UGNX8.5有限元分析实例精讲，完成操作步骤

打开随书光盘part源文件Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch10_Robot arm\robot arm.prt模型，调出图10-1所示的骨架连接件主模型。

（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】窗口分级树中右击【robot arm.prt】节点，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【robot arm_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，【求解器】和【分析类型】中的选项保留默认设置，如图10-3所示，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境。

3）单击工具栏中的【指派材料】按钮，弹出【指派材料】对话框，如图10-4所示。在图形窗口选中骨架连接件模型，【材料列表】中选择【库材料】，单击对话框【材料】列表框中的【Steel】，单击【确定】按钮。

图10-3 【新建FEM】对话框

图10-4 【指派材料】对话框

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。在【类型】中选取【PSOLID】，如图10-5所示，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框。在【材料】选项中选取上述操作设置的【Steel】子项，其他选项均为默认，如图10-6所示，单击【确定】按钮，关闭【物理属性表管理器】对话框。

图10-5 体单元属性的设置

图10-6 实体物理属性的设置

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10-7所示。在【单元族】选项中选取【3D】，在【收集器类型】选项中选取【实体】，在【属性】子项【实体属性】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。可以观察到，【仿真导航器】窗口分级树中建立的相应数据节点【3D收集器】和其子节点【Solid（1）】，如图10-8所示。

图10-7 【网格收集器】对话框

图10-8 显示3D收集器节点

6）单击工具栏中的【3D四面体网格】按钮，弹出图10-9所示的对话框，在图形窗口中选择部件几何体作为【选择体】，在【单元大小】中输入【5】，单位默认为【mm】，【目标收集器】默认为【Solid（1）】，其他选项均为默认，单击【确定】按钮，进行几何体网格的划分。

7）单击工具栏中的【单元质量】按钮，出现图10-10所示的对话框，在图形窗口中选择划分好的有限元网格模型作为【选择对象】，单击【检查单元】按钮，工具栏窗口上出现【0个失败单元，0个警告单元】网格检查信息，单击【关闭】按钮，关闭【单元质量】对话框，创建的骨架连接件的有限元网格模型如图10-11所示。

图10-9 【3D四面体网格】对话框

图10-10 【单元质量】对话框

图10-11 创建骨架连接件有限元模型

8）创建网格点：依次选择菜单【插入】→【模型准备】→【网格点】命令，弹出【网格点构造器】对话框，如图10-12所示。在【类型】下拉列表框中默认选择【自动判断的点】选项，在图形窗口中选取图10-13所示的一侧圆孔的圆心点作为【选择对象】，选中后出现该点相应的坐标值，单击【应用】按钮，完成一个网格点的创建；按照同样的方法，进行图10-14所示的设置，建立图10-15所示的网格点，单击【确定】按钮，完成所需两个网格点的创建。

图10-12 创建第1个网格点

图10-13 第1个网格点的选择

图10-14 创建第2个网格点

图10-15 第2个网格点的选择

提示

在选择网格点时，注意勾选【仿真导航器】窗口分级树中的【多边形几何体】节点，否则无法显示图10-13和图10-15所示的几何点。

9）创建刚性连接单元：单击工具栏中的【1D连接】按钮，弹出【1D连接】对话框，如图10-16所示。在【类型】中切换为【点到面】选项，在【源】中选择创建的第一个网格点作为源点，在【目标】中选择第一个网格点所对应的圆孔内表面作为目标面，如图10-17所示；在【连接单元】的子项【单元属性】中，将【类型】切换为【RBE2】选项，其他选项保留默认设置，单击【应用】按钮，即创建好第一个刚性连接单元（俗称蛛网连接单元）。按照此方法创建第二个刚性连接单元，如图10-18所示。

图10-16 【ID连接】对话框

图10-17 创建第一个刚性连接

10）单击菜单栏的【插入】按钮，选择【节点】→【节点之间】命令，弹出图10-19所示的对话框，依次选中上述所创建的两个网格点，单击【确定】按钮，完成中间节点的创建。

图10-18 创建第二个刚性连接

图10-19 创建节点之间的节点

11）单击工具栏中的【1D连接】按钮，弹出【1D连接】对话框，如图10-16所示，将【类型】选择为【节点到节点】，在【源】选择图10-17所示的两个网格点作为源节点，在【目标】中选择图10-19所创建的中间节点作为目标节点，【单元类型】默认为【RBE2】，单击【确定】按钮，完成本例中所有刚性连接单元的创建。

（2）创建仿真模型

1）右击【仿真导航器】窗口分级树的【robot arm_fem1.fem】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建仿真】，弹出【新建部件文件】对话框，【名称】修改为【robot arm_sim1.sim】，选择合适的存放路径，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，所有的选项均保留默认设置，单击【确定】按钮，如图10-20所示。

2）弹出【解算方案】对话框，【名称】默认为【Solution 1】，【解算方案类型】选取为【SOL103 Real Eigenvalues】，如图10-21所示，单击【确定】按钮。弹出【解算步骤】对话框，如图10-22所示，【步骤】默认为【子工况-特征值法】，在【特征值方法】中选择【Lanczos法】，单击【Lanczos数据】右侧的【新建】按钮，弹出【Real Eigenvalue Lanc-zos1】对话框，如图10-23所示，在【所需模态数】中输入数值【5】，其他参数均保留默认设置，单击两次【确定】按钮，完成解算方案的设置，同时注意到【仿真导航器】窗口分级树中，新出现了相关的数据节点。

图10-20 创建仿真模型

图10-21 创建模态解算方案

图10-22 解算步骤设置

图10-23 设置Lanczos特征值数据

3）单击工具栏中的【约束类型】按钮的下拉按钮，选择弹出的【固定约束】命令，弹出【固定约束】对话框，如图10-24所示。【名称】默认为【Fixed（1）】，在图形窗口中选择图10-25所示的模型上圆孔的4个半圆面作为【选择对象】，单击【确定】按钮，完成模型约束的设置。

图10-24 【固定约束】对话框

图10-25 固定约束位置

（3）求解结构模态和振型

1）在【仿真导航器】窗口分级树中右击【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，等待【模型检查】完成，等待【分析作业监视器】出现【作业已完成】，在【仿真导航器】窗口分级树中也增加了【结果】节点，关闭所有信息窗口，这样就完成了仿真模型前5阶约束模态的解算。

2）双击【结果】，进入【仿真后处理导航器】树状列表窗口进行查看。展开【Solution 1】节点，5个约束模态的频率值如图10-26所示。第1阶约束模态频率为90.70Hz，第2阶约束模态频率为190.9Hz。

3）展开【模式1】节点，双击【位移-节点的】下面的【幅值】子项，得到该部件的整体振型位移云图，如图10-27所示。可以通过动画进行观看振动变形的过程，也可以查看到刚性连接部位出现左右摆动的变形，还可以观察其他阶数模态和约束模态的振型情况，限于篇幅，这里不再赘述。

图10-26 约束模态频率值

图10-27 第1阶振型

4）单击工具栏中的【返回到模型】按钮，单击资源条上的【仿真导航器】按钮，进入仿真模型环境。在模态分析的基础上施加与频率相关的载荷，进行频率响应分析。

（4）创建仿真模型

1）右击【仿真导航器】窗口分级树中的【robot arm_sim1.sim】节点，从弹出的快捷菜单中选择【新建解算方案】，弹出【解算方案】对话框在【解算方案类型】中选择【SOL 111 Modal frequency Response】，如图10-28所示。

2）弹出【解算步骤】对话框，【解算方案】中的全部选项均保留默认设置，如图10-29所示。单击【扰动频率（2）】右侧的【创建扰动频率】按钮，弹出图10-30所示的对话框，【名称】默认为【Forcing Frequencies-Modal1】，单击【创建】按钮，弹出图10-31所示的对话框，进入扰动频率的设置。

图10-28 创建频率响应分析解算方案

图10-29 创建解算步骤

图10-30 【建模对象管理器】对话框

图10-31 创建扰动频率-模态1

3）在【频率列表】下【频率列表窗体】下拉列表框中选择【FREQ1】，【第一频率】中输入【50】，单位为【Hz】，【频率增量】中输入【2】，单位为【Hz】，【频率增量数】中输入【75】，单击【确定】按钮，返回到图10-30所示的对话框。会发现在【选择】下面出现了刚才建立好的【Forcing Frequencies-Modal1】节点，选中并单击【添加到列表中】按钮，会发现【列表】中出现【Forcing Frequencies-Modal1】节点；再单击【创建】按钮，弹出图10-32所示的对话框。【名称】默认为【Forcing Frequencies-Modal2】，【频率列表窗体】中选择【FREQ】，【频率列表】中选择【Hz】，在窗口中输入【90】，单击【确定】按钮，返回到图10-30所示的对话框。会发现在【Forcing Frequencies-Modal1】节点下面出现了刚才建立好的【Forcing Frequencies-Modal2】节点，选中并单击【添加到列表中】按钮，会发现【列表】中出现【Forcing Frequencies-Modal2】节点，完成扰动频率的设置。

4）返回【解算步骤】对话框，【阻尼类型】默认为【结构】，在【结构阻尼】下拉列表框中选择【场】，在【指定场】下拉列表框中选择【表构造器】，弹出图10-33所示的对话框，【名称】默认为【Structural Damping（10）】，在【域】中输入【独立】变量为【频率】，【单位】为【Hz】，在输入行中输入【1，0.08】，并单击【接受编辑】按钮，再输入【200，0.08】，单击【接受编辑】按钮，单击【确定】按钮，返回到图10-29所示的【解算步骤】对话框，单击【确定】按钮，完成【Subcase-Modal Frequency1】解算方案的设置。

图10-32 创建扰动频率-模态2

图10-33 创建结构阻尼(www.xing528.com)

5）在【仿真导航器】窗口的分级树中，右击子工况【Solution 2】，从弹出的快捷菜单中选择【新建子工况】命令，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase-Modal Frequen-cy 2】的子工况。

同样，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase-Modal Frequency 3】的子工况。

（5）施加频率相关载荷

1）单击工具栏中【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，在下拉菜单中选择【力】按钮，出现【力】对话框，如图10-34和图10-35所示，在【类型】中选择【组件】，【名称】默认为【Force（1）】，在图形窗口中选择创建好的第3个刚性连接节点作为选择对象，在【方向】的【CSYS】中默认使用【全局】坐标系，在【组件】的【幅值】中选择【场】，在【指定场】下拉列表框中选择【表构造器】，弹出图10-36所示的【表格场】对话框。在【名称】中输入【Magnitude_X】，在【域】下面的【独立】下拉列表框中选择【频率】作为自变量，单位为Hz，在【数据点】下面的空行中输入【0，1，1，1】，输入完成后勾选，即出现在表格中；同样输入【200，1，1，1】，勾选，完成数据的输入，【插值】方法默认为【线性】，单击【确定】按钮完成函数表格的创建，返回到【力】对话框，在【比例因子】中【Fx】、【Fy】、【Fz】文本框中分别输入【1】、【0】、【0】，单击【确定】按钮，完成在第3个刚性连接节点上的X向载荷的施加，如图10-37所示。

图10-34 力的施加1

图10-35 力的施加2

图10-36 表格函数的创建

图10-37 力的施加3

2）选择【仿真导航器】窗口分级树中【载荷容器】节点下上述步骤创建的【Force（1）】，右键选择【克隆】，出现【CopyofForce（1）】节点，右键选择【编辑】命令，将【名称】修改为【Force（2）】，选择【幅值】中【场】所对应的【Magnitude_X】，单击右侧的【修改】按钮，进入【表格场】对话框，将名称【Magnitude_X】修改为【Magnitude_Y】，单击【确定】按钮，返回到【Force（2）】对话框，在【比例因子】的【Fx】、【Fy】、【Fz】文本框中分别输入【0】、【1】、【0】，单击【确定】按钮，完成在第3个刚性连接节点上的X向载荷的施加，如图10-38所示。

按照上述的方法，建立【Force（3）】，如图10-39所示，完成与外部激励频率相关的力载荷的创建。

图10-38 Force（2）的创建

图10-39 Force（3）的创建

3）将【约束容器】下的【Fixed（1）】拖曳到【Solution2】下的【约束】中，将【载荷容器】中的【Force（1）】、【Force（2）】、【Force（3）】分别拖曳到【Subcase-Modal Fre-quency 1】、【Subcase-Modal Frequency 2】、【Subcase-Modal Frequency 3】子工况节点中，如图10-40所示，创建好的3个子工况分别如图12-41、图12-42、图12-43所示。

图10-40 显示子工况

图10-41 子工况1仿真模型示意图

图10-42 子工况2仿真模型示意图

图10-43 子工况3仿真模型示意图

（6）求解结构频率响应

1）在【仿真导航器】窗口分级树中右击【Solution 2】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，等待【模型检查】完成。等待【分析作业监视器】出现【作业已完成】提示信息，在【仿真导航器】窗口分级树中也增加了【结果】节点，关闭所有信息窗口。

2）双击【结果】后进入【后处理导航器】树状列表窗口进行查看。展开【Solution 2】节点，如图10-44所示，单击【Subcase-Modal Frequency1】结果节点，如图10-45所示，展开频率21阶的节点，显示频率值为90Hz时的【位移-节点的】分析结果，双击【幅值】，查看当外部载荷激励频率为90Hz时，引起机器人骨架连接件产生共振的动态位移变化情况，如图10-46所示。

图10-44 频率响应分析结果

图10-45 子工况1分析结果查看

3）按照上述的方法，分别查看【Subcase-Modal Frequency 2】和【Subcase-Modal Frequency 3】子工况的分析结果，展开频率21阶的节点，显示频率为90Hz时的【位移-节点的】分析结果，双击【幅值】，查看当外部载荷激励频率为90Hz时，引起机器人骨架连接件产生共振的动态位移变化情况，分别如图10-47和图10-48所示。

4）单击【Subcase-Modal Frequency 1】结果节点，展开频率1阶，双击频率为50Hz时的【位移-节点的】中的【幅值】分析结果，在【后处理导航器】中选择【云图绘图】中的【Post View2】，右击从弹出的快捷菜单中选择【新建图表】命令，弹出图10-49所示的【图表】对话框，在【图表类型】中选择【交叉迭代】，将【名称】修改为【modal shape on node 75244】，单击【显示跟踪点】下面的【从模型中拾取】按钮，弹出【节点ID】对话框，如图10-50所示。选择施加激励载荷的节点，节点编号为【75244】，单击【确定】按钮，【起点】和【终点】分别默认为【频率1，5.000e+001Hz】及【频率76，2.000e+002Hz】，单击【确定】按钮，在窗口中出现与频率相关的位移幅值变化情况。

图10-46 子工况1频率响应分析结果（90Hz）

图10-47 子工况2频率响应分析结果（90Hz）

图10-48 子工况3频率响应分析结果（90Hz）

图10-49 【图表】对话框

5）右击【Solution 2】解算结果的【图形】下的【modal shape on node 75244】节点，如图10-51所示，从弹出的快捷菜单中选择【编辑】命令，出现【XY函数编辑器】对话框，如图10-52所示。在【创建步骤】中选择【XY轴定义】图标，将【横坐标】的【数据类型】选择为【周期】，【单位】为【工作周期】，将【纵坐标】的【数据类型】选择为【位移】，【单位】为【mm】，展开下面的【更多XY轴定义】，将【X轴标签】命名为【step number】，【Y轴标签】命名为【Displacement】，【Y单位标签】中输入【mm】，单击【确定】按钮。

图10-50 创建位移追踪点

图10-51 图形结果节点

图10-52 【XY函数编辑器】对话框

6）单击窗口工具栏中的【探测模式】右侧的下拉按钮，选择【峰值探测模式】命令，在窗口图表中对两个波峰进行标记，将【标记】拖曳到边上位置（便于观察即可），同样，在【数据跟踪】下拉菜单中选择【编辑/最小-最大值模式】按钮，在图形中分别选择两个波峰值的标记，右击并从快捷菜单中选择【编辑标记】命令，弹出图10-53所示的对话框，将【文本样式】的字体大小调整为【4】，单击【确定】按钮。

7）此时发现，窗口中出现的图标还不够美观，再进行处理，便于清晰观察和存储图片。单击窗口工具栏中的【编辑】按钮，使整个图表处于可编辑的状态。在图形窗口中选择【标题】，右击并从快捷菜单中选择【编辑标题】命令，弹出【标题选项】对话框，如图10-54所示。勾选【用户定义】复选框，输入【Displacement with frequence】，将【字体】大小调整为【4】，单击【确定】按钮；选择图表中右上方的【图例】方框，右击并从弹出的快捷菜单中选择【编辑图例】命令，弹出【图例选项】对话框，将【字体】大小调整为【4】，如图10-55所示，单击【确定】按钮；选择图表中曲线，右击并从弹出的快捷菜单中选择【编辑曲线】命令，弹出【曲线选项】对话框，将【线宽】选择为图10-56所示，单击【确定】按钮。

图10-53 调整标记的字体

图10-54 标题的编辑

图10-55 图例的编辑

图10-56 曲线的编辑

8）在图形窗口中选择【Y轴标签】，右击并从弹出的快捷菜单中选择【编辑Y标签】命令，弹出【Y轴选项】对话框，将【字体】大小调整为【4】，如图10-57所示，单击【确定】按钮；同样，选择【X轴标签】，右击并从弹出的快捷菜单中选择【编辑X标签】命令，弹出【X轴选项】对话框，将【字体】大小调整为【4】，如图10-58所示，单击【确定】按钮；选择图表中曲线，右击并从弹出的快捷菜单中选择【编辑曲线】命令，弹出【曲线选项】对话框，将【线宽】选择如图10-56所示，单击【确定】按钮。分别单击右击并从弹出的快捷菜单中选择【Y轴数量】和【X轴数量】命令，在弹出的【Y轴选项】对话框和【X轴选项】对话框中将【字体】大小调整为【4】，分别单击【确定】按钮，如图10-59、图10-60所示，最终美化好的图表如图10-61所示。

图10-57 Y轴标签的编辑

图10-58 X轴标签的编辑

图10-59 Y轴选项的编辑

图10-60 X轴选项的编辑

9）单击【Subcase-Modal Frequency 1】结果节点，展开频率21阶，双击频率为90Hz时的【应力-单元节点】中的【Von Mises】分析结果，在【后处理导航器】中选择【云图绘图】中【Post View2】，右击并从弹出的快捷菜单中选择【新建图表】命令，弹出图10-62所示的【图表】对话框。在【图表类型】中选择【交叉迭代】，将【名称】修改为【modal shape on node 45843】，单击【显示跟踪点】下面的【从模型中拾取】按钮，弹出【节点ID】对话框，如图10-63所示。选择施加激励载荷的节点，节点编号为【45843】，单击【确定】按钮，【起点】和【终点】分别默认为【频率1，5.000e+001Hz】及【频率76，2.000e+002Hz】，单击【确定】按钮，在窗口中出现与频率相关的位移幅值变化情况。

图10-61 随频率变化的节点位移

图10-62 【图表】对话框

图10-63 【节点ID】对话框

按照生成随频率变化的节点位移图表的操作方法，设置随频率变化的节点应力（Von Mises）情况，分别将【标题】、【Y轴标签】、【X轴标签】修改为【vonmiseswithfre-quence】、【Von mises】、【step number】，【字体】大小修改为【4】，如图10-64和图10-65所示，最终生成的随频率变化的节点位移图表如图10-66所示。

图10-64 Y轴标签的编辑

图10-65 X轴标签的编辑

图10-66 随频率变化的节点应力（Von Mises）

可以通过单击工具栏的【动画】按钮，选择【动画】的【迭代】方式查看相应分析工况从50Hz到200Hz频率范围内相关节点的位移及应力变化情况，在此不多赘述，可以参照前面介绍的模态分析结果查看方法。

读者可以通过设定【解算方案】下【工况控制】的【输出请求】选项，来评价在外部频率载荷激励条件下，其他感兴趣的节点或者单元在位移、速度、加速度和应力等响应值随激励频率变化的大小和趋势。

按照上述的方法，读者可以查看工况2、工况3的节点或单元随激励载荷频率变化的频率响应分析结果。通过上述随频率变化的节点位移与应力的图表可以看出：当外部激励载荷频率接近部件第一阶固有频率时，激发并造成模型系统的共振现象，为产品的动力性能优化设计提供了必要的量化设计依据。

10）单击工具栏中的【返回到模型】按钮，返回到仿真模型环境，单击【文件】菜单下【关闭】的【全部保存并关闭】按钮，保存分析的数据并退出该项目的仿真分析。

上述实例各个模型文件和输出结果请参考随书光盘Book_CD\Part\Part_CAE_Finish\Ch10_Robotarm\文件夹中的相关文件，操作过程的演示请参考随书光盘中的文件Book_CD\AVI\Ch10_Robotarm.AVI。