仿真对象。这是NX非常实用的一个功能。

4）在【SOL601_FORCE】的【仿真对象】节点下，双击【Face Contact（3）】（小轴管部分与卡箍的接触）节点，弹出【Face Contact（3）】对话框。在对话框中，单击【高级非线性】后面的【创建建模对象】按钮，弹出对话框，选取【初始穿透】下拉列表框内的【已忽略】选项，单击【确定】按钮。双击【Face Contact（2）】（大轴管部分与卡箍的接触）节点，选取【高级非线性】下拉列表框内的【Contact Parameters-Advanced NonlinearPair1】选项，单击【确定】按钮。双击【FaceContact（1）】（螺栓和卡箍的接触）节点，单击【高级非线性】后面的【创建建模对象】按钮，弹出的对话框中，选取【初始穿透】下拉列表框内的【已忽略】选项，选取【位移公式】下拉列表框内的【小位移】选项，单击【确定】按钮。以上设置用于在高级非线性解算方案中忽略初始穿透，同时将螺栓和卡箍的接触设为“小位移”接触，避免螺栓横向滑动。

提示

接触是自动搜索匹配出来的，如果选择不同的1/4模型，则操作创建出来的接触对顺序可能不一样。

5）在【载荷类型】下选择【力】选项，弹出图9-30所示的【力】对话框，【选择对象】为螺杆半圆横截面，单击【力】后面的按钮，选择【新建场】后面的【表】选项，在弹出的【表格场】对话框中，选取【域】下拉列表框内的【时间】；在【数据点】下方的文本框中，输入【0，0】，按<Enter>键，再输入【1，500】，按<Enter>键，单击【确定】按钮回到【力】对话框。在【方向】下的【指定矢量】下拉列表框内选择【XC】，单击【确定】按钮完成力的施加。这里设置了力随时间变化的历程，0～1s的时间内，力从0增大到500N。仿真导航器的结构树全部展开后如图9-31所示。

图9-30 设置载荷历程

图9-31 展开结构树

6）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【SOL601FORCE】节点选择【编辑】选项。选择对话框左侧的【工况控制】选项，确认【输出请求】中的【接触结果】复选框已经勾选，单击【时间步间隔】后面的按钮，弹出【建模对象管理器】对话框，如图9-32所示。单击【创建】按钮，在【时间增量】参数框内输入【0.1】，其他保持不变，这里的【时间步数】为【10】，【时间增量】为【0.1】，则TimeStep总时间为10×0.1=1s，与力载荷的总时间1s^一致，如图9-33所示。

7）单击【确定】按钮，回到前一步骤的对话框。单击【列表】右下方的【添加】按钮，将TimeStep1添加进来，单击【关闭】按钮。返回到【工况控制】设置界面，单击【策略参数】后面的【创建建模对象】按钮，弹出对话框，选择对话框左侧【分析控制】选项，选取【自动增量】下拉列表框内的【ATS】选项，再选择对话框左侧的【平衡】选项，在【每个时间步的最大迭代次数】参数框内输入【30】，单击【确定】按钮。返回到【工况控制】设置界面，选择对话框左侧的【参数】选项，勾选【大位移】复选框，单击【确定】按钮完成编辑。

图9-32 【建模对象管理器】对话框

图9-33 【TimeStep1】对话框

8）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【SOL601_FORCE】节点选择【编辑求解器参数】选项，弹出【求解器参数】对话框。在【并行】参数框内输入【2】，单击【确定】按钮。表示计算时采用2核并行计算，加快计算效率。

9）右键单击【SOL601_FORCE】节点，选择【求解】选项。非线性计算过程中，可以查看迭代收敛曲线。在【解算监视器】对话框下，选择【非线性历史记录】选项卡，如图9-34所示，ΔT表示每个载荷步的时间步长，ΔN表示每个载荷步的迭代次数。采用ATS算法求解时，如果某一个载荷步ΔN达到【每个时间步的最大迭代次数】（前面设置的30）还未收敛，NX会自动减小时间步长，重新进行迭代计算直到收敛。实际应用中，可以根据需要来设置【每个时间步的最大迭代次数】。选择【载荷步收敛】选项卡，如图9-35所示，曲线显示了迭代过程中残差的变化，当残差小于收敛准则设置的容差时，达到收敛。

图9-34 非线性历史记录

图9-35 载荷步收敛

计算完成后，可查看结果，与前面解算方案结果进行对比。

4.创建解算方案4：SOL601螺栓预紧力载荷

1）右键单击【SOL601_FORCE】节点，选择【克隆】选项，并将新的解算方案重命名为【SOL601_BOLTFOR】。在这个解算方案中，将采用非线性的螺栓预紧力载荷。

2）在【仿真导航器】窗口中，将【SOL101_BOLTFOR】中【约束】节点下的【Symmetric（3）】拖放到【SOL601_BOLTFOR】的【约束】中，在【载荷】节点下，右键单击【Force（1）】，选择【移除】选项。

3）隐藏几何体，只显示螺栓的网格，单击【载荷类型】下的【螺栓预紧力】按钮，选取【类型】下拉列表框内的【3D单元上的力】选项，【模型对象】下的【选择对象】为螺栓的所有网格（框选螺栓），【螺栓平面】下的【选择对象】为螺杆任一横截面上（对称约束的横截面除外）的一个节点，选取【方向】下拉列表框内的【X轴】，在【力】参数框内输入【500N】，如图9-36所示，单击【确定】按钮。螺栓预紧力在所有载荷之前进行计算，不需要设置时间历程。

4）在【仿真导航器】窗口中，右键单击【SOL601_BOLTFOR】节点选择【编辑】选项。【解算方案】对话框中，【工况控制】和【参数】继承了【SOL601_FORCE】中的所有设置，由于螺栓预紧力不需要设置时间历程，而且模型中不包含其他载荷，可以不设置时间步。选择对话框左侧的【工况控制】选项，单击【时间步间隔】后面的按钮，选择对话框下部【列表】中的【TimeStep1】，单击【删除】按钮移除时间步，单击【关闭】按钮。回到【解算方案】对话框中，单击【策略参数】选项后面的【编辑】按钮，选择对话框左侧的【其他】选项，在【螺栓预载步数】参数框内输入【5】，单击【确定】按钮，将螺栓预紧力分成5个增量步进行计算。单击【确定】按钮，关闭【解算方案】对话框。

5）【仿真导航器】窗口中的结构树全部展开应该如图9-37所示。提交求解，计算完成后，可以查看结果。

图9-36 SOL601中设置螺栓预紧力

图9-37 展开结构树

这一节完成了4种不同的解算方案，每个方案的设置见表9-1。下一节将对不同解算方案的求解结果进行对比。

表9-1 不同解算方案的设置