62-NX NASTRAN在压力容器应力分析中的应用

NX NASTRAN 在压力容器应力分析中的应用谢涛1 刘岩1（1.大连市锅炉压力容器检验研究所,大连,116013）摘要：NX Nastran具有很强的线性分析功能和非线性分析功能，能够满足压力容器应力分析的需求。

以压力容器典型的受内压圆筒径向接管结构为例，利用NX CAD的强大建模功能以及CAD&CAE的无缝集成，进行了应力分析以及线性化处理，成功证明了NX Nastran在压力容器分析设计中应用的可行性、方便性。

关键词：NX Nastran；压力容器;CAD&CAE无缝集成；线性化处理；应力分析NX Nastran Application in Pressure Vessle Stress AnalysisXie tao1Guo Tao2 Liu Yan3Abstract: There is very powerful analysis function in NX Nastran, especially in linear analysis and nonlinear analysis. It can meet the need of pressure vessel stress analysis.Typical pressure vessel structure of internal pressure cylinder with nozzle as an example, stress analysis and linearization are implemented by use of modeling function of NX CAD and integration of CAD&CAE. It is fully proved that it is feasible and convienent in pressure vessel stress analysis by NX Nastran.Key words: NX Nastran; Pressure Vessel; Integration of CAD&CAE; Linearization; Stress AnalysisNX Nastran的前身是MSC Nastran，2002年11月美国联邦贸易委员会（FTC）为反垄断裁定MSC.Software公司必须共享MSC Nastran最新商业版，即v2001r9，该版本即为NX Nastran V1.0。

共享内容包括了Nastran开发、销售用的所有MSC NASTRAN的源代码、目标代码、测试案例、开发环境和所有文档的永久使用权许可。

2003年9月，NX Nastran产品正式发布。

FTC的裁决使MSC公司的雇员名单得到共享，已经有许多资深Nastran专家加盟UGS PLM Solution公司（现Siemens PLM Software公司），如前MSC首席算法专家Dr.Louis Komzsik、前MSC数值计算专家Dr.Tom Kowalski等等。

1 NX Nastran功能简介NX Nastran技术功能可以实现：1）静力分析：除一般分析功能之外还提供结构的重量和重心数据，支持全范围的材料模式。

同时支持具有惯性释放的静力分析（无约束状态下的准静态响应）、非线性静力分析（包括几何非线性、材料非线性和接触非线性等）。

2）屈曲分析：主要用于结构特定载荷下稳定性以及失稳的临界载荷。

包括线性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非线性屈曲分析（几何非线性屈曲分析、弹塑性屈曲分析以及非线性后屈曲分析）。

算法上，NX Nastran采用先进的微分刚度概念，考虑高阶应变-位移关系，结合NX Nastran特征值提取算法可精确判别出相应的失稳临界点。

该方法较其他有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。

3）动力学分析：具有其他有限元软件所无法比拟的强大的动力学分析功能，包括正则模态及复特征值分析、（直接、模态）频率和（直接、模态、非线性）瞬态响应分析、（噪）声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。

NX Nastran 提供求解所需的动力和阻尼单元。

4）非线性分析：NX Nastran 强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品，减少额外成本提供了一个十分实用可靠的工具。

包括几何非线性分析、材料非线性（支持V on Mises 、Tresca 、Mohr Coulomb 、Drucker-Prager 屈服准则，蠕变分析可利用ORNL 定律或Rheological 模拟）、非线性边界（接触问题）、非线性瞬态分析、非线性单元（非线性阻尼、弹簧、接触单元等）。

NX Nastran 非线性分析提供N-R 法、改进Newton 法、弧长法、Newton 与弧长混合法、两点积分法、Newmark β 法及非线性瞬态分析过程中的自动时间步调整功能等丰富的迭代和运算控制算法。

5）热传导分析：可以计算热分布状况，直观地看到结构内潜热、热点位置及分布，提供广泛的温度相关的热传导分析（线性/非线性稳态热传导、线性/非线性瞬态热传导、对流、相变、热腔分析）。

NX Nastran 支持稳态或瞬态热传导分析的线性、非线性两种算法。

此外，NX Nastran 还应用于流固耦合分析、空气动力弹性及颤振分析、多级超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析、复合材料分析等。

可见，NX Nastran 的分析功能已经完全囊括了压力容器应力分析涉及的内容，能够满足这一特定领域的需求。

2 NX CAD 建模功能众所周知，UG NX 的CAD 模块为高端技术产品，具有强大的CAD 参数化建模功能。

依托于CAD 强大建模功能，可以方便、快捷的完成压力容器分析设计中模型的构建，相对于以往压力容器ANSYS 建模，大大提高了模型处理效率。

同时NX 还提供了宏文件录制功能以及基于知识建模的知识熔接（Knowledge Fusion ）等自动建模技术工具，可以实现结构的自动创建与分析。

宏文件以及KF 语言都可以用普通的文本文件进行编辑与修改，方便，易学，易懂。

譬如压力容器典型支管结构的倒角造型，在NX CAD 中建好基本模型之后，不同于ANSYS 中先生成圆角再生成蒙皮的方法，直接运用一个边倒角命令便可迅速生成所要倒角相冠线，如图1所示图1 NX CAD 迅速生成倒角 以往分析中，经常采用CAD 建模功能较方便的系统构建模型，然后再通过中间标准格式（譬如IGES 、Pasolid 、STEP 等）导入CAE 分析工具进行模型的有限元分析，但是这种方法，中间格式的传递常常因为不兼容性而导致部分模型参数的丢失，而给模型的修补带来很大的工作量，减缓了工作效率。

并且这种方法是单向的，当分析模型改变时，还要重复同样的工作，浪费大量的时间。

而NX 实现了CAD&CAE 一体化集成方案，实现了CAD 参数化建模、网格划分等功能的无缝集成，并支持其他CAD 软件的模型数据文件的导入,为用户提供了很大的方便。

3 应力线性化功能NX 的应力线性化程序在美国已经得到普遍的认可，根据CODAP95(E) -C10/351,薄膜应力张量采用计算公式：1t ij ij dx t σσ=∫ 弯曲应力张量采用计算公式： 206()2tijb ij tx dx t σσ=−∫ 计算步骤为：1） 确定关心的区域2） 在锁定区域绘制显示xx S 应力云图3） 围绕厚度突变区域沿壁厚方向在不同点（点越多越好）找到应力4） 计算积分找出弯曲应力和薄膜应力值5） 重复以上步骤寻找xx S ,yy S ,zz S ,xy T ,yz T ,xz T6） 计算弯曲主应力和薄膜主应力7） 按照下式对弯曲应力和薄膜应力进行积分获得应力值21121(1)/21(1)/25(4)212211()() [()4()()](()) 3n k k n x x x x k n k k k k f x dx f x dx h f x f x f x O h f x +−−=−−+===+++∑∫∫∑ 212221,3k k k k h x x x x n +−=−=−>，n 为奇数如图2所示，一般在NX 中一个评定路径要求分为20段。

图 2 应力线性化功能 PROBE FOR VALUES ATDIFFERENT LOCATIONS4 应用实例以压力容器中最为常见典型的受内压圆筒径向接管结构为例（图3）介绍NX Nastran 在压力容器中的应用。

结构示意如图所示：图3 径向接管结构力学模型与有限元模型如图4、图5所示。

1 力学模型：取1/4模型2 单元类型：选取3D 六面体单元3 边界条件：施加边界条件如图所示，施加均布压力P=10MPa图4 力学模型 图5 有限元模型采用NX Nastran5.0为解算器。

应力分布如图6所示，可见最大应力点在内壁与套筒连接不远处，轴向应力大小为5.191e2MPa 。

在最大应力节点处设置路径A ，如图7所示。

图6 应力分布图 图7 最大应力点评定路径A附表1 沿应力评定路径A线性化处理结果（Unit：Kpa）****************************Stress Linearization Program(c)MMIV Alcyon Engineering****************************================================Stress Linerization(c) Alcyon Engineering Pvt. Ltd.================================R E S U L T S================================Membrane Stress XX=65657.21Bending Stress XX=124636.5================================Membrane Stress YY=417953.3Bending Stress YY=-49304.2================================Membrane Stress ZZ=36079.4Bending Stress ZZ=79025.34================================Membrane Stress XY=3601.286Bending Stress XY=4827.36================================Membrane Stress XZ=-21527.64Bending Stress XZ=-57273.76================================Membrane Stress YZ=3489.186Bending Stress YZ=1932.377================================MaxValue Membrane is 392921.7MaxValue Bending is 212963.4MaxValue M+B is 303790.7MaxValue M-B is 554295.15 总结1．NX系统的前处理模块将CAD建模、网格划分、参数化等功能无缝整合，并支持其他CAD软件的模型数据文件的导入,为用户提供了很大的方便。