UGNX8.5有限元分析入门及实例精讲-基础知识简介

有限元分析的实质是通过网格划分的方式，将一个连续的几何体离散成由有限个单元组成的集合体，各个单元之间通过节点方式连接成为一个整体。其操作流程可分为前处理、后台解算和后处理三大过程。

UG NX有限元分析（也称为高级仿真，NX Advanced Simulation）具有工程需要的线性静力学、屈曲响应、非线性、动力学、热分析、疲劳分析和优化分析等众多功能。作为成熟的CAD/CAE一体化软件，其主要特点如下。

（1）仿真文件组成和数据结构

在创建一个有限元分析流程中，会使用到四个独立的而又关联的文件来存储相关信息，不同的数据存储在不同类型的文件中，如图1-1所示。这四个模型文件的名称及内容如下。

1）主模型部件（命名为：***.prt）：可以是零件prt模型或者装配prt模型，也可以是参数化prt模型或者非参数化prt模型。

2）理想化部件（命名为：***_i.prt）：是待分析部件的一个相关复制文件，可以对其进行编辑和简化，便于提高分析质量和计算效率。

3）有限元模型（命名为：***_fem#.fem）：包含对分析模型材料属性的定义、网格类型的定义和单元类型及大小的定义。

4）仿真模型（命名为：***_sim#.sim）：包含对仿真对象类型的定义、约束条件和载荷的定义，也包括对解算方案和求解步数等的定义。

对于仿真文件和数据结构，需要说明以下几点：

1）对于给定的部件模型（.prt）或者理想化模型（i.prt），可以创建多个有限元分析模型（.fem），一个有限元分析模型可以创建多个仿真分析模型（.sim），满足多个解算方案、不同边界条件分析和结果比较的实际需要。

图1-1 仿真文件和数据结构示意图

a）主模型 b）理想化模型 c）有限元模型 d）仿真模型

2）上述四个数据文件之间具有从属和关联的关系，实际操作过程中，可以分别对其进行激活和编辑，完成后相应数据自动更新。

（2）仿真分析的工作流程

UG NX提供了自动式和显式两种工作流程方式，如表1-1所示。

表1-1 自动式和显式两种工作流程的比较

对于高级仿真的工作流程，需要说明以下两点：

1）推荐使用显式工作流程，在网格划分之前，依次进行几何体材料定义、网格物理属性定义和创建网格收集器；在创建边界条件和求解之前，指定网格单元参数到网格收集器的数据中，将使得整个操作过程显得完整和清晰。

2）在一般的工程实际应用中，有限元分析的目标是使分析对象能够满足性能要求（包括刚度、强度、屈曲稳定性、固有频率和振型等性能指标），所以要对解算后的结果进行进一步的评估和反馈，进而对设计CAD模型进行改进和完善，再次进行计算，直到计算的最终结果得到保证，最后输出分析报告。

（3）有限元分析导航器及其作用

UG NX高级仿真的导航器是一个图形化、交互式的分级树状形式，用来显示仿真文件和解算结果的结构关系、节点内容及其是否处于激活状态，以便查看结果和评估操作。UG有限元分析导航器包括【仿真导航器】窗口（前处理）和【后处理导航器】窗口，其中【仿真导航器】窗口分级树及其主要节点如图1-2所示。(www.xing528.com)

图1-2 【仿真导航器】窗口分级树及其主要节点

（4）有限元分析结果评价的常见方法

以线性静力学分析为例，其解算后的结果包括变形位移、应力、应变和反作用力等项目及其相应的数值，而最为常用、需要评价的是变形位移和应力两个指标。

1）变形位移

分析模型在工况条件下，其受到边界约束和施加载荷后引起的最大变形位移，不能超过设计要求的允许值，判断式简化为：

δ_max＜δ₀ （1-1）

其中：

δ_max为有限元解算后的变形位移最大值，它可以是某个矢量方向上的最大位移，也可以是综合的幅值大小；

δ₀为产品根据刚度的基本需求和精度要求，参考经验、试验和等同对比等方法确定的一个数值，一般来说，该数值是经得起工程实际考验的。

2）应力

分析模型在工况条件下，其受到边界约束和施加载荷后的最大应力响应值，不能超过材料自身的许用应力值，判断式简化为：

σ_max＜σ₀ （1-2）

其中：

σ_max为有限元解算后的最大应力值，一般采用最大主应力或者最大冯氏（VonMises）应力作为评判指标；

σ₀为材料的许用应力值。

根据产品强度的基本需求，再考虑一个安全系数n，σ₀的值确定如下：

σ₀=σ_s/n （1-3）

其中：

σ_s为零件材料的屈服强度（塑形材料）或者抗拉极限强度（脆性材料），通过查询软件自带的材料库或者设计手册提供的物理性能参数确定；

n为产品（产品的零件或者部件）设计时兼顾可靠性和经济性而制定的一个数值，一般为1.5～2。不同的产品类型和行业背景，n取值有所区别。