UGNX8.5结构静力学分析操作步骤实例精讲

（1）创建有限元模型

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【Impeller.prt】节点，从弹出的菜单并选择【新建FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，【新文件名】下面的【名称】选项默认为【Impeller_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。

2）弹出【新建FEM】对话框，如图5-5所示，【求解器】和【分析类型】中的选项保留默认设置，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境，如图5-6所示。注意在【仿真导航器】窗口分级树上出现了相关的数据节点。

图5-5 【新建FEM】对话框

图5-6 FEM模型关联的叶轮CAD部件

3）单击工具栏中的【材料属性】按钮，弹出【指派材料】对话框，如图5-7所示。在图形窗口选中模型，单击对话框【材料】列表框中的【AISI_STEEL_4340】，单击列表框下面的【显示指定材料的材料属性】按钮，弹出该材料的信息窗口，主要参数如图5-8所示。注意查看该窗口【耐久性/可成形性】选项下的各个项目参数，关闭该信息窗口，单击【确定】按钮，退出【指派材料】对话框。

图5-7 材料属性参数

图5-8 AISI_STEEL_4340材料信息

4）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5-9所示。在【类型】下拉列表框中选取【PSOLID】，默认名称为【PSOLID1】，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框，在【材料】下拉列表框中选取上述操作设置的【AISI_Steel_4340】子项，其他选项均保留默认设置，单击【确定】按钮，如图5-10所示，随后关闭【物理属性表管理器】对话框。

图5-9 【物理属性表管理器】对话框

图5-10 设置物理属性表参数

5）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5-11所示。在【单元族】下拉列表框中选取【3D】，在【收集器类型】下拉列表框中选取【实体】，在【物理属性】的【实体属性】下拉列表框中选取上述设置的【PSOLID1】，【网格收集器】的名称默认为【Solid（1）】，单击【确定】按钮。

6）单击工具栏中的【3D四面体网格】按钮右侧的下拉按钮，弹出【3D四面体网格】对话框，在窗口中选择叶轮叶片三维模型，【单元属性】的【类型】默认为【CTETRA（10）】，单击【单元大小】右侧的【自动单元大小】按钮，对话框中出现【15.2】，手动将其修改为【10】，【目标收集器】中【网格收集器】选项为上述设置的【Solid（1）】，其他选项按照系统默认，如图5-12所示，单击【确定】按钮，划分的结果如图5-13所示。

图5-11 【网格收集器】对话框

图5-12 【3D四面体网格】对话框

单击【3D_mesh（1）】节点查看得单元总数为20080个。由于形状较为复杂，如果还需要提高计算精度，建议使用网格控件。

7）单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，在窗口中选择划分好的网格模型作为【选择对象】，如图5-14所示。单击【检查单元】按钮，在窗口顶端弹出的【信息】中出现【0个失败单元，4个警告单元】，失败单元多在叶片的上端边缘，不影响模型的使用。

图5-13 网格划分效果图

图5-14 【单元质量】对话框

（2）创建仿真模型

1）在【仿真导航器】窗口分级树中，右击【Impeller_fem1.fem】节点，从弹出的菜单中选择【新建仿真】命令，弹出【新建部件文件】对话框。在【名称】中将【Impeller_fem1_sim1.sim】修改为【impeller_sim1.sim】，单击【确定】按钮。保存到前面模型所在文件夹中。

2）单击弹出的【新建仿真】对话框中的【确定】按钮，弹出【解算方案】对话框，如图5-15所示。默认【分析类型】为【结构】，【解算方案类型】为【SOL 101 Linear Statics-Global Constraints】，单击【确定】按钮，进入仿真模型环境。同时注意在【仿真导航器】窗口分级树中增加了相应的节点。

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图5-15 【解算方案】对话框

3）选择工具栏【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。在图形窗口单击模型一侧的端面，在【位移CSYS】下拉列表框中选择【圆柱坐标系】，单击图形窗口中模型的中间圆孔上端面的外圆棱边，如图5-16所示。在【自由度】对话框中将【DOF1】、【DOF2】和【DOF3】切换为【固定】，其他3个【DOF】均为【自由】，单击【确定】按钮，如图5-17所示，完成模型边界约束条件的定义操作。

4）单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择其中的【离心】命令，弹出【Centrifugal Inertia（1）】对话框，其中【选择对象】和【方向】的2个子项自动确认了，不过必须调整指定矢量的方向使其和模型的轴向一致，【指定点】设定为叶轮模型小端面的圆心，在【角速度】文本框内输入【29384】，单位切换为【rev/min】，单击【应用】按钮，如图5-18所示。在新出现的对话框中调整指定矢量的方向使其模型的轴向一致，【指定点】设定为端面的圆心，在【角速度】文本框内输入【33800】，单位切换为【rev/min】，单击【确定】按钮，完成模型离心力载荷的定义操作，如图5-19所示，同时注意在【仿真导航器】窗口的分级树中增加的相应节点。

图5-16 【用户定义约束】对话框

图5-17 【自由度】设置

图5-18 定义工作转速1

图5-19 定义工作转速2

（3）求解及其解算参数的设置

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【新建子工况】命令，弹出【解算步骤】对话框，如图5-20所示。名称和其他选项保留默认设置，单击【确定】按钮，将【载荷容器】中的【CentrifugalInertia（2）】拖曳到子工况【Subcase-Static Loads2】中，同时将子工况【Subcase-Static Loads1】中的【Centrif-ugal Inertia（2）】右键选择移除，设置好的求解工况各个节点显示如图5-21所示。

图5-20 【解算步骤】对话框

图5-21 显示各子工况载荷节点

2）右击【Solution1】节点，从弹出的菜单中选择【编辑】命令，弹出【解算方案】对话框，勾选【常规】下的【单元迭代求解器】复选框，将其激活；单击【工况控制】选项卡，单击【Output Requests】右侧的【创建模型对象】按钮，弹出【结构输出请求】对话框，在【属性】中单击【应变】按钮，激活【启用STRAIN（应变）】请求选项，该选项各个参数保留默认设置，单击【确定】按钮返回至【解算方案】对话框，再单击【确定】按钮退出【编辑解算方案】对话框。

3）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，系统开始求解，稍等完成分析作业后，如图5-22所示。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，图5-23为显示后处理窗口的各个计算指标节点。

图5-22 解算监视器

图5-23 显示后处理节点

4）在【后处理导航器】窗口依次展开【Solution1】，选择【Subcase-Static Loads1】展开【应力-单元节点的】，如图5-23所示，双击【VonMises】节点，右击【Post View1】，从弹出的快捷菜单中选择【设置结果】命令，将视图坐标系切换为【柱工作坐标系】，在工具栏上单击【新建注释】和【拖动注释】按钮，即可在图形窗口显示出该叶轮叶片在子工况1下的VonMises应力云图，如图5-24所示。从云图可以看出：最大应力值为822.335MPa，小于该材料的屈服强度1178MPa，因此可以判断在该工况下模型处于弹性变形阶段；最大应力集中在叶片和本体的底部交汇处，局部区域有应力集中现象。

5）按照上述的方法选择【Subcase-Static Loads2】并展开【应力-单元节点的】，双击【Von Mises】节点，右击【Post View1】，从弹出的快捷菜单中选择【设置结果】命令，将视图坐标系切换为【柱工作坐标系】，在工具栏上单击【新建注释】和【拖动注释】按钮，即可在图形窗口显示出该叶轮叶片在子工况2下的Von Mises应力云图，如图5-25所示。从云图可以看出：最大应力值为1088.079MPa，已经接近该材料的屈服强度1178MPa，但可以判断在该工况下模型仍处于弹性变形阶段；最大应力集中在叶片和本体的底部交汇处，局部区域有应力集中现象。

图5-24 子工况1下的Von Mises应力云图

图5-25 子工况2下的Von Mises应力云图

显然，在该静力计算结果中，包括了最大剪切应力、最大剪切应变、最大主应力、最大主应变等名义值，后续疲劳分析时根据不同的寿命准则，软件自动选取相应值参与计算。

6）单击工具栏中的【返回到模型】按钮，退出【后处理导航器】窗口，完成此次计算任务的操作。以上述两种工况计算的Von Mises应力和应变作为名义值参与后续的疲劳分析计算，下面开始对结构进行疲劳寿命的计算和分析。