冲头模型操作步骤详解

打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch01_Stamping parts\Stamping parts.part，调出图1-3所示的冲头三维实体主模型。本实例通过线弹性静力学【SOL 101 Linear Statics-Global Constraints】解算器计算出模型的最大位移、最大应力值。在此基础上结合设计规范，校核其实际的安全系数是否足够。

（1）创建有限元模型的解算方案

1）依次单击主菜单中的【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口分级树中，右击【Stamping parts.prt】节点，如图1-4所示弹出的菜单中选择【新建FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，如图1-5所示，按默认名称路径保存，单击【确定】按钮。

图1-4 仿真导航器节点

图1-5 【新建部件文件】对话框

2）弹出【新建FEM】对话框，保留所有选项默认设置，如图1-6所示，单击【确定】按钮。注意在【仿真导航器】窗口的分级树中，新增了相关节点数据，注意各个节点的名称、内容和相互之间的从属关系，如图1-7所示。

图1-6 【新建FEM】对话框

图1-7 【仿真导航器】窗口节点

（2）创建有限元模型

1）自定义材料：单击工具栏中的【指派材料】按钮，弹出【指派材料】对话框，如图1-8所示。在图形窗口中选中冲头模型作为【选择体】，单击【指派材料】对话框【新建材料】选项下【创建】右侧的按钮，弹出图1-9所示的【各向同性材料】对话框，在【名称-描述】中输入【Cr12MoV】，在【质量密度（RHO）】中输入【7.85e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，在【力学】选项卡的【杨氏模量（E）】中输入【218000】，【单位】选择【N/mm^2（MPa）】，在【泊松比（NU）】中输入【0.28】，单击两次【确定】按钮，完成自定义冲头材料的操作。

图1-8 【指派材料】对话框

图1-9 【各向同性材料】对话框

提示

UG NX高级仿真提供了以下3种定义材料的方法：一是直接从库材料调用现有的材料。二是临时保存自定义材料：当库材料中没有需要的材料时，可以新建材料，自动存储在本地材料库中，但是，当重新启动UG NX时将自动消失（本实例采用该方法）。三是永久保存自定义材料：当材料库中没有需要的材料时，可以自定义一种新材料，保存在UG NX的源文件中，在下一次启动时，将保留在材料库中。

2）单击工具栏中的【物理属性】按钮，弹出【物理属性表管理器】对话框，如图1-10所示【类型】默认为【PSOLID】，【名称】默认为【PSOLID1】，【标签】默认为【1】，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框，如图1-11所示。在【材料】选项中选取上述操作设置的【Cr12MoV】子项，单击【确定】按钮，返回到图1-10所示的【物理属性表管理器】对话框，单击【关闭】按钮。

3）单击工具栏中的【网格收集器】按钮（俗称为网格属性定义），弹出【网格收集器】对话框，如图1-12所示。保留【单元拓扑结构】各个选项的默认设置，【物理属性】下的类型默认为【PSOLID】，在【实体属性】下拉列表框中选取设置的【PSOLID1】，网格【名称】默认为【Solid（1）】，单击【确定】按钮，创建好冲头模型的网格收集器。

图1-10 【物理属性表管理器】对话框

图1-11 【PSOLID】对话框

为了提高冲头刃口受载后变形和应力的计算精度，采用细化网格的方式，对冲头刃口进行网格细化的操作，详细步骤如下。

4）单击菜单栏中的【插入】按钮，在弹出下拉菜单中选择【网格】命令，将光标移动到左侧的小三角形符号上，单击【网格控件】按钮，弹出图1-13所示的【网格控件】对话框，【密度类型】选择【边上的大小】，在【选择】中选取冲头反面四周刃口16条边界线作为【选择目标】。在进行选取对象操作时，宜借助过滤器进行选择图形窗口中的几何对象。

5）在【类型过滤器】中切换为【多边形边】，【方法过滤器】中选择【切向连续边】，如图1-14所示。选取冲头刀刃的任意一条圆角边，即可选取相切的7条边。同样，选取相对应的另一条圆角边界线及2条宽边共16条边界线。在【边上的大小】选项下的【单元大小】文本框中，手动输入【1】，单位为【mm】，单击【确定】按钮，即完成对冲头模型刀刃边的网格控制（俗称布种子）。仿真导航器新增相关节点如图1-15所示。

图1-12 【网格收集器】对话框

图1-13 【网格控件】对话框

图1-14 【类型过滤器】及【方法过滤器】示意图

图1-15 仿真导航器新增节点

提示

对象选择过滤器分为【类型过滤器】及【方法过滤器】，这是为方便选择不同的对象而设置的，十分人性化。

6）单击工具栏中的【3D四面体网格】按钮，弹出【3D四面体网格】对话框，在图形窗口中单击冲头模型，单元类型默认为【CTETRA（10）】，单击【单元大小】右侧的【自动单元大小】按钮，在【单元大小】的文本框内已自动显示【4.3】，考虑到冲头模型形状比较复杂，将该数值修改为【4】。取消勾选【目标收集器】下面的【自动创建】复选框，使得【网格收集器】右侧选项默认为上述操作生成的【Solid（1）】，勾选【网格设置】中的【自动修复有故障的单元】复选框，其他参数均为默认设置，如图1-16所示，单击【应用】按钮，完成冲头模型划分网格的操作。冲头模型网格划分后的效果如图1-17所示，同时出现了黄色的边密度符号。划分后的网格大小明显不一样，靠近冲头刀刃周边的网格相对较密，其他网格相对较疏，说明局部细化网格成功。

图1-16 【3D四面体网格】对话框

图1-17 网格划分后示意图

提示：

细化网格的操作方法有两种：第一种（上文介绍的方法）是先局部布好种子大小，再进行3D四面体网格划分，第二种是先进行3D四面体网格划分，再进行局部网格细化。

（3）分析单元质量

1）单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，选定冲头模型网格作为【要检查的单元】，在【常规几何检查】选项卡和【系统检查】中保留默认的检查项目和参数值，在【输出设置】选项中依次打开其两个子项【输出组单元】与【报告】中的选项，选择【失败】，将划分失败的网格以显示和报告的形式输出，如图1-18所示，单击【检查单元】按钮。

图1-18 定义单元质量检查选项

2）弹出【信息】对话框，提示【0个失败单元，0个警告单元】，在图形窗口的模型中也没有出现警示符号，说明该冲头模型的网格划分质量很好，无须再细化，关闭【信息】对话框。注意：也可以设置在提示栏中出现【0个失败单元，0个警告单元】的简单信息。

3）单击工具栏中的【保存】按钮，将上述成功的数据文件和操作结果保存下来。

（4）创建仿真模型

1）在【仿真导航器】窗口的分级树，右击【Stamping parts_fem1.fem】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建仿真】命令，弹出【新建部件文件】对话框，将【名称】修改为【Stamping parts_sim1.sim】，选择本实例高级仿真相关数据存放的文件夹，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，如图1-19所示，保留所有选项的默认设置，单击【确定】按钮。

2）弹出【解算方案】对话框，如图1-20所示，【名称】默认为【Solution 1】，【解算方案类型】默认为【SOL 101 Linear Statics-Global Constraints】，单击【确定】按钮，完成冲头模型的结构线性静力学解算方案的建立。

图1-19 【新建仿真】对话框

图1-20 【解算方案】对话框

3）施加边界约束。冲头模型只在刀刃边界线的法向方向运动，故将冲头模型刀刃运动到某一位置的状态作为考察对象，将冲头模型连接安装面设为固定约束。在工具栏中选择【约束类型】→【固定约束】命令，弹出【固定约束】对话框，如图1-21所示，【名称】默认为【Fixed（1）】，选择冲头模型连接面作为约束对象，单击【确定】按钮，即可添加固定约束。

4）在【仿真导航器】窗口分级树中，【约束容器】节点上新增【Fixed（1）】子节点，如图1-22所示。右击，从弹出的快捷菜单中选择【编辑显示】命令，弹出【边界条件显示】对话框，【显示模式】选择【折叠】，【比例】调大，单击【显示参数】下的【颜色】选项并选择红色，如图1-23所示。单击【确定】按钮，即可观察到仿真模型上约束符号变得简洁并变为红色，便于在约束复杂的情况下观察与操作。

图1-21 【固定约束】对话框

图1-22 新增约束载荷节点

5）施加载荷。单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的小三角形，选择其中的【力】命令，【类型】默认为【幅值和方向】，【名称】默认为【Force（1）】，在【模型对象】中选择16条刀刃边（参考【局部细化网格】中选择方法选择16条边），在【幅值】中选择【表达式】输入方式，输入【15000】，单位选择【N】，在【方向】中单击【自动判断的矢量】按钮右侧的下拉按钮，选择【-ZC】，单击【应用】按钮，完成对冲头四周刀刃施加力载荷的操作，如图1-24所示。

图1-23 【边界条件显示】对话框

图1-24 【力】对话框

（5）求解仿真模型

1）在仿真窗口中右击【Solution 1】节点，从弹出的快捷菜单中【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，出现多个信息窗口，待图1-25所示的【分析作业监视器】对话框的列表框中出现【……solution_1完成】提示信息，即可关闭信息窗口。

2）双击【仿真导航器】窗口分级树中出现的【结果】节点，即可进入【后处理导航器】窗口的分级树，在分析环境中进行各个解算结果的查看和判断，如图1-26所示。

图1-25 【分析作业监视器】对话框

图1-26 后处理结果节点(www.xing528.com)

（6）后处理，结果查看

1）切换到【后处理导航器】窗口，在分级树中展开【Solution 1】→【位移-节点的】→【Z】节点，双击【Z】节点，可以查看冲头零件在Z矢量方向发生变形的位移大小，得到零件各个区域的位移变形云图，如图1-27所示。从云图可以看出，其最大位移值为（6.526E-003）mm（此为科学记数法，相当于0.006526mm，注意：数值为正代表受拉状态，数值为负代表受压状态）。

图1-27 Z向位移云图

2）双击【幅值】节点，可以查看冲头整体模型的位移变形大小，其最大位移值为0.0175mm，如图1-28所示；展开【应力-单元节点的】，选择【Von Mises】可以查看冲头Von Mises应力的分布情况，如图1-29所示；其最大Von Mises应力值为690.44MPa，可以通过动画功能观看其变形过程，在窗口菜单上单击【播放】按钮，来查看模型应力的动态变化。

图1-28 幅值位移云图

图1-29 Von Mises云图

提示：

对弹塑性金属材料结构进行强度分析时，常采用VonMises屈服准则来判定结构是否处于屈服失效状态。Von Mises Stress是一种等效应力，用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可以清晰地描述一种结果在整个模型中的变化和分布，从而使分析人员可以快速确定模型中的最危险区域。

3）双击【后处理导航器】下【应力-单元节点的】的【最大主应力】子节点，展开【云图绘图】下的【Post View1】，打开【注释】并勾选下面的【Minimum】及【Maximum】复选框，即可显示出模型上最大主应力及最小主应力的大小及所在的部位。单击工具栏上的【拖动注释】按钮，即可拖动最大值及最小值方框，如图1-30所示。

图1-30 最大/最小主应力云图

提示

后处理中，应力计算结果有两种显示方式，包括图1-26所示的【应力-单元的】（评判对象是单元）和【应力-单元节点的】（评判对象是单元上的节点，但各个节点的数值有细微的差距）。一般来说，单元尺寸比较小时，这两种方式的精度相差不大；单元尺寸比较大时，更适合采用【应力-单元节点的】，同时，若进一步对各个节点的数值进行平均化，显示的数值会更加接近实际情况。

4）在工具栏上单击【新建注释】图标，弹出图1-31所示的【注释】对话框，保留其【方法】的默认设置，单击对话框下【显示】的【注释类型】，选择【带指引线的方框】，即可在图形窗口显示任意一个单元上节点的应力值大小。

5）在窗口上选择【后处理视图】命令，可以对后处理中的【显示】、【图例】、【文本】等选项进行相关参数的编辑。单击【后处理视图】对话框中【显示】选项卡中的【结果】按钮，弹出图1-32所示的【变形】对话框，修改【比例】数值，单击【应用】按钮，可观看模型变形状态被放大或者缩小的情况。

6）勾选图1-33中所示的【显示未变形的模型】复选框，在图形窗口中同时出现了变形模型和未变形模型，可以单击【播放】按钮，更加清晰地查看模型发生变形的动态情况。

7）在窗口菜单上选择【标识】命令，或者右击【PostView1】并从弹出的快捷菜单中选择此命令，弹出【标识】对话框，如图1-34所示。单击【拾取】选项的【特征边】，在窗口中选中图形的某条边缘曲线，在【标识】对话框的【选择】文本框中即可显示【最小】（Min）、【最大】（Max）、【总和】（Sum）及【平均值】（Avg）等指标值，单击【关闭】按钮，退出标识功能的操作。

图1-31 【注释】对话框

图1-32 【变形】对话框

图1-33 【后处理视图】对话框

图1-34 【标识】对话框

8）右击【后处理导航器】中的【Post View1】，从弹出的快捷菜单中选择【新建路径】命令，弹出图1-35所示的【路径】对话框。在【拾取】中选择【边缘上的节点】选项，选取图1-36所示的边缘线，如果想切换边缘的起点，可以单击【反向】按钮，再单击【应用】按钮；单击【取消】按钮，退出该对话框，在【后处理导航器】窗口分级树中的【So-lution1】节点下面出现了【Path】及其子节点【path1】。

图1-35 【路径】对话框

图1-36 拾取特征边缘曲线

9）右击【Post View1】，从弹出的快捷菜单中选择【新建图表】命令，弹出图1-37所示的【图表】对话框。默认所有选项，单击【确定】按钮，弹出图1-38所示的路径与最大主应力相对应的曲线。如果创建多个特征边缘曲线路径，这些图表可以叠加在一起。

图1-37 【图表】对话框

图1-38 特征边缘的路径图表

10）后处理的其他显示模式。

a）依次展开【后处理导航器】窗口分级树中的【Solution1】→【位移-节点的】节点，双击【Z】子节点，在工具栏中单击【编辑后处理视图】按钮，弹出【后处理视图】对话框，如图1-39所示。在【颜色显示】下拉列表框中选择【条纹】选项，单击【确定】按钮后的显示效果如图1-40所示。

b）在【颜色显示】下拉列表框中选取【等值线】选项，显示的效果如图1-41所示；也可以在【颜色显示】下拉列表框中选取【球体】选项，显示相应的效果。

c）在【颜色显示】下拉列表框中切换回【光顺】选项卡，单击【后处理视图】对话框中的【边和面】选项卡，在【主显示】的【边】下拉列表框中选取【特征】选项，单击【确定】按钮，即可在图形窗口显示模型的特征位移云图，其效果如图1-42所示。

图1-39 【后处理视图】对话框

图1-40 【条纹】显示模式

图1-41 【等值线】显示模式

图1-42 【特征】显示模式

d）双击【后处理导航器】窗口分级树中【应力-单元节点的】的【Von Mises】子节点，右击【Post View1】节点，从弹出的快捷菜单中选择【编辑】命令，弹出【后处理视图】对话框。单击【显示】选项卡中【颜色显示】右侧的【结果】按钮，弹出【平滑绘图】对话框，保留其他显示参数的默认设置，在【Nodal Combination】右侧的下拉列表框中，将【None】修改为【Average】（平均值），对话框变为图1-43所示。保留【Average】下面的属性参数的默认设置，单击【确定】按钮返回【后处理视图】对话框，此时在图形窗口中显示的应力云图发生了变化，显示值为模型上各个节点的平均值。

限于篇幅，其他结果项目和显式方式在此不再赘述。

11）可信度分析。

图1-43 【平滑绘图】对话框

求解前，激活“应变”输出，操作步骤如下：右击【仿真导航器】下【Solution1】节点，从弹出快捷菜单中选择【解算方案】对话框，选择【工况控制】选项卡下子目录【输出请求】右侧的【编辑】命令，弹出【输出请求】对话框，在【属性】下勾选【应变】前面的【启用STRAIN请求】复选框，连续两次单击【确定】按钮，完成输出【应变】设置。

待求解分析结束后，单击图1-25所示【分析作业监视器】对话框下的【检查分析质量】按钮，软件自动分析求解结果的质量，并弹出【消息】对话框提示相应的检测分析质量，如图1-44所示。显示求解分析质量的可信度为90.724%，即解算结果的错误率控制在10%以内，符合要求，单击【确定】按钮并关闭【分析作业监视器】对话框。

图1-44 可信度分析结果信息提示框

提示

可信度分析只能为2D三角形和四边形单元、3D四面体单元计算可信度。

12）生成分析报告。

在工具栏中选择【创建报告】命令，在【仿真导航器】窗口的分级树中新增了【报告】节点。展开此节点，可观察到图1-45所示的各项子节点，根据需要可以编辑和增加各个节点的文本或者图像等内容。完成报告内容后，右击【报告】节点并从弹出的快捷菜单中选择【导出】命令，即可生成HTML格式的仿真报告。

提示

UG NX高级仿真自带“创建报告”功能，其格式和内容不太符合企业要求，所以，在具体做企业工程项目分析报告时，往往要根据分析要求、分析对象、分析步骤、分析指标及其评价方法、分析总结等内容的具体要求，自制报告模板，并填写相应的内容。

13）返回到建模模块的操作过程。

a）单击工具栏中的【返回到模型】按钮，退出【后处理导航器】窗口的显示模式，单击资源条上的【仿真导航器】按钮，切换到【仿真导航器】窗口。

b）在【仿真导航器】窗口的分级树中，双击图1-46所示的【Stamping parts.prt】节点，单击工具栏中的【开始】按钮，切换到【建模】模块环境。

图1-45 报告各个节点

图1-46 返回建模模块的操作

上述实例模型源文件和相应的输出结果请参考随书光盘Book_CD\Part\Part_CAE_finish\Ch01_Stampingparts文件夹中的相关文件，操作过程的演示请参考视频文件Book_CD\AVI\Ch01_Stamping.AVI。

14）计算结果分析和评价。

本实例着重分析冲头模型受到冲击载荷的安全系数是否合理。经过上述的分析可知，该模型受到的最大Von Mises应力值为690.44MPa，该材料的屈服强度为750MPa，可见实际的安全系数为1.09，小于模具规范设计要求安全系数值（1.5以上），所以，后续应改进模型结构，提高强度值，或者减少该模型的工作载荷。