UG结构分析(一)

指定边界条件
• 指定边界的 几何类型为 Face • 因为拉手将 被三个螺丝 连接，所以 选择三个凸 台的内表面
• 选择”固 定” • 点击”下 一步”两 次结束约 束.
模拟分析
• 如右图所示，设定“检查 仿真出错”（Error Checked Simulation）: on，单击“执行仿真” （Perform Simulation） 键进行模拟分析。系统自 动划分有限元网格和优化 后，进行运算，大约需要 几分钟，由电脑硬件性能 决定。
• 材料为ABS • 载荷Force，载荷为 500N。 • 说明： • 设定最大受力为 500N。 • 进入分析菜单。设定 Error Checked Simulation: on，按 Perform Simulation 键进行模拟分析。系 统将更新有限元网格 并优化后，重新解算， 大约需要几分钟，由 电脑硬件性能决定。
历史典故
早期 ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYS最早是在1970年发布 的，运行在价格为＄1，000，000的CDC、由Univac和IBM生产的计算机 上，它们的处理能力远远落后于今天的PC机。一台奔腾PC机在几分钟内 可求解5000×5000的矩阵系统，而过去则需要几天时间。
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结构分析的目的
单元:
一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 面或实体以及二维或三维的单元等种类。
载荷
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连 接，并承受一定载荷。
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节点和单元 (续)
信息是通过单元之间的公共节点传递的。
2 nodes
. .
A
.
.
. .
B
. .
1、克服传统设计方法的不足。 以往的设计大都是基于经验的，基于经验的设 计在以往的产品开发中取得了巨大的成功，但也存 在一些不足，一般只能解决行不行的问题，很难解 决优不优的问题，并且经验的积累需要时间，有时 也不可靠。 比如:直径800mm 和直径1000mm的井盖多厚合适呢? 2、评价设计、优化设计。 尽管为了解决结构优化的问题，也有人提出了 一些新的设计理念，解决上述问题的根本手段就是 采用合理的、科学的方法对上述性能进行分析。
• 产品安全系 数仍然为2.0 • 解算完成后， 试分析产品 性能是否安 全。
• 解决措施 • 为了防止零件发 生破坏，建议采 用强度更高的材 料ABS-GF。 ABS-GF的屈服 极限为75MPa。 请大家自己验证。
思考题:
• 简单的说在产品开发过程中,产品成本决定 一切,用少的投入得到更大的价值才是设计 的根本. • 试着将该门把手在某些品质出现问题的细 节地方进行重新设计,争取在不更换材料,不 改变门把手整体结构的情况下,满足力学要 求.
此处中文版NX容易出错,建议 使用 英文版
• 单击“结构性 能” （Structural Performance） 键，观察结构 性能。零件表 面显示为绿色 表示该零件性 能很好。
按Display Options键， 设定Show Mesh Edges: on，按OK键， 结果显示如右图。
• 按Displacements键， 观察位移情况。最大 位移为0.1366mm （红色区域）。
例如：要计算 以下定积分
f ( x ) dx
a b
y
y f ( x)
从定积分的定义出 发，可以将曲线分成若 干小段，用若干矩形面 积之和作为近似解，如 果在小段内用简单函数 逼近曲线，在有限范围 内结果精度可以得到显 著提高。
x
物理系统举例
几何体 载荷 物理系统
结构
热
电磁
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有限元模型
如何把零件的模型和工况在软件中模拟呢? 我们需要知道那些条件才能模拟呢?
结构分析入门 -------强度向导
强度向导（Strength Wizard）是在 UG NX 内一个集成的有限元分析系统。它是供设 计人员使用的，可以直接对 UG NX的单个实体做基本的结构分析。 强度向导的分析流程如图所示：
有限元结构（静力）分析的基本过程
结构分析的有限元模型一般由下列6部分组成： 1、 选择NX几何体 2、 定义材料特性
选择材料。材料特性可以在建模中利用tools→Material Properties命令预定义，或从强度向导库中选择一种材料。特性被 存取并自动的分配给实体。
第一章 基于NX的CAE入门
• 王丽 • 7696129
关于NX的CAE我们主要学习两 部分内容: 1.结构分析(Structure)
2.运动仿真(Motion)
结构分析
本学期将学习结构分析，即高级仿真模块。
结构分析研究的问题
• 在目前阶段我们使用UG的结构分析模块所研究的问题都是以材料力 学为理论依据的. • 因此我们主要研究以下三个方面: 一.构件是否有足够强度? 强度是指材料承受外力而不被破坏(不可恢复的变形也属被破坏)的能力. 根据受力种类的不同分为以下几种: (1)抗压强度--材料承受压力的能力. (2)抗拉强度--材料承受拉力的能力. (3)抗弯强度--材料对致弯外力的承受能力. (4)抗剪强度--材料承受剪切力的能力. 二.构件是否有足够刚度? 刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。 三.构件是否有足够稳定性?
单击下一步， 为实体选择 材料,选择塑 料ABS
加载
单击下一步，弹出 右图窗口，指定承 载对象的几何类型 为Face
• 选择拉手内表面,如 右图: • 点”下一步” • 选择载荷类型为力 (Force)
• 点击”下一 步”,指定力的 大小为50N,方 向为＋ZC轴 • 点击两次”下 一步”,结束加 载
实验方法也存在不足： • 1）实验一定要在样品或样机试制之后才能 进行，成本高、周期长，并且只适合批量 生产的产品。 • 2）可以获得的数据量有限，无法对设计提 供更多的指导，更无法进行结构优化。 • 3）受实验手段的限制，有些参数无法测准。
2、基于理论计算的分析方法
指通过理论分析或数值计算获取所需的性能参数 的分析方法，目前在结构领域应用最广泛的就是“有 限元方法”，也是我们要重点研究内容，与实验方法 相比，理论计算方法的优点是显而易见的： 1）经济、快捷，成本低、周期短。（与实验相比） 2）一次分析可以获得大量的数据。 3）可以与设计同步进行。 4）可以配合优化算法，对设计进行优化。 目前主要的问题是，对于复杂问题分析精度不易 控制，分析结果受模型质量影响较大，算法本身也存 在一定缺陷。
结构仿真基础? 结构仿真=有限元结构分析 有限元结构分析基于
“工程力学”+”有限元解算”
结论:
基于NX 平台,学好你的 “工程力学”
结构仿真实例:车顶压跨分析
目的: 决定 1)极限强度 2) 乘客撞击
40000 35000 30000
Force (N)
25000 20000 15000 10000 5000 0 0 50 100 150 200 250 300
有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。
定义
真实系统
有限元模型
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自由度（DOFs）
自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。
UY ROTY
方向 结构 热 电 流体 磁
自由度 位移 温度 电位 压力 磁位
ROTZ UZ
UX ROTX
结构 DOFs
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节点和单元
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。
. .
A
1 node
.
.
.
B
.
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分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 （需进行节点合并处理）
具有公共节点的单元 之间存在信息传递
节点和单元 (续)
节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。
J 三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ I L K 二维或轴对称实体单元 UX, UY I L K J P 三维实体结构单元 UX, UY, UZ M L I N K J 三维四边形壳单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ O J
• 按Answer Quality键， 评估零件的质 量。可见绝大 部分网格（蓝 色）非常安全， 但需要注意在 螺丝孔附近的 一些网格（黄 色）处于安全 的边缘状态。
• • • • • • • • •
按Next键，生成网页格式 （html）的分析报告 Title：Strength Analysis of Drawer Author：学生姓名（英文） Company Name：MECH 按Finish键，开始报告制作 按OK键多次，为报告中的性 能／位移／应力／质量捕捉 图片 按Yes键，保存分析数据 检查报告文件 切换到IE浏览器窗口，检查刚 生成的报告文件（注意在 NX4.0中此时可能不会生成报 告）。
Displacement (mm)
Avi:
关于结构分析的工程力学知识参看: <<结构分析及有限元分析基础知识.pdf>>
有限元方法简介 有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是： “Finite Element Method”。这种方法最初起源于结构分析，由结 构力学的位移法发展而来。
drawerfinish50sim单击确定进入强度向导窗口选择整个冰箱拉手作为要分析的实体定义材料10单击下一步为实体选择材料选择塑料abs11单击下一步弹出右图窗口指定承载对象的几何类型为face加载12选择载荷类型为力force13点击下一步指定力的大小为50n方向为zc轴点击两次下一步结束加14指定边界条件指定边界的几何类型为face因为拉手将被三个螺丝连接所以选择三个凸台的内表面15点击下一步两次结束约如右图所示设定检查仿真出错errorcheckedsimulation
• 更改模型 • 按Offset Faces 或 图标，选择红色曲 面，偏移距离为1mm。 • 说明： • 因为安装干涉问题， 需要在此表面留出 1mm余量。 • 将文件另存为 drawer_finish_1.prt
• 进入强度向导 Strength Wizard • 按 AnalysisStren gth Wizard，创 建一个新的仿真 文件 drawer_finish_5 00.sim
什么是有限元分析? 本节我们先通过强 度向导对NX的结 构分析过程进行一 个了解
实例分析------冰箱拉手的强度分析
本实例为冰箱拉手，如图2所示，进行一下分析： 1. 该拉手的材料为ABS，与冰箱之间采用三个螺丝连结，正常开门时的拉力 为50N，安全系数为2，分析拉手的强度是否足够？ 2. 因为设计问题，在装配时发现拉手与冰箱之间有干涉，干涉量为1mm，只 能对拉手进行更改。开门时的极限拉力为500N, 分析拉手的强度是否足够？ 3. 如果拉手的材料改为ABS-GF，分析拉手的强度是否足够？
数值分析与实验分析的比较
分析方法可分为理论计算和实验两大类。 1、基于实验的分析方法 指通过的实验测试获取需要的性能参数的方 法。这种方法获取不同的性能参数需要采用不同 的测试方法、仪器设备和辅助实验装置。如：强 度实验，可以采用电阻应变片及应变仪、光弹涂 膜或云纹栅、应变涂料等；扭转与弯曲刚度实验 则需要专门的实验台等等。 实验方法的最大优点是结果真实可靠，通常 被当作产品最终定型的权威性依据。
1956年美国航空工程师Turner和Clough为分析飞机结构，将结 构力学的矩阵位移法原理推广到弹性力学的平面问题，获得巨大成 功，分析结果与实验数据非常吻合。之后Clough又用这种方法处理 了一些复杂的平面弹性力学问题并于1960年首次提出“有限单元法” 这个名词。 有限元的基本思想就是分片逼近 。
• 打开文件drawer_finish.prt • 进入建模应用. • 进入强度向导.
定义材料
• 按AnalysisStrength Wizard，弹出右图窗 口，在同一目录下创 建仿真文件： drawer_finish_50.sim .
• 单击确定进入强度向 导窗口，选择整个冰 箱拉手作为要分析的 实体
三维梁单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
I
I P M L I N K J J
O
三维实体热单元 TEMP
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节点和单元 (续)

每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 尽管梯子的有限元模型低于100个方程（即“自由度”），然而在 今天一个小的 ANSYS分析就可能有5000个未知量，矩阵可能有25， 000，000个刚度系数。
• 按Animation中 的Play键，可以 看到位移的动态 变化情况。
• 按Stresses键，观 察应力分布。最大 应力为3.079MPa （红色区域），而 ABS的屈服极限为 40MPa。 40/3.079=12.99 • 按Animation中的 Play键，可以看到 应力的动态变化情 况。