UGNX8.5结构静力学分析操作步骤详解

（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【wind turbine blade.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14-7所示。在【文件名】中默认为【wind tur bineblade_fem1.fem】和【wind turbine blade_sim1.sim】，【求解器】和【分析类型】保留默认设置，单击【确定】按钮。

2）弹出【解算方案】对话框，【解算方案类型】默认为【SOL 101 Linear Statics-Global Constraints】，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境，注意在【仿真导航器】窗口的分级树中，出现了相关的数据节点。

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14-8所示。在图形窗口选中模型的全部85个部件，在【材料列表】中选择【本地材料】，在【新建材料】下的【类型】中选择【正交各向异性】，单击【创建】按钮，弹出图14-9所示的对话框。在【名称】中输入【Com_1】，在【质量密度（RHO）】中输入【1.8e-6】，【单位】为【kg/mm^3】，在【杨氏模量（E1）】中输入【38.6E3】，在【杨氏模量（E2）】中输入【8.27E3】，在【杨氏模量（E3）】中输入【8.27E3】，【单位】均为【N/mm^3】。在【泊松比】下面的第一项中输入【0.26】，后两项输入【0.2】，在【剪切模量】下的3个子项中均输入【4.14E3】，【单位】为【N/mm^3】。

图14-7 【新建FEM和仿真】对话框

图14-8 【指派材料】对话框

图14-9 【正交各向异性材料】对话框

图14-10 【正交各向异性材料】对话框-【强度】选项卡

单击图14-10所示的【强度】选项卡，在【Tsai-Wu相互作用系数（F12）】中输入【-6.154E-12】，【单位】为【mm^4/N^2】；在【应力极限】的【拉伸（ST1）】中输入【2000.3】，【拉伸（ST2）】中输入【34.5】，【拉伸（ST3）】中输入【6.9】，【单位】均为【N/mm^2】；在【压缩SC1】中输入【738】，【压缩SC2】中输入【129.7】，【压缩SC3】中输入【6.9】，【单位】均为【N/mm^2】；在【剪切（SS12）】中输入【80】，【单位】为【N/mm^2】，单击【确定】按钮，完成正交各向异性材料的定义。返回到【指派材料】对话框中，单击【确定】按钮退出【材料属性】。

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14-11所示。在【类型】中选取【层合板】，默认名称为【Laminate1】，单击【创建】按钮，弹出图14-12所示的【层合板创建器】对话框，创建风电叶片蒙皮的层合板属性。

图14-11 【物理属性表管理器】对话框

图14-12 叶片蒙皮层合板创建

a）如图14-12所示，将【物理属性表】中的【名称】默认为【Laminate1】，【输出格式】默认为【PCOMPC】，在【层合板属性】的【层片失效理论】中选择【Hill】，在【剪切胶合应力】中输入【1370】，【单位】为【N/mm^2（MPa）】；单击【层片铺层】下面的【新建层片】按钮，输入第一层的层片参数如下：【材料】选择【Com_1】，【厚度】输入【4】，【单位】为【mm】，【角度】为【45】，【单位】为【deg】；随后在右侧的【层片草图生成器】中出现相应的视图，依次再输入第二层、第三层的层片参数，材料均为【Com_1】，【厚度】为【4】，【角度】分别为【0】和【-45】，单击【确定】按钮，完成蒙皮层合板的设置。

b）按照上述创建叶片蒙皮层合板的方法创建叶片肋梁的层合板属性，如图14-13所示，【名称】默认为【Laminate2】，【输出格式】默认为【PCOMPC】，在【层合板属性】的【层片失效理论】中选择【Hill】，在【剪切胶合应力】中输入【1370】，【单位】为【N/mm^2（MPa）】；单击【层片铺层】下面的【新建层片】按钮，创建5层层片，【材料】均选择【Com_1】，【厚度】输入【4】，【单位】为【mm】，【角度】分别为【0】、【45】、【90】、【-45】和【0】，【单位】为【deg】，随之在右侧的【层片草图生成器】中出现相应的视图，单击【确定】按钮，完成肋梁层合板的设置，返回至如图14-14所示层合板【物理属性表管理器】对话框。

图14-13 叶片肋梁层合板创建

图14-14 设置好的层合板物理属性

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14-15所示。在【单元族】中选取【2D】，在【收集器类型】中选取【Thin-Shell】，在【物理属性】的【类型】中选择【层合板】，在【壳属性】中选择已经创建好的【Laminate1】，【名称】默认为【ThinShell（1）】，单击【应用】按钮，完成叶片蒙皮网格收集器的设置；按照同样方法创建叶片肋梁的网格收集器，其设置如图14-16所示，单击【确定】按钮。

图14-15 【网格收集器】对话框

图14-16 创建叶片肋梁的网格收集器

6）单击工具栏中的【2D网格】按钮右侧的下拉按钮，弹出【2D网格】对话框，如图14-17所示。在窗口中选择风电叶片蒙皮的48个曲面，【单元属性】的【类型】默认为【CQUAD4】，单击【单元大小】右侧的【自动单元大小】按钮，对话框中出现【119】，手动将其修改为【25】，在【网格质量选项】中勾选【拆分四边形】复选框，在【模型清理选项】中勾选【匹配边】和【合并边】复选框，【目标收集器】中取消勾选【自动创建】复选框，在【网格收集器】中选择上述设置好的【ThinShell（1）】，其他选项按照系统默认，单击【应用】按钮，完成叶片蒙皮2D网格的划分。单击【2D_mesh（1）】节点，可以看到单元总数为24987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。

图14-17 创建叶片蒙皮的网格模型

按照上述的方法，创建风电叶片肋梁的网格模型，在窗口中选择肋梁的37个部件模型，网格划分设置的参数如图14-18所示，基本与蒙皮网格划分设置参数一致。在【网格收集器】选择上述设置好的【ThinShell（2）】，其他选项按照系统默认，单击【确定】按钮，完成叶片网格的划分；肋梁板2D网格的划分，单击【2D_mesh（2）】节点，可以看到单元总数为8872个，划分好的叶片有限元网格模型如图14-19所示。

图14-18 创建叶片肋梁的网格模型

图14-19 划分好的风电叶片有限元网格模型

7）单击工具栏中的【单元质量】按钮，弹出【单元质量】对话框，如图14-20所示。在窗口中选择划分好的网格模型作为【选择对象】，单击【检查单元】按钮，在窗口顶端弹出的【信息】对话框中出现【83个失败单元，973个警告单元】，发现失败和警告单元多在叶片的边缘，不影响模型的使用。

（2）创建仿真模型

1）建立肋梁与蒙皮的接触关系：在工具栏中单击【仿真对象类型】按钮，选择弹出的【边到面粘合】命令，弹出【边到面粘合】对话框，如图14-21所示。【名称】默认为【Edge Gluing（1）】，单击【源区域】下【边区域】右侧的【创建区域】按钮，弹出图14-22所示的对话框。在图形窗口中选择图14-23所示的肋梁2条曲线作为【选择对象】，默认其他选项参数，单击【确定】按钮。单击【目标区域】下【曲面区域】右侧的【创建区域】按钮，弹出图14-24所示的对话框，在图形窗口中选择图14-25所示的曲线对应的曲面作为【选择对象】，其他选项参数按系统默认，单击【确定】按钮。返回到【边到面粘合】对话框中，单击【应用】按钮，完成此肋梁与蒙皮曲面的粘合设置。

图14-20 【单元质量】对话框

图14-21 【边到面粘合】对话框

图14-22 创建边区域

图14-23 边区域选择对象

按照此方法，建立其他肋梁与蒙皮的边与面的粘合，共37对，完成肋梁与蒙皮的粘合设置。

图14-24 创建曲面区域

图14-25 曲面区域选择对象

提示

可以将创建好的边与面连接的部件在图形窗口中隐藏（快捷键为〈Ctrl+B〉），以方便选择定义其他未定义粘合的肋梁和蒙皮的模型部件。

2）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14-26所示。在图形窗口选择叶片模型安装一侧的2条半圆边与2条支撑梁边，单击【确定】按钮，完成模型边界约束条件的定义操作。(www.xing528.com)

3）单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择弹出的【压力】命令，弹出【压力】对话框，如图14-27所示。在图形窗口中选择风电叶片蒙皮的48个部件作为【选择对象】，在【幅值】的【压力】中输入【0.1】，【单位】为【N/mm^2（MPa）】，其他选项参数默认系统设置，单击【确定】按钮，完成风电叶片承受风载压力载荷的定义操作，同时注意在【仿真导航器】窗口的分级树中增加了相应节点。

图14-26 【固定约束】对话框

图14-27 【压力】对话框

4）单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择弹出的【离心】命令，弹出【离心】对话框，如图14-28所示。在【方向】的【指定矢量】中选择【XC】轴，选择【0，0，0】原点作为【指定点】，在【角速度】文本框内输入【14】，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，同时注意在【仿真导航器】窗口分级树中增加的相应节点。

5）单击工具栏中的【载荷类型】按钮右侧的下拉按钮，选择弹出的【重力】命令，弹出【重力】对话框，如图14-29所示。在【方向】的【指定矢量】中选择【XC】轴，其他选项参数均保留系统默认设置，单击【确定】按钮，完成模型离心力载荷的定义操作，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14-28 【离心】对话框

图14-29 【重力】对话框

提示

由于几何模型创建时的参考坐标系与有限元模型使用的坐标系未必相同，所以在施加离心力、重力载荷时要注意坐标系是否正确。

（3）求解及其解算参数的设置

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【模型设置检查】命令，弹出【模型设置检查】对话框，报出材料设置中的20个警告，这是因为在材料设置时这些选项缺省了，系统会提供一些默认设置。其他设置没有任何提示的错误或警告，说明模型可以进行解算。

2）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，如图14-30所示，然后关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，进入后处理分析环境，如图14-31所示。

图14-30 分析作业监视器

图14-31 后处理节点

3）在【后处理导航器】窗口展开【Solution 1】下的【位移-节点的】，双击【幅值】节点，弹出图14-32所示的变形结果图像，右击【Post View 1】，勾选【注释】节点下面的【Maxinum】和【Minumum】复选框，可以单击工具栏上的【拖动注释】按钮进行拖动，发现最大变形为52mm，最大变形处出现在叶片的尾端，符合悬臂梁的力学计算结果趋势。

4）展开【Solution 1】下的【层片失效指数-单元的】，出现层片1到层片5单元的失效指数节点，双击【层片1】下的【标量】节点，可以通过分别勾选【Post View 1】下的【2d_mesh（1）】和【2d_mesh（2）】复选框查看叶片蒙皮和肋梁的层片1单元失效指数，如图14-33和图14-34所示。单击【Post View 1】，勾选【注释】节点下面的【Maxinum】和【Minumum】复选框，可以发现叶片蒙皮与蒙皮层片1单元失效指数最大值均出现在相近的部位，其中蒙皮最大失效指数为0.318，肋梁最大失效指数为0.014。对比可以得知，对于层片1来说，蒙皮要比肋梁容易失效。按照上述方法，查看层片2至层片5的失效指数，图14-35为叶片蒙皮层片2的单元失效指数。随着层数的增加，层片3最容易失效，读者可自行完成，在此不再赘述。

图14-32 叶片的变形结果

图14-33 叶片蒙皮层片1的失效指数结果

图14-34 叶片肋梁层片1的失效指数结果

图14-35 叶片蒙皮层片2的失效指数结果

5）按照步骤4）的方法查看【胶合失效指数-单元的】，图14-36和图14-37分别为叶片蒙皮层片1和肋梁层片1的胶合失效指数。读者可自行查看其他层片的胶合失效指数，在此不再累述。

图14-36 叶片蒙皮层片1的胶合失效指数结果

图14-37 叶片肋梁层片1的胶合失效指数结果

6）按照步骤4）的方法进行查看【层片应力-单元的】，双击【层片1】下面的【Von Mises】，查看叶片蒙皮及肋梁的应力强度情况，通过分别勾选【Post View1】下的【2d_mesh（1）】和【2d_mesh（2）】复选框查看叶片蒙皮和肋梁的层片1单元应力情况，如图14-38和图14-39所示。

图14-38 叶片蒙皮层片1的Von Mises应力结果

图14-39 叶片肋梁层片1的Von Mises应力结果

7）双击【层片1】下面的【最大剪切】，查看叶片蒙皮及肋梁的最大剪切强度情况，通过分别勾选【Post View 1】下的【2d_mesh（1）】和【2d_mesh（2）】复选框查看叶片蒙皮和肋梁的层片1最大剪切应力情况，如图14-40和图14-41所示。

对于其他层片应力结果，读者可自行查看，在此不再赘述。

8）读者还可以通过在工具栏上选择【插入】→【层合板】命令，进行层合板后处理结果的处理，如图14-42所示。可以选择【高级后处理报告】命令生成【高级后处理报告】、【电子表格报告】、【图形后处理报告】、【快速报告】等报告形式，也可以选择【查看层合板】命令，查看指定单元的层合板分析结果情况。图14-43为单元26036层合板分析结果情况，读者可以根据自己的需要进行查看，在此不再赘述。

提示

在选择【高级后处理报告】命令生成【高级后处理报告】、【电子表格报告】、【图形后处理报告】、【快速报告】等报告形式时，要注意这些报告的标题都不支持中文，需要设置为英文，当提示生成报告无效时，需要检查分析的结果是否有效。

9）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，下面对复合材料叶片层合板结构进行约束模态分析。

图14-40 叶片蒙皮层片1的最大剪切应力结果

图14-41 叶片肋梁层片1的最大剪切应力结果

图14-42 工具栏中的层合板结果查看命令

图14-43 查看指定单元的层合板分析结果