1、第 1 章高级仿真入门在本章中，将学习：高级仿真的功能。由高级仿真使用的文件。使用高级仿真的基本工作流程。创建 FEM 和仿真文件。用在仿真导航器中的文件。在高级仿真中有限元分析工作的流程。1.1综述UG NX4 高级仿真是一个综合性的有限元建模和结果可视化的产品，旨在满足设计工程师与分析师的需要。高级仿真包括一整套前处理和后处理工具，并支持广泛的产品性能评估解法。图 1- 1 所示为一连杆分析实例。图 1- 1连杆分析实例高级仿真提供对许多业界标准解算器的无缝、透明支持，这样的解算器包括 NXNastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如，如果结构仿真中创建网格或
2、解法，则指定将要用于解算模型的解算器和要执行的分析类型。本软件使用该解算器的术语或“语言”及分析类型来展示所有网格划分、边界条件和解法选项。另外，还可以求解模型并直接在高级仿真中查看结果，不必首先导出解算器文件或导入结果。高级仿真提供基本设计仿真中需要的所有功能， 并支持高级分析流程的众多其他功能。高级仿真的数据结构很有特色，例如具有独立的仿真文件和 FEM 文件，这有利于在分布式工作环境中开发有限元（FE）模型。这些数据结构还允许分析师轻松地共享 FE 数据去执行多种类型分析。UG NX4 高级仿真培训教程2高级仿真提供世界级的网格划分功能。本软件旨在使用经济的单元计数来产生高质量网格。结构
3、仿真支持完整的单元类型（1D、2D 和 3D）。另外，结构级仿真使分析师能够控制特定网格公差。例如，这些公差控制着软件如何对复杂几何体（例如圆角）划分网格。高级仿真包括许多几何体简化工具，使分析师能够根据其分析需要来量身定制CAD 几何体。例如，分析师可以使用这些工具提高其网格的整体质量，方法是消除有问题的几何体（例如微小的边）。高级仿真中专门包含有新的NX 传热解算器和 NX 流体解算器。NX 传热解算器是一种完全集成的有限差分解算器。它允许热工程师预测承受热载荷系统中的热流和温度。NX 流体解算器是一种计算流体动力学（CFD）解算器。它允许分析师执行稳态、不可压缩的流分析，并对系统中的流体
4、运动预测流率和压力梯度，也可以使用 NX 传热和 NX 流体一起执行耦合传热/流体分析。1.2仿真文件结构当向前通过高级仿真工作流时，将利用 4 个分离并关联的文件去存储信息。要在高级仿真中高效地工作，需要了解哪些数据存储在哪个文件中，以及在创建那些数据时哪个文件必须是激活的工作部件。这 4 个文件平行于仿真过程，如图 1- 2 所示。图 1- 2仿真文件结构正被分析的原设计部件一个有.prt 扩展名的部件文件。例如，一个可以被命名为 plate.prt 的部件。部件文件含有主模型部件或一装配，及一个未修改的部件几何体。如果用一个由其他人设计的模型启动，可能没有修改它的权艰。在分析过程时期，通
5、常主模型部件文件是不被修改的。设计部件文件的理想化复制当一个理想化部件文件被建立时，默认有一.prt 扩展名，fem#_i 是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt，一个理想化部件被命名为 plate_fem1_i.prt。一个理想化部件是原设计部件的一个相关复制，可以修改它。理想化工具让用户利用理想化部件对主模型的设计特征做改变。不修改主模型部件，第 1 章高级仿真入门3而按需要在理想化部件上执行几何体理想化。例如，可以移去和抑制特征，如在分析中被忽略的小的几何细节。对同一原设计部件文件的不同类型分析可以使用多个理想化文件。有限元模型（FEM）文件当建立一 FEM 文件时默认
6、有一个.fem扩展名，_fem#是对部件名的附加。例如，如果原部件是plate.prt，一个FEM 文件被命名为 plate_fem1.fem。一个有限元模型文件含有网格（节点与单元）、物理特性和材料。一旦建立了网格，可以利用简化工具移去可以影响网格总质量设计中的人为对象，如细长条面、小边缘和峡部条件。简化工具允许相应一特定有限元分析在充分捕捉设计意图的细节级上网格化几何体。几何体提取发生在存储于 FEM 中的多边形几何体上， 而不是在理想化的或主模型的部件中。多个 FEM 文件可以引用同一理想化部件，可以对不同类型构建不同的 FEM 文件。仿真文件当建立一仿真文件时，默认一个仿真文件有一.s
7、im 扩展名，_sim#是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt，一个仿真文件被命名为 plate_sim1.sim。仿真文件含有所有仿真数据，如解答、解算设置、载荷、约束、单元相关的数据、物理特性和压制，可以对文件建立许多关联到同一 FEM 的仿真文件。当执行多个分析类型时，4 个分离的文件提供灵活性。如果允许更新，4 个文件是关连的。1.3高级仿真工作流程在开始一个分析前，应该对试图求解的问题有一彻底了解。应该知道将利用哪个求解器，正在执行什么类型的分析和需要什么类型的解决方案。下列简要摘录了在结构仿真中通用的工作流程。（1）在 NX 中，打开一部件文件。（2）启动高级仿真
8、应用。为 FEM 和仿真文件规定默认求解器（设置环境，或语言）。注意：也可以选择先建立FEM 文件，然后再建立仿真文件。（3）建立一解决方案。选择求解器（如 NX Nastran）、分析类型（如 Structural）和解决方案类型（如 Linear Statics）。（4） 如果需要， 理想化部件几何体。 一旦使理想化部件激活，可以移去不需要的细节，如孔或圆角，分隔几何体准备实体网格划分或建立中面。（5）使 FEM 文件激活，网格划分几何体。首先利用系统默认自动地网格化几何体。在许多情况下系统默认提供一好的高质量的网格，可无须修改使用。UG NX4 高级仿真培训教程4（6）检查网格质量。如果
9、需要，可以用进一步理想化部件几何体细化网格，此外在FEM 中可以利用简化工具，消除当网格划分模型时由 CAD 几何体可能引起的不希望结果的问题。（7）应用一材料到网格。（8）当对网格满意时，使仿真文件激活、作用载荷与约束到模型。（9）求解模型。（10）在后处理中考察结果。1.4仿真导航器仿真导航器（Simulation Navigator）提供在一树状结构中，一个观察和操纵一 CAE分析的不同文件和组元的图形方法。每一个文件和组元被显示为在树中的一分离节点，如图 1- 3所示。在仿真导航器中提供了直接存取直通快捷菜单。可以在仿真导航器中直接执行大多数操作，代替使用图标或命令。例如，建立一新的求
10、解定义，可以把载荷和约束从一容器拖到仿真导航器的另一个中。图 1- 3仿真导航器第 1 章高级仿真入门51.4.1真导节在 仿航 器 中 的点仿真导航器的顶部面板列出显示文件的内容。如图 1- 4 所示为在一个顶级仿真文件内的容器例子。选中复选框可以控制项目的显示。图 1- 4仿真导航器中的各种节点表 1- 1 所示的是仿真导航器中各种节点的高级综述。表 1- 1仿真导航器节点描述图标节点名节 点 描 述仿真含有所有仿真数据，如专门求解器、解决方案、 解决方案设置、仿真对象、 载荷、 约束和压制。 可以有多个仿真文件与一单个 FEM文件关联FEM含有所有网格数据、物理特性、材料数据和多边形几何
11、体。FEM文件总是相关到理想化。 可以关联多个 FEM 文件到一单个理想化部件理想化部件含有理想化部件，当建立一 FEM 时由软件自动建立主模型部件当主模型部件是工作部件时，在主模型部件节点上右击建立一新的 FEM 或显示已有的理想化部件多边形几何体含有多边形几何体（多边形体、表面和边缘）。一旦网格化有限元模型，任何进一步几何体提取发生在多边形几何体上，而不是在理想化或主模型部件上UG NX4 高级仿真培训教程6续表图标节点名节 点 描 述0D 网格含有所有零维（0D）网格1D 网格含有所有一维（1D）网格2D 网格含有所有二维（2D）网格3D 网格含有所有三维（3D）网格仿真对象容器含有解算
12、器和解决方案专有的对象，如自动调温器、表格或流动表面载荷容器含有指定到当前仿真文件的载荷。在一解决方案容器内，载荷容器（Load Container）含有指定到给件子工况的载荷约束容器含有指定到当前仿真文件的约束。在一解决方案容器内， 约束容器（Constraint Container）含有指定到解决方案的约束解决方案含有解决方案对象、载荷、约束和对解决方案的子工况子工况步含有一解决方案内每一个子工况解决方案的实体，如载荷、约束和仿真对象结果含有从一求解得来的任一结果。在后置处理器中， 可以打开结果节点，并利用在仿真导航器内的可见复选框去控制各种结果组的显示1.4.2真视图仿文 件仿真文件视图
13、是一个特殊浏览器窗口，存在于仿真导航器中。该窗口：显示所有已加载的部件， 以及这些部件到主模型部件层次关系中的所有 FEM 和仿真文件。允许轻松更改显示的部件，方法是双击要显示的部件。如果某一实体正在显示，图标则显示为彩色，且名称会高亮显示。如果某一实体不在显示，图标则变灰。允许在任何设计或理想化部件上创建新的 FEM 和仿真文件，而不必首先显示部件。仿真文件视图如图 1- 5 所示。第 1 章高级仿真入门7图 1- 5仿真文件视图1.5练习在本练习中利用一三维实体网格，分析一个连接杆部件，了解高级仿真工作流程，并学习：打开部件及建立 FEM 和仿真文件。在网格化前理想化几何体。网格化部件。为
14、网格定义一材料。作用载荷和约束到部件。求解模型。观察分析结果。第 1 步打开部件，启动高级仿真在 NX 中，打开 rod.prt 部件，如图1- 6 所示。启动 Advanced Simulation 应用。 选择 StartAllApplicationsAdvanced Simulation。在资源条上，单击Simulation Navigator 图标 。单击销（pin）图标 保持仿真导航器打开。在仿真导航器中，右击rod.prt 并选择 New FEM and Simulation。如图 1- 7 所示， New FEM and Simulation 对话框列出 3 个已自动建立的新文件
15、。 DefaultUG NX4 高级仿真培训教程8Language 下 NX NASTRAN 为求解器，Analysis Type 选择 Structural。图 1- 6rod.prt图 1- 7New FEM and Simulation 对话框单击New FEM and Simulation 对话框中的 OK按钮。出现 Create Solution 对话框，如图1- 8 所示，默认 Solver 是 NX NASTRAN。单击Create Solution 对话框中的 OK 按钮。Simulation Navigator 显示 Simulation 和 FEM 文件，如图1- 9 所示
16、。图 1- 8Create Solution 对话框图 1- 9仿真导航器第 2 步理想化几何体对此练习，某些设计特征可以从部件移去，因为它们对分析是不重要的。在Simulation Navigator中， 如果Simulation File View是被折叠， 单击Simulation File第 1 章高级仿真入门9View 条打开它。双击rod_fem1_i。提示：也可以选择文件名，右击并选择 Make Displayed Part。理想化的部件现在在仿真导航器中被激活。在 Advanced Simulation 工具栏中，单击 Idealize Geometry 图标。随 Ideali
17、ze 对话框打开，选择部件。选中Holes 复选框。注意：设置直径到 10，两个螺栓孔被亮显，因为每一个直径小于或等于 10 mm。单击OK 按钮。孔从理想化部件被移去，如图 1- 10 所示。图 1- 10理想化部件单击Save 图标，存储激活的文件。第 3 步划分部件网格为了划分部件网格，首先需要使 FEM 文件激活。在 Simulation File View 中，双击 rod_fem1。FEM 文件被激活并列在仿真导航器的顶部 。在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 3DTetrahedral Mesh 图标。提示：也可以从仿真导航器中右击 rod_fem1 并选
18、择 New Mesh3D Tetrahedral，建立网格。随 3D Mesh 对话框打开，选择实体。从 Type 列表选择 CTETRA（10）单元。注意：CTETRA（10）和 CTETRA（4）是 NASTRAN 单元类型。在 Overall Element Size 框中加入 4.0。单击OK 按钮建立网格，如图1- 11 所示。如图 1- 12 所示，3D 网格被列在 Simulation Navigator 中。UG NX4 高级仿真培训教程10图 1- 11网格化部件图 1- 12网格节点单击Save 图标，存储 FEM 文件。第 4 步为网格定义一材料在 Advanced Si
19、mulation 工具栏上，单击 Material Properties 图标。提示：也可以选择 Tools Material Properties。在 Materials 对话框中，单击 Library 图标。在 Search Criteria 对话框中，单击 OK 按钮。在 Search Result对话框中，选择名为 Steel的材料，然后单击 OK 按钮。材料特性被加载到 Materials 对话框中。作用材料到网格。使在Materials 对话框中的 STEEL 被亮显。在 Simulation Navigator 中，单击（选择）3d_mesh（1）选择网格。在对话框中，单击OK
20、按钮。库材料被连接到网格。利用 Simulation Navigator，检查材料是否已被作用到网格。在 Simulation Navigator 对话框中，右击3d_mesh（1）和选择 Edit Attributes。在 Element Attributes 对话框中，检查STEEL 被列出为作用到网格的材料。单击Cancel 按钮。存储文件。第 5 步作用一轴承载荷在 Simulation File View 窗口中，双击 rod_sim1。在仿真导航器中使 Simulation文件激活。关断网格显示，因而方便曲面选择。在 Simulation Navigator 中不选中 3d_mes
21、h（1）复选框，如图 1- 13 所示。在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 Load Type 图标中的箭头，然后单击Bearing 图标。第 1 章高级仿真入门11图 1- 13关断 3D 网格显示注意：也可以利用Simulation Navigator，在激活的解决方案（Solution 1）中，右击 Loads，并选择 New Load Bearing 去建立载荷。轴承载荷要求规定一柱形表面（或圆形边缘），和一规定最大载荷方向的矢量。首先，选择几何体轴承载荷将作用的柱面。打开Create Bearing 对话框，选择在部件右端的柱面，如图 1- 14 所示。图 1
22、- 14选择载荷作用表面在 Force 文本框中输入 1000。注意：区域角（Region Angle）设置到 180。这意味着载荷将作用到柱面超过 180。其次，选择要定义的最大载荷的矢量方向。单击Inferred Vector 图标中的箭头，并单击 YC Axis 图标。单击OK 按钮。载荷建立并显示在图形中，如图 1- 15 所示。在载荷上显示的箭头是一 bit，利用BC Edit Display 对话框改变边界条件的外貌。在 Simulation Navigator 中右击Solution （1） 下的 Bearing （1） 载荷， 然后选择 Style。在 BC Edit Disp
23、lay 对话框中，微微移动 Scale 滑块向左减少箭头尺寸，然后单击OK按钮。箭头尺寸改变，如图 1- 16 所示。UG NX4 高级仿真培训教程12图 1- 15建立并显示载荷图 1- 16修改后的载荷显示第 6 步作用第一约束利用一销住约束，在杆的一端约束大的弯曲面。该约束将仿真此面怎样与另一部件上的对应面匹配。一个销住约束定义一旋转轴。一旦选择了一柱面，建立一柱坐标系，R 和 Z 方向将被固定，Theta（旋转）方向是自由的。在 Advanced Simulation 工具栏上， 单击 Constraint Type 图标中的箭头， 然后单击 Pinned Constraint 图标。
24、注意：也可以利用 Simulation Navigator， 在激活的解决方案 （Solution 1） 中右击 Constraints并选择 New ConstraintPinned Constraint。打开Create Pinned Constraint 对话框，选择在连接杆底部的大弯曲面，如图 1- 17所示。单击OK 按钮。约束被作用的显示。由约束建立的圆柱坐标系也是可见的，如图 1- 18 所示。图 1- 17选择底部的大弯曲面图 1- 18建立与显示销住约束第 1 章高级仿真入门13第 7 步作用第二约束部件已被约束，但绕 Z 轴仍然可自由旋转。现在部件顶部加另一约束，防止一刚体
25、运动。将利用用户定义的约束，在一个自由度中约束点。单击Constraint Type 图标中的箭头，然后单击User Defined Constraint 图标。在 Create User Defined Constraint 对话框中的 DOF1 框中，单击Fixed 图标。X 平移被固定，所有其他 DOF保持自由。放大并选择点：在切槽的顶端处面相遇，如图1- 19 所示。单击OK 按钮。建立约束，如图 1- 20 所示。图 1- 19选择点图 1- 20建立与显示固定约束存储文件。第 8 步求解模型现在已定义了网格、材料、载荷和约束，准备求解模型。作为过程的一部分，利用综合检查，检验模型是
26、否准备完毕。在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1 并选择 Comprehensive Check，打开Information 窗口。考查检查结果。检查列出的信息和警告。检查推荐选择Iterative Solver 选项，它可以改进性能。检查警告：对销住约束坐标系不同于节点下的坐标系。当作用销住约束时，它利用一柱坐标系压制在节点下的坐标系。这不会引起任何问题，可以忽略警告。关闭Information 窗口。在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1，并选择 Solution Attributes。在 Edit Soluti
27、on 对话框中，选中 Iterative Solver（对 NX Nastran 2.0和更高版本）复选框。单击OK 按钮。在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1，并选择 Solve。UG NX4 高级仿真培训教程14提示：也可以在Advanced Simulation 工具栏上单击 Solve 图标，显示 Solve 对话框。注意 Comprehensive Check 要选中。单击OK 按钮。显示 Information 窗口，再次综合检查数据。如果通过检查，出现 Analysis Job Monitor 对话框，它显示任务正在运行。分析在后台运行，所
28、以可以继续用 NX 工作，而有限元分析正在被计算。当任务完成时，关闭 Information 窗口。在 Analysis Job Monitor 对话框上单击 Cancel 按钮。现在解算完成，如图 1- 21 所示，Results节点在 Simulation Navigator 中可以见到。第 9 步观察分析结果现在利用后置处理器观察分析结果。在 Simulation Navigator 中，双击 Results。提示：也可以单击 Advanced Simulation 工具栏上的 Results 图标。结果显示在后置处理器窗口中，如图 1- 22 所示。图 1- 21Results节点图
29、1- 22结果显示显示 Post Control 工具栏，如图 1- 23 所示。图 1- 23Post Control 工具栏提示：如果 Post Control工具栏是不可见的， 在 Application 工具区右击并选择 Post Control。第 10 步在仿真导航器中考察结果通过简单选择规定需要的类型，可以改变显示的结果类型。注意：默认选择位移类型。许多结果类型有专门的子类型（数据组元）。在图 1- 24 中，Displacement 已经展开以显示不同数据元。第 1 章高级仿真入门15图 1- 24展开的位移节点在 Simulation Navigator 中，展开 SUBCASE STATIC LOADS 1 Loads。展开 Displacement Nodal。选中 Y 组元复选框。显示更新以展示 Y 位移值，如图 1- 25 所示。图 1- 25Y位移值第 11 步退出后置处理器当完成观察结果时，可以退出后置处理器。在 Post Control工具栏上，单击 Finish Post Processing图标。提示：也可以选择 Tools Results Finish Post Processing。关闭所有部件文件。
