UG有限元分析第5章

2）查看工况2中Von-Mises应力云图
按照上述的方法选择【Subcase - Static Loads 2】并展开【应力-单元节 点的】，双击【Von-Mises】节点，并结合其他操作，即可查看相应的应力 云图。
工况2中VonMises应力云 图。
3）退出【后处理】显示模式
单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理导航器】窗口，完成此 次计算任务的操作。以上述2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。
翻转频谱 后的云图
4）查看在疲劳工况下的疲劳损伤云图
将视图颜色调整回【结构】，不勾选【翻转频谱】，双击【疲劳损伤-单元节 点】下面的【标量】节点，查看云图；
结构疲劳 损伤云图
5）查看疲劳安全因子云图
双击【疲劳安全因子】下面的【标量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲劳工况下 的疲劳安全因子云图；
相应节点
2）【疲劳寿命-单元节点】下面的【标量】云图
双击【疲劳寿命-单元节点】下面的【标 量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲 劳工况下的疲劳寿命云图，如图所示。
疲劳寿命 -单元节 点
3）设置后处理视图中【翻转频谱】
在上述疲劳寿命云图基础上，单击相应的【Post View 2】节点，右键单击弹出的【编 辑】命令，弹出【后处理视图】对话框，设置【红灯】为【翻转频谱】选项，查看这 样的视图非常直观。 设置相关 参数
进行查看。
（2）在上述基础上，再增加1.5倍名义应力值载荷，作用周期为500000次循环， 计算结构的疲劳寿命，和上述单疲劳载荷变量条件下的疲劳寿命进行比较。
5.3 问题分析
（1）疲劳计算必须有材料的疲劳属性参数（通过大量测试并统计得到数据，并经历了 众多工程项目的应用和验证）作为基础，因此，在创建有限元模型的过程中，除赋予模 型密度、杨氏模量、泊松比等线性静力学计算参数外，必须指定相应的疲劳属性参数。 （2）疲劳计算采用应力-寿命曲线和应变-寿命曲线，并且选取的疲劳寿命准则一般是基 于应变响应值的，因此在解算结构的静力学时，需要激活其应变输出请求，这样计算出 的应力和应变响应值一起作为后续疲劳计算的依据。 （3）在计算疲劳寿命之前，需要根据静力学计算结果，判断零件在工况下是处于弹变 阶段还是接近于塑变阶段，这样可以合理选取相应的疲劳寿命准则。 （4）可以利用软件提供的【新建疲劳载荷变量】的功能，在一次疲劳解算方案中，允 许增添多个疲劳载荷变量，为在复杂载荷工况条件下计算结构的疲劳寿命提供了条件。
5.4.1 结构静力学分析操作步骤
打开随书光盘part源文件所在的文件夹： Book_CD\Part\Part_CAE_Unfinish\Ch05_Impeller，选中文件impeller.prt，
调出叶轮主模型。本实例先通过静力学【SOL 101 Linear Statics - Global
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5.4.2 单个载荷变量疲劳分析的操作
下面在上述结构线性静力学分析的基础上，按照疲劳分析操作流程，依次选 取应力准则、疲劳寿命准则，定义单个的载荷变量，计算结构在该疲劳条件 下的疲劳寿命，通过各种结果显示方式，来评估该结构的疲劳性能。
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（1）创建工况1的疲劳分析解算方案
创建耐久性仿真方案，依次选取应力准则、应力类型和疲劳寿命准则，分别计算 了两种工作转速下的结构疲劳寿命，通过查看结构的疲劳寿命、疲劳损伤程度、 疲劳安全系数及强度安全系数等指标来评判该结构的疲劳性能。
本章节主要内容: 基础知识
问题描述
问题分析 操作步骤 本节小结
5.1基础知识
选择材料
单击【创建】
单击【确定】
4)网格属性定义
单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】 对话框
单击【确定】
5)划分有限元模型网格
单击工具栏中的【3D四面体网格】图标右侧的小三角，弹出【3D四面体网格】对话框；
设置 相关 参数
单击确定
6）分析单元质量
设置相关参数
单击确定
5）求解
右键单击【Durability 1】节点，选择【求解】命令，弹出【耐久性求解器】对话框；
单击确定
Baidu Nhomakorabea
（2）查看疲劳分析结果
1）在【后处理导航器】窗口的分级树中，依次展开【疲劳寿命-单元节点】、【疲劳 损伤-单元节点】、【疲劳安全系数-单元节点】和【强度安全系数-单元节点】4个节 点，如图所示。
载荷图样 对话框
设置相关 参数
单击确定
新建耐久性2 解算方案节点
（4）查看工况2的疲劳分析结果
在【后处理导航器】窗口依次展开【疲劳寿命-单元节点】、【疲劳损伤-单元节点】、 【疲劳安全系数-单元节点】和【强度安全系数-单元节点】下的4个【标量】节点，查 看云图。 调整过颜色的疲劳 寿命分析结果
1）添加用户定义约束
单击工具栏中【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；
设置相关 参数
单击确定
2）施加载荷：离心力
单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【离心】图标， 弹出【离心】对话框。
离心力1
离心力2
设置相 关参数 设置相关 参数
单击确定
单击应用
（3）求解及其解算参数的设置
在【仿真导航器】窗口的分级树中单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【新建 子工况】命令，弹出新建子工况对话框，设置相关参数，并加入相应的载荷，设置好 的求解工况各个节点显示如图所示。
解算步骤 设置
设置 好的 工况 相关 新增 节点
（4）编辑解算方案相关操作
主要内容大致分为四个部分：
疲劳分析概述
疲劳分析主要参数
疲劳分析操作流程
操作流程
5.2 问题描述
如图为某大型离心压缩机叶轮叶片的实际模型，压缩机叶轮叶片的主要破坏形式 是疲劳破坏，该叶轮叶片的特点是叶片是整体压铸或采用焊接的联结方式，首先 计算该结构线性静力学中的Von-Mises应力和应变值，判断结构在此工况下是否处 于弹变阶段，然后按照最大应力值的工况根据一般的疲劳寿命准则，计算以下条 件的疲劳寿命：
疲劳安全 因子云图
6）查看强度安全系数云图
双击【强度安全系数】下面的【标量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲劳工况下 的强度安全系数云图。
强度安全 系数云图
（3）创建工况2的疲劳分析解算方案并求解
右键单击仿真节点【Durability 1】，选择【克隆】命令，按照上面所述的方法创建工 况2的疲劳分析解算方案，在【载荷图样】中选择【Subcase – Static Loads 2】； 右键单击【Durability 2】节点，激活该解算方案，选择【求解】命令进行求解。
解算监 视器
后处理节 点
1）查看工况1中Von-Mises应力云图
在【后处理导航器】窗口依次展开【Solution 1】，选择【Subcase Static Loads 1】展开【应力-单元节点的】，双击【Von-Mises】节点，并 结合其他设置，即可查看到应力云图；
工况1中VonMises应力云 图。
Constraints】解算模块计算出模型的位移、应力和应变响应值，再借助耐久性解 算模块分析模型在工况下的疲劳性能。
（1）创建有限元模型
1）依次左键单击【开始】和【高级仿真】命令，
在【仿真导航器】窗口的分级树中，单击
【Impeller.prt】节点，进行新建FEM相关操作； 弹出的【新建FEM】对话框，默认【求解器】和 【分析类型】中的选项，单击【确定】按钮即
结构疲劳 损伤云图
疲劳安全系数 的分析结果
强度安全系 数显示结果
（5）退出后处理模式
单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理导航器】窗口，单击工具栏中的 【保存】命令，完成此次计算任务的操作。 本实例叶轮叶片模型中静力学解算结果、2种转速工况下的疲劳寿命分析输出结果的显 示，请参考随书光盘Book_CD\Part\Part_CAE_Finish\Ch05_Impeller\文件夹中 相关文件，操作过程的演示请参考随书光盘文件Book_CD\AVI\Ch05_ Impeller_AVI。


5.4 操作步骤
5.4.1 结构静力学分析操作步骤 创建有限元模型 创建仿真模型 求解及其解算参数的设置 5.4.2 单个载荷变量疲劳分析的操作 创建工况1的疲劳分析解算方案


查看疲劳分析结果
创建工况2的疲劳分析解算方案并查看分析结果 查看工况2的疲劳分析结果
单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】检查对话框，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【信息】 窗口；
选择 对象
单击 命令
（2）创建仿真模型
在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【Impeller_fem1.fem】节点，右键单击弹出 的【新建仿真】命令，进行新建仿真相关操作。 单击弹出的【新建仿真】对话框中的【确定】按钮，弹出【创建解算方案】对话框中， 进行相关设置后即可进入仿真模型环境。同时注意在【仿真导航器】窗口分级树中增 加了相应的节点。 解算方案 对话框设 置
第5章 结构静力学和疲劳分析实例精讲—叶轮叶片分析
本章内容简介 本实例首先利用UG NX高级仿真中的静力学【SOL 101 Linear Statics Global Constraints】解算模块，以叶轮叶片为分析对象，依次创建有限元模型
和仿真模型，计算出该模型的位移和应力值，以此作为疲劳分析的名义值，通过
5.5 本章总结
（1）本实例还可以克隆多个线性静力学解算方案，在相同的工况条件和疲劳载 荷变量前提下，修改不同的疲劳寿命准则进行计算，查看疲劳分析计算结果的变 化情况。 （2）如果叶轮叶片工作转速再增加，得出的应力已经超出了材料的屈服极限， 那么该结构已经处于塑性变形阶段，这时需要选取应变准则（最大主应变或者最 大剪应变寿命准则）来计算，才能较为可靠地去评估结构的疲劳寿命。 （3）本实例只进行了单一载荷作用下的疲劳寿命分析，在实际的产品设计和计 算中，涉及到的载荷可能有多个，可以在增加各种耐久性（静力、瞬态、随机） 事件进行多载荷激励的疲劳分析。
右键单击【Solution 1】节点选择【编辑】命令，弹出编辑【解算方案】对话框，激 活【单元迭代求解器】；激活【启用STRAIN（应变）】请求选项； 单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单 击【确定】按钮系统开始求解，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境；
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2）【几何优化】对话框【定义目标】设置
右键单击仿真节点【Durability 1】，选 择【新建事件】图标下的【静态】图标， 如图所示，默认【事件名称】为【Static Event 1】及【静态解列表】下为 【Solution 1-SOL 101 SCS】。 设置相关 参数与
可进入了创建有限元模型的环境，注意在【仿
真导航器】窗口分级树上出现了相关的数据节 点。
新建FEM 对话框
2)自定义材料
单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料】对话框；
单击该 命令
单击确定
AISI_STEEL_434 0材料信息
3)创建物理属性
单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框
单击确定
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3）【强度】下的【编辑强度设置】
单击【强度】下的【编辑强度设置】图标，弹出如图所示的对话框；
设置相 关参数
单击确定
4）【疲劳】下的【编辑疲劳设置】
切换到【几何优化】对话框的【定义设计变量】 窗口，如图所示，单击【创建设计变量】图标， 弹出【定义设计变量】对话框，在【设计变量】 中选择【草图尺寸】图标
叶轮叶片实际 模型
工况条件
材料为AISI_STEEL_4340（屈服极限为1178MPa，抗拉极限为1240MPa），中间叶轮 孔面安装在转轴上，分别考察工作转速为29384r/min，33800r/min工况下的径向 与切向的位移以及应力强度情况； （1）假设该模型受到1倍名义应力值载荷，作用周期为1000000次循环，计算 结构的疲劳寿命，分别按照强度安全因子、疲劳安全因子和疲劳寿命等评价指标
1）在【仿真导航器】窗口分级树中单击【impeller_sim1.sim】节点，右键依次单击弹 出的【新建解算方案过程】，选择【耐久性】命令。默认【耐久性求解过程名称】为 【Durability 1】，单击【确定】命令，注意到仿真导航器窗口的分级树中出现相应的数 据节点。 耐久性对 话框
单击确定