UGNX8.5有限元分析操作步骤与实例精解

时间：2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：设置有限元模型基本参数1）单击图2-6所示的窗口分级树中节点的子节点，进入理想化模型环境。2）单击工具栏中的按钮，弹出对话框，选取窗口中的实体模型，单击按钮，完成提升体模型操作。在图形窗口中单击仅显示的片体作为网格划分对象，默认单元类型为，单击右侧的按钮，在文本框内自动显示，将该数值修改为，取消勾选下的复选框，使得右侧的选项默认为上述操作生成的【Solid Axi

打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch02_HSK\HSK63E.prt，调出图2-2b所示的HSK型刀柄主模型。

（1）创建有限元模型的解算方案

1）依次单击【开始】和【高级仿真】按钮，在【仿真导航器】窗口的分级树中，右击【HSK63E.prt】节点，从弹出的菜单中选择【新建FEM和仿真】命令，弹出【新建FEM和仿真】对话框，如图2-3所示。【名称】默认为【HSK63E_fem1.fem】及【HSK63E_sim1.sim】，设置【求解器环境】下【分析类型】为【轴对称结构】，单击【确定】按钮，即可进入创建有限元模型的环境，默认其他参数，单击【确定】按钮。

2）弹出图2-4所示的【解算方案】对话框和图2-5所示的【信息】窗口。【信息】窗口中显示的有关信息为：对称轴为ACS（绝对坐标系）的Z轴，对称平面为ACS的XZ平面，作为正X值。保留【解算方案】对话框中各参数和选项的默认设置，单击【确定】按钮，完成解算方案的设置。此时在【仿真导航器】窗口的分级树中出现了相关数据节点，如图2-6所示。

图2-3 【新建FEM和仿真】对话框

图2-4 【解算方案】对话框

提示

轴对称分析系统默认Z轴为对称轴，X向为正值，且后面选取的截面必须在X正值方向，否则系统自动报错。

（2）设置有限元模型基本参数

1）单击图2-6所示的【仿真导航器】窗口分级树中【HSK63E_sim1.sim】节点的【HSK63E_fem1_i.prt】子节点（理想化模型节点），进入理想化模型环境。

图2-5 【信息】窗口

图2-6 仿真导航器新增节点示意图

由于模型中有很多的倒角及没必要进行网格划分的几何体特征，因此需要对模型进行清理，也为提取轴对称模型截面做铺垫。

2）单击工具栏中的【提升体】按钮，弹出【提升体】对话框，选取窗口中的实体模型，单击【确定】按钮，完成提升体模型操作。

3）单击【理想化模型】按钮，弹出【理想化几何体】对话框，如图2-7所示。【类型】及【选择步骤】保留默认设置，选中图形窗口中的刀柄模型，再勾选【圆角】复选框，在【半径】文本框中输入数字【5.000000】，可看到模型中部分倒角被选中，如图2-8所示。单击【确定】按钮，即可去掉选中的圆倒角。

4）单击【移除几何特征】按钮，弹出相应的对话框，在模型上选取图2-8中标识的【斜倒角1】特征，勾选对话框中的符号，即可去除斜倒角特征，关闭【移除几何特征】对话框。

图2-7 【理想化几何体】对话框

图2-8 选中圆倒角示意图

5）单击【移除几何特征】按钮旁边的下拉按钮，选择【拆分体】命令，弹出【拆分体】对话框，如图2-9所示，选取窗口中的刀柄模型，将【工具】下面的【工具选项】设置为【新建平面】，再单击【指定平面】右侧的下拉按钮，选择平面，单击【确定】按钮，将模型沿着XZ平面分割成两部分，为后面选取轴对称分析的截面做铺垫，单击工具栏中的【保存】命令。

提示

在理想化模型环境中，必须先进行提升体操作，否则无法选中模型。

6）右击【仿真导航器】窗口分级树中的【HSK63E_fem1_i.prt】节点，从弹出的快捷菜单中选择【显示FEM】中的【HSK63E_fem1.fem】节点，如图2-10所示，关闭弹出的有关模型发生变化的提示信息窗口，切换到FEM环境。

图2-9 【拆分体】对话框

图2-10 显示FEM操作示意图

7）单击工具栏中的【指派材料】按钮，弹出【指派材料】对话框，在图形窗口选中被分割后的两个模型作为【选择体】，单击【新建材料】选项下的【创建】按钮，弹出图2-11所示的【各向同性材料】对话框。在【名称-描述】中输入【40Cr】，在【质量密度（RHO）】中输入【7.87e-6】，【单位】选择【kg/mm^3】，在【力学】选项卡中的【杨氏模量（E）】中输入【211000】，【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，完成刀柄材料的设置。

8）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】下的3个子选项【类型】、【名称】和【标签】保留默认设置，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框。在【材料】下拉列表框中选取【40Cr】，其他参数均为默认值，如图2-12所示，单击【确定】按钮，返回到【物理属性表管理器】对话框。

9）单击工具栏中的【网格收集器】按钮，弹出【网格收集器】对话框，如图2-13所示。在【单元拓扑结构】选项下的【单元族】下拉列表框中选取【2D】，【收集器类型】下拉列表框选取【实体轴对称ZX收集器】，【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 Axi-symmetric ZX Collector（1）】，单击【确定】按钮，即创建好刀柄截面网格收集器。

10）将窗口中的模型调整为图2-14所示，坐标系+X向指向右方，+Z向指向正上方，取消勾选【仿真导航器】窗口分级树中【多边形几何体】节点的【Polygon Body（3）】子节点复选框，如图2-15所示。隐藏-Y向的模型，得到图2-16所示的模型示意图。单击命令工具栏中【仅显示】按钮，弹出【仅显示】对话框，将【类型过滤器】设置为【多边形面】，选取图2-16中+X侧的截面模型作为对象，单击【确定】按钮，得到图2-17所示的截面。

图2-11 【各向同性材料】对话框

图2-12 【PSOLID】对话框

图2-13 【网格收集器】对话框

图2-14 刀柄模型调整示意图

（3）划分有限元模型网格

1）单击工具栏中的【2D网格】按钮，弹出【2D网格】对话框，如图2-18所示。在图形窗口中单击仅显示的片体作为网格划分对象，默认单元类型为【CQUADX（8）】，单击【单元大小】右侧的【自动单元大小】按钮，在【单元大小】文本框内自动显示【2.22】，将该数值修改为【1】，取消勾选【目标收集器】下的【自动创建】复选框，使得【网格收集器】右侧的选项默认为上述操作生成的【Solid Axisymmetric ZX Collector（1）】，其他参数保留默认设置，单击【应用】按钮，即可完成片体划分网格的操作，其结果如图2-19所示。【仿真导航器】窗口的分级树中，新增的相应数据节点如图2-20所示。

图2-15 仿真导航器节点示意图

图2-16 隐藏部分模型后示意图

图2-17 仅显示截面示意图

图2-18 【2D网格】对话框

图2-19 网格划分后模型示意图

图2-20 仿真导航器新增节点示意图

2）单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，选择所有要检查单元质量的部件，在【常规几何检查】和【系统检查】中设置检查的参数值，在【输出设置】中的【输出组单元】与【报告】中选择【失败】，将划分失败的网格以显示和报告的形式输出，单击【确定】按钮，弹出【信息】对话框，提示【0个失败单元，101个警告单元】，可以看到0个失败单元，因此无须再划分网格，关闭【信息】对话框。

（4）创建仿真模型

1）右击【仿真导航器】窗口分级树中的【HSK63E_fem1.fem】节点，从弹出的快捷菜单中选择【显示仿真】命令，弹出【HSK63E_sim1.sim】节点并单击该选项，进入SIM仿真环境。(www.xing528.com)

2）施加边界约束。选择工具栏中【约束类型】中的【用户定义约束】命令，弹出【用户定义约束】对话框，如图2-21所示。默认名称为【spc（1）】，在选择条工具栏中，将【类型过滤器】设置为【多边形边】，选择图2-22所示的高亮显示的两条边缘线作为约束对象，单击【组件】下面的【均设为固定】按钮，单击【确定】按钮，即可完成添加约束操作。

图2-21 【用户定义约束】对话框

图2-22 选取模型边缘线示意图

3）右击【仿真导航器】窗口分级树中【约束容器】下新增的【spc（1）】节点，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】调整偏大，单击【显示参数】下面的【颜色】并选择红色，单击【确定】按钮，即可观察到仿真模型上约束符号变为红色且更加简洁，如图2-23所示，这样在约束复杂的情况下便于观察与选择。

4）施加载荷。单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，单击其中的【离心】按钮，弹出【离心】对话框，采用默认名称、模型对象及方向，在【组件】下的【角速度】文本框中输入【10000】，单位为【rev/min】，单击【确定】按钮，如图2-24所示，完成模型离心力载荷的添加，在模型中可查看到相应的符号。

图2-23 约束添加后示意图

图2-24 【离心】对话框设置

（5）求解及后处理

1）在仿真窗口中右击【Solution 1】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，稍等后完成分析作业。关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。

2）在【后处理导航器】窗口分级树中展开【Solution 1】→【位移-节点的】，单击【幅值】节点，可以查看截面的整体变形情况，如图2-25所示。

采用同样的方法，展开【应力-单元节点的】，选择【Von Mises】可以查看截面的Von Mises应力情况，如图2-26所示。

图2-25 【位移-节点的】幅值云图

图2-26 【应力-单元节点的】Von Mises应力云图

3）查看截面变形和应力的最大值与最小值可以通过【后处理导航器】窗口中【云图绘图】下的【Post View1】来实现，如图2-27所示。在这个显示命令中，可以通过勾选各个单元复选框，显示和查看所关心单元的结果；通过勾选【注释】命令中的【Minimum】和【Maximum】复选框，在窗口中显示计算结果的最大值和最小值。图2-28为【应力-单元节点的】的Von Mises应力最大值及最小值。

图2-27 后处理导航器的云图绘图

图2-28 【应力-单元节点的】Von Mises应力最大值及最小值

4）通过【拖动注释】命令来放置和调整最大值与最小值的位置，单击【新建注释】按钮，弹出【注释】对话框，如图2-29所示。采用默认名称，在【附着】下【附着类型】中选择【N个最小结果值】，在【选择】下的【N】文本框中输入【3】，将【显示】下面的【注释类型】修改为【带指引线的框】，【文本对齐】调整为【中心】，单击【应用】按钮，在【Post View1】的【注释】中新增了节点，如图2-30所示。可通过是否勾选【注释】复选框决定是否显示相关的注释；同时窗口中出现3个带指引线的方框、标记单元号及相关的值，如图2-31所示。

图2-29 【注释】对话框

图2-30 新增注释节点

5）采用与上面同样的方法，创建3个带指引线的最大值方框，与3个带指引线的最小值方框同时显示在一个模型上，如图2-32所示。图中的最大值发生在800号单元中的第3496号节点上，其值的大小为8.743MPa，最小值发生在753号单元中的第3298号节点上，其值的大小为0.107MPa。

6）选择【编辑后处理视图】命令，可以对后处理中的显示、图例、文本等内容进行相关参数设置；单击【编辑后处理视图】命令，弹出【后处理视图】对话框。单击【变形】右边的【结果】按钮，弹出【变形】对话框，将比例中的【10】修改为【4】，单击【确定】按钮，再单击【应用】按钮。勾选【显示未变形的模型】复选框，单击【应用】按钮，如图2-33所示。模型发生相应的变化，未变形及变形的云图重叠出现在图形窗口中，如图2-34所示。

图2-31 N个最小值示意图

图2-32 N个最大值及最小值示意图

图2-33 【后处理视图】对话框

图2-34 重叠模型示意图

7）单击【后处理视图】对话框中【显示于】右侧的下拉按钮，选择【3D轴对称结构】命令，单击后面的【选项】按钮，弹出【3D轴对称】对话框，如图2-35所示。其参数【旋转角度】默认为【360】，【截面数】为【40】，连续单击两次【确定】按钮，查看显示的图形及其云图变化，如图2-36所示。

图2-35 【3D轴对称】对话框

图2-36 3D轴对称模型示意图

提示

上述操作步骤是查看轴对称整体模型分析结果的常用方法，可通过设置【3D轴对称】相关参数进行结果查看和动态演示。

8）单击【后处理视图】对话框中的【文本】选项卡，可设置云图中数字的格式、颜色及大小，如图2-37所示。拖动【比例因子】数字标尺，调整数值大小为【1.8】，单击【应用】按钮，云图中数字显示的比例被放大。

9）单击【后处理视图】对话框中的【图例】选项卡，将【文件头】下的【显示】调整为【无】，去掉云图中的文件头（标题）。

10）在对话框的【颜色和值控制】选项组中，选择【显示】，勾选【指定的】单选按钮，在右侧【最大】文本框中输入【8.0000】，【最小】文本框中输入【0.2000】，如图2-38所示。单击【确定】按钮，如图2-39所示。云图发生相应的变化，显示的最大值变为8，最小值变为0.2，且文件头已经隐藏，可与未进行上述设置的云图比较，图2-40为未进行设置的云图。