UGNX8.5有限元分析入门与实例精讲：操作步骤

时间：2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：8）双击图1-53所示的节点，单击工具栏中的按钮，弹出对话框，按路径Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch01_Gears选取从动齿轮模型，单击按钮。这样完成了主动齿轮1和从动齿轮2的网格划分操作，为了便于调整两者的相对位置，下面利用FEM装配模型功能来满足仿真分析的具体要求。注意在窗口分级树中各个节点的变化情况，其中成为的子节点，如图1-59所示。4）再次右击节点，从弹出的快捷菜单中选择命令，弹出对话框，在下拉列表框中选择，同时出现有齿轮2模型的小窗口。

（1）建立齿轮副组件FEM模型

1）在三维建模环境下打开光盘文件夹：Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch01_Gears，调出主动齿轮模型，其名称为【gear1】。

2）依次单击【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口中右击【Gear1.prt】节点并从弹出的快捷菜单中选择【新建FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，在【新文件名】下面的【名称】选项中将【fem1.fem】修改为【Gear1_fem1.fem】，通过单击按钮，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。

3）弹出【新建FEM】对话框，保留【求解器】和【分析类型】中选项的默认设置，单击【确定】按钮，即可进入创建有限元模型的环境。

4）单击工具栏中的【材料属性】按钮，弹出【指定材料】对话框，在图形窗口中选中齿轮1模型，单击【新建材料】下的【创建】按钮，弹出图1-48所示的【各向同性材料】对话框，在【名称-描述】中输入【20CrMoH】，在【质量密度（RHO）】中输入【7.48e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，在【力学】选择卡的【杨氏模量（E）】中输入【210000】，【单位】选择【N/mm^2（MPa）】，在【泊松比（NU）】中输入【0.278】，单击两次【确定】按钮，完成齿轮1材料的设置。

5）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，【创建】3个子选项【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1-49所示。在【材料】下拉列表框中选取【20CrMoH】子项，其他参数均为默认值，单击【确定】按钮，返回【物理属性表管理器】对话框。

图1-48 【各向同性材料】对话框

图1-49 【PSOLID】对话框

6）单击工具栏中的【网格收集器】按钮，弹出【网格收集器】对话框，保留【单元拓扑结构】中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】下拉列表框中选取上述设置的【PSOLID1】，网格【名称】默认为【Solid（1）】，如图1-50所示，单击【确定】按钮。

7）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，如图1-51所示。在图形窗口中单击齿轮1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】的文本框内自动输入【2】，取消勾选【目标收集器】下面的【自动创建】复选框，在【网格收集器】右侧的选项切换为上述操作定义的【Solid（1）】，其他参数保留默认设置，单击【确定】按钮，即可完成齿轮1模型的网格划分操作，网格划分后的效果如图1-52所示。同时，在【仿真导航器】窗口的分级树中，新增了齿轮1有限元模型的网格划分的节点情况，如图1-53所示。

8）双击图1-53所示的【gear1.prt】节点，单击工具栏中的【打开】按钮，弹出【打开】对话框，按路径Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch01_Gears选取从动齿轮模型【gear2】，单击【确定】按钮。

图1-50 【网格收集器】对话框

图1-51 【3D四面体网格】对话框

图1-52 齿轮1网格划分后效果图

图1-53 齿轮1新增节点示意图

后面的操作方法与主动齿轮1的操作方法一样，限于篇幅，这里不再赘述，请读者自行完成gear2材料定义和网格划分的操作。其中，网格划分后从动齿轮2的效果图及相关新增节点分别如图1-54和图1-55所示。

这样完成了主动齿轮1和从动齿轮2的网格划分操作，为了便于调整两者的相对位置，下面利用FEM装配模型功能来满足仿真分析的具体要求。

（2）建立FEM装配模型

1）双击图1-55中的【gear2.prt】节点，返回至高级仿真的初始界面，单击工具栏中的【新建】按钮，弹出【新建】对话框，将类型切换为【模型】，在【名称】中输入【Gears.prt】，单击【确定】按钮。单击【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口中右击【Gears.prt】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建装配FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，【名称】默认为【Gears_assyfem1.afm】（注意其后缀名和建立单个FEM模型有所区别），单击【确定】按钮。

图1-54 齿轮2网格划分后效果图

图1-55 齿轮2新增节点示意图

2）弹出【新建装配FEM】对话框，保留所有选项的默认设置，如图1-56所示，单击【确定】按钮。

3）在【仿真导航器】窗口中右击【Gears_assyfem1.afm】节点，从弹出的快捷菜单中选择【加入已存的组件】命令，如图1-57所示，弹出【添加组件】对话框。在【已加载的部件】列表框中选择【gear1_fem1.fem】，如图1-58所示。同时出现有主动齿轮1模型的小窗口，默认【定位】选项为【绝对原点】，其他参数均保留默认设置，单击【确定】按钮，即可将主动齿轮1的FEM模型放置在主窗口。注意在【仿真导航器】窗口分级树中各个节点的变化情况，其中【gear1_fem1.fem】成为【Gears_assyfem1.afm】的子节点，如图1-59所示。

图1-56 【新建装配FEM】对话框

图1-57 加入已存的组件示意图

图1-58 【添加组件】对话框

图1-59 仿真导航器新增节点

提示

和prt装配建模一样，装配中的基座、底座等大模型或者主要模型一般放置在固定的位置，后续添加的组件FEM模型以移动（包括旋转）等定位方式进行装配。

4）再次右击【Gears_assyfem1.afm】节点，从弹出的快捷菜单中选择【加入已存的组件】命令，弹出【添加组件】对话框，在【已加载的部件】下拉列表框中选择【gear2_fem1.fem】，同时出现有齿轮2模型的小窗口。在【定位】选项中切换为【移动】选项，单击【确定】按钮，弹出【点】对话框，保留所有参数默认设置，单击【确定】按钮，同时出现【移动组件】对话框，如图1-60所示。通过移动和旋转等动态操作方法，将齿轮组装配成啮合状态，为后续装配提供接触条件，如图1-61所示，单击【确定】按钮，即完成齿轮副FEM模型的装配。

图1-60 【移动组件】对话框

图1-61 移动组件实现FEM装配

5）右击【Gears_assyfem1.afm】节点，从弹出的快捷菜单中选择【装配标签管理器】命令，弹出【装配标签管理器】对话框，如图1-62所示。单击【装配标签管理器】对话框下【自动解析】右侧的按钮，可看到【标签】栏【节点】下【gear1_fem1】及【gear2_fem1】右侧状态列的符号变为符号，单击【确定】按钮，完成装配标签管理的操作。

（3）建立仿真模型

1）在【仿真导航器】窗口右单击【Gears_assyfem1.afm】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，【新文件名】的【名称】默认为【Gears_assyfem1_sim1.sim】，单击【确定】按钮。

2）弹出【新建仿真】对话框，保留各个选项的默认设置，单击【确定】按钮，弹出【解算方案】对话框，保留所有参数的默认设置，单击【确定】按钮，在【仿真导航器】窗口分级树的相应节点发生了变化，如图1-63所示。

图1-62 【装配标签管理器】对话框

图1-63 仿真导航器新增节点

3）在工具栏中选择【约束类型】→【用户定义的约束】命令，弹出【userDefined（1）】对话框，如图1-64所示。【名称】默认为【UserDefined（1）】，在【类型过滤器】中切换为【多边形面】，在窗口单击主动齿轮1的内圆面，在【方向】选项的【位移CSYS】中切换为【圆柱坐标系】，在【类型过滤器】中切换为【多边形边】，单击主动齿轮1内圆的棱边线，即可建立一个圆柱坐标系，在相应模型上出现了该坐标系符号。【自由度】选项的【DOF6】（代表绕轴旋转的自由度）默认为【自由】，其他自由度均设为【固定】，单击【应用】按钮，完成主动齿轮1模型边界约束条件的定义。

4）再次在【类型过滤器】中切换为【多边形面】，采用默认名称，在窗口中单击从动齿轮2的内圆表面，将【方向】选项的【位移CSYS】切换为【圆柱坐标系】，在【类型过滤器】中切换为【多边形边】，单击从动齿轮2内圆的棱边线，即可建立一个圆柱坐标系，在相应模型上出现了该坐标系符号。将【自由度】选项的【DOF6】默认为【自由】，其他自由度均设为【固定】，单击【应用】按钮，完成主动齿轮2模型边界约束条件的定义，约束效果如图1-65所示。(www.xing528.com)

图1-64 【UserDefind（1）】对话框

图1-65 约束效果示意图

5）在工具栏中单击【仿真对象类型】按钮，选择弹出的【面对面接触】命令，弹出【面对面接触】对话框，如图1-66所示，采用默认名称，将【类型】切换为【自动配对】，单击【创建自动面对】下【面对】右侧的按钮，弹出【创建自动面对】对话框。保留所有参数的默认设置，在【类型过滤器】中切换为【多边形面】，框选所有面，单击【确定】按钮，返回到【面对面接触】对话框，可以看到【面对】选项变为【面对（2）】。在【接触集属性】下的【静摩擦系数】中输入【0.2】，单击【确定】按钮，完成齿轮啮合面对面接触设置，在图形窗口的模型中出现了相应的面对接触符号。

6）单击工具栏中的【离心力】按钮，弹出【离心】对话框，采用默认名称、对象及方向，在【属性】下的【角速度】文本框中输入【500】，单位为【rev/min】，单击【确定】按钮，如图1-67所示，完成主动齿轮转速载荷条件的施加。

7）单击工具栏中的【扭矩】按钮，弹出【Torque（1）】对话框，采用默认名称，单击【圆柱或圆形对象】下面的【选择对象（1）】，在图形窗口的模型中选中从动齿轮内圆表面（添加约束的表面）。在【幅值】下的【扭矩】选项中，【表达式】子项采用默认设置，并在下面的文本框中输入【100】，单位为【N·mm】，单击【确定】按钮，如图1-68所示，完成从动齿轮2扭矩载荷的加载。

8）边界条件设置完成后，在【仿真导航器】窗口分级树中新增了相关的数据节点，依次展开【仿真对象容器】、【约束容器】和【载荷容器】节点，查看图1-69所示的相关节点。

提示

可以单击【首选项】和【节点和单元显示】按钮，来显示和标识作用载荷所在单元节点的编号。

（4）求解及其输出请求的设置

图1-66 【面对面接触】对话框

图1-67 【离心】对话框

图1-68 【Torque（1）】对话框

图1-69 新增节点示意图

1）在【仿真导航器】窗口的分级树中，右击【Solution 1】节点，从弹出的快捷菜单中选择【编辑】命令，弹出【解算方案】对话框，单击【预览】按钮下面的【工况控制】选项卡，如图1-70所示，单击【输出请求】右侧的【创建模型对象】按钮，弹出【Structral Dutput Requests1】对话框，选择【接触结果】选项卡，勾选【启用BCRESULTS请求】复选框，如图1-71所示，单击【确定】按钮，返回至【解算方案】对话框。

图1-70 【工况控制】选项卡

图1-71 【Structrual Dutput Requests1】对话框

2）右击【仿真导航器】窗口的分级树中的【Solution1】节点，从弹出的快捷菜单中选择【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮。稍等片刻后，窗口出现【模型检查信息】、【分析作用监视器】和【解算监视器】3个对话框，其中【解算监视器】对话框包含【解算信息】、【稀疏矩阵求解器】和【接触分析收敛】3个选项，待出现【作业已完成】的提示后，关闭各个【信息】对话框。双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。

（5）接触结果的查看

1）在【后处理导航器】窗口的分级树中，增加了接触分析结果的类型，包括【接触牵引-节点的】、【接触力-节点的】和【接触压力-节点的】，如图1-72所示，可以展开各自的子节点以查看相应的分析结果。

2）右击【云图绘图】中的【Post View1】，从弹出的快捷菜单中选择【编辑】命令，弹出【编辑】对话框，单击【显示】下【变形】右侧的按钮，弹出【变形】对话框，如图1-73所示，【比例】修改为【1.0000】，其他选项值均为默认，单击【确定】按钮。

图1-72 后处理导航器新增节点

图1-73 【变形】对话框

3）展开【位移-节点的】节点，双击【幅值】子节点查看齿轮啮合接触部位的整体变形情况，如图1-74所示。可以看出靠近啮合区域的轮齿部位变形较大，远离啮合区域的部位变形较小。

4）展开【应力-单元的】节点，双击【Von Mises】子节点查看齿轮啮合整体Von Mi-ses应力情况，如图1-75所示。可以看出在齿轮啮合区域出现应力最大值1507.7MPa，为应力集中所致，该值已超过材料的屈服极限，该接触区域为最容易发生磨损和点蚀损坏的部位。

5）展开【接触力-节点的】节点，双击【幅值】子节点，在图形窗口出现整个模型的接触力云图，如图1-76所示。可以看出在接触源面的边缘出现最大值，需要查看主要接触区域的接触力情况。单击【Post View1】下【3D单元】，勾选【3d_mesh（1）】复选框，并勾选【注释】复选框，查看【最大值】、【最小值】，并通过单击命令栏【拖动注释】按钮移动【最大值】、【最小值】图框。图1-77为齿轮1的接触力显示图，接触力【最大值】为501.74N，出现在齿轮啮合部位，【最小值】为0。