《非标产品造型设计》课件-第七章 基于UG的运动与结构分析

第七章基于UG的运动与结构分析目录第一节

UG

NX的CAE功能简介第二节

UG

NX运动分析实例第三节

UG

NX有限元分析实例第一节

UG

NX的CAE功能简介近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分

析

软

件

，

并

发

展

成

为

一

门

专

门

的

学

科

—

—

计

算

机

辅

助

工

程CAE(Computer

AidedEngineering)CAE

仿真可有效缩短新产品的开发研究周期，虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数，大幅度地降低产品

研发成本。在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品。能够快速对设计变更作出反应，能充分和CAD

模型相结合并对不同类型的问题进行分析，能够精确预测出产品

的性能，增加产品和工程的可靠性。采用优化设计，降低材料的消耗或成本，在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题。模拟各种试验方案，减少试验时间和经费，进行机械事故分析，查找事故原因。CAE

功能有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或

单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以

组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的

数值模型。有限元法的基本思想■有限元法的计算步骤归纳为以下3个基本步骤：网格划分、单元分

析、整体分析。(1)网格划分.有限元法的基本做法是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。因此首先要对弹性体进

行必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体。单元之间通过节点相连接。由

单元、节点、节点连线构成的集合称为网格。(2)单元分析.对于弹性力学问题，单元分析就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式。·

由于将单元的节点位移作为基本变量，进行单元分析首先要为单元内部的位移确定一个近似

表达式，然后计算单元的应变、应力，再建立单元中节点力与节点位移的关系式。(3)整体分析.对由各个单元组成的整体进行分析，建立节点外载荷与节点位移的关系，以解出节点位移，

这个过程称为整体分析。有限元法的基本方法NX

高级仿真模块是一个集成的有限元建模工具。利用该工具，能够迅速进行部件和装配模型的预处理和后处理。.该软件常用的求解器为NX

Nastran,它能够制定有限元模型分析问题的格式并且直

接把这些问题提交给NX

Nastran

。另外，还能够添加其他解算器，如ANSYS和ABAQUS

等第三方解算器。UG

NX有限元模型主要包括：主模型文件、理想化模型文件、有限元模型文件、解算文件四个文件，如图所示：Simulation

File

ViewUG

NX

CAE分析的特点■主模型文件通常是prt

文件，主模型可以是零件或者装配体。通常在分析过程中主模型不做修改，

但可以被锁定的。■理想化模型文件理想化模型文件后缀名.prt,

通常是主模型文件名加上_fem_i。理想化模型文件由主模

型文件获得解算前，使用理想化模型工具修改，你可以不用修改主模型来得到分析模

型如果采用自动建立有限元模型和解算模型方式，理想化模型将自动被建立有限元模型文件有限元模型文件后缀名.fem,

通常是主模型文件名加上_fem.fem,

包含网格划分(节

点和单元)、物理属性和材料属性等。可以使用模型整理工具修改几何。■

解算文件解算文件后缀名.sim,通常是主模型文件名加上_sim.sim,

包含解算方案的建立、载

荷及约束、解算参数控制及输出目的等。UG

NX

CAE分析的特点第二节

UG

NX运动分析实例通

过UG

NX软件，对平面四连杆机构进行三维建模，通过预先给定尺，

之后建立相应的连杆、运动副及运动驱动，对建立的运动模型进行运动

学分析，给出构件上某点的运动轨迹及速度和加速度变化的规律曲线，

用图形和动画来模拟机构的实际运动过程，这是传统的分析方法所不能

比拟的

。UG

NX运动分析实例■由于运动仿真需要引入主模型，进入运动仿真模块和进入加工、工程图

纸模块一样，需要先将主模型打开后才能执行。本例中用于运动仿真的装配体为曲柄连杆机构，是最简单的平面四杆机构。各连杆长度

如

下

：I₁=30mm:I₂=240mm;l₃=110mm;l₄=190mm分析实例——运动仿真模型准备11(1)【文件】—

【打开】;打开曲柄连杆机

构装配体文件。(2)在【应用模块】的【仿真】功能区选择

【运动】命令，进入运动仿真界面。如左图所

示。(3)如左图所示，单击资源导航器中选择”运

动导航器”,右键单击，选择新建仿真，软件

自动打开”环境”对话框，如右图所示。(4)设置环境参数，点击【动力学】仿真，

单击【确定】按钮进入仿真操作。运动导航器

□F名称状态品lianganjigou环

境分析类型◎运动学◎动力学高级解算方案选项□电动机驱动□协同仿真□柔体动力学组件选项□基于组件的仿真运动副向导☑从新仿真开始仿

真

名motion_1确定分析实例

·

进入仿真模块×取消.

具

体

操

作

步

骤

如

下

：雪菜单(M)

没有选择过滤器12■连杆添加具体操作步骤如下：(

1

)

如

图a所示，点击功能区上的【连杆】

按钮，弹出新建连杆对话框，如图b

所示。(2)选中连杆1,点击【应用】创建连杆L1,

再选中连杆2点击【应用】创建连杆L2,再选中连杆3点击【应用】创建连杆L3,再选中连

杆4点击【应用】创建连杆L4,最后单击取消，

创建完成，可以在运动导航窗口模型树下看见

四个连杆，如图C所示。NX10.0环境中，系

统会自动识别连杆并创建。运动导航器名称晶lianganjigou

一9motion_

1☑连

杆

☑L1

☑L2

☑SL3

☑L4+☑个运动副e图c质

量

和

惯

性初始平动速率初始转动速度设

置□固定连杆文件(F)

主页

结果

曲线

分

析环境解算方案连杆运动副驱动体设置分析实例.

设置连杆和运动副确定

应用

取消*选择对象(0)自动L001连杆质量属性选项连杆对象图a名称状态13■运动副添加具体操作步骤如下：(1)首先需要先设置机架，即将L4设定为固定。在【运动导航器】里面可以看到新建的四个

连杆，右键单击连杆4图标，把连杆4设置成固定的，如图a所示。(2)连杆与连杆之间考旋转副连接均作，将建立4个旋转副，其中有2个旋转副固定，为了使4

个连杆的运动有连贯性，必须在创建运动副时，在各连杆之间建立联系，使各部件运动结成一

个整体。点击功能区上的【运动副】按钮，弹出新建连杆对话框，如图b所示。(

3

)

如

图b所示，单击对话框“操作”区域中的【选择连杆】,在运动导航框中选择连杆1;单

击【指定原点】按钮，如图C所示，在跳出来的点选择对话框中，在【类型】栏中选择【圆弧中

心】,然后在视图区中选择连杆1下端圆心为原点。并设置【指定矢量】为Z轴正向。(4)单击【驱动体】标签，打开【驱动设置】选项卡，如图d

所示，设置【旋转】驱动为恒定

速度，初速度为5度/秒，点击【应用】按钮。设置完成后，在视图区可以看见连杆1上有一个

旋转箭头和固定标志，如图e所示，表示第一个运动副添加完成。分析实例.

设置连杆和运动副14点类型◎圆弧中心/椭圆中心/球心点位置选择对象(1)输出坐标参考

绝

对

-

工

作

部

件82.7424114mmY4.0000000C

mm偏置偏置选项联接定义类型旋转副操作*选择连杆(0)*指定原点方位类型矢量*指定矢量X基座□啮合连杆选择连杆(0)指定原点方位类型咖

久矢量指定矢量

X极限设置名称1002运动导航器名称。lianganjigou

一9motion_

1☑连

杆

☑GL1

☑L2☑L3☑言L4+☑

运动副图c

指定原点对话框15分析实例——设置连杆和运动副确定

应用取消图b添加运动副对话框图a

设置机架①e状态甲HC□0恒定初始位移初速度加速度0

deg5

degrees/sec0

degrees/sec^2分析实例-

设置连杆和运动副图d

添加驱动对话框

图

e运

动

副

添

加

完

成选择驱动对象(1)驱动名称

Drv001 <确定>应用

取消驱

动旋转驱动对象设

置16(5)点击功能区中的【运动副】添加第二个运动副，这次添加运动副是为了实现连杆1和

连杆2的咬合。如图f所示，点击【选择连杆】,并在视图区选择连杆L2,指定连杆2左端

的圆心为原点，并选定Z轴正向为指定矢量。(6)点击运动副对话框中的【基本】标签，勾选【啮合连杆】,点击【选择连杆】,并

在视图区选择连杆1,指定连杆1的上端圆心为指定原点，同样选择Z

轴正向为指定矢量。(7)同理继续添加第三个，第四个运动副。添加完成后，在运动导航窗口可以看见如图g

所示的运动副显示。至此，运动副添加完成。分析实例——设置连杆和运动副17定义摩擦驱动类型旋转副操作√

选择连杆(1)指定原点方位类型*指定矢量矢量基座☑啮合连杆

选择连杆(1)√

指定原点方位类型矢量*指定矢量X设置显示比例1.0000名称①运动导航器

□名称状态lianganjigou一的motion_1☑连

杆L1☑L2☑sL3☑弓L4☑个运动副☑³J001☑J002☑J003☑J004☑J005+不驱动容器Ⅲ分析实例-

设置连杆和运动副图f

添加第二个运动副

图g

运动副添加结果

雪菜单(M)

没

有

选

择

过

滤

器

确定应用取消联接18.完成连杆和运动副的设置创建后，对连杆运动机构进行计算分析。在分析之前需要先对

求解时间，步数进行设置，具体操作如下：(1)单击功能区中的【解算方案】按钮，打开解算方案对话框，如左图所示。■(2)在【解算方案】选项卡中输入时间为160s,

步数为200,如右图所示。■(3)单击工具栏中的【解算】按钮，进行仿真求解，求解结果生成。文件(F)主页结果

曲线

分析

视图日环境解算方案◎f(x)连杆运动副驱动体齿轮副解算方案创建一个新解算方案，其中定义了分析类型、

解算方案类型以及特定于解算方案的载荷和运

动驱动。雪菜单(运云□包含静态分析□通过按“确定”进行解算重

力√

指定方向

☒4梦

·重力常数

9806.65

mm/sec^2

·设

置名称

Solution_1确定

应

用

取

消分析实例.

定义解算方案并求解解算方案解算方案选项解算方案类型分析类型时

间步

数常规驱动运动学/动力学50Xsec

·191经过解算，可对平面四杆机构进行运动仿真显示及其相关的后处理，通过动画可以观察

机构的运动过程，并可以随时暂停、倒退，选择动画中的轨迹选项，可以观察机构的运

动过程，还可以生成指定标记点的位移、速度、加速度等规律曲线。具体操作如下：(1

)

如图a所示，在运动导航窗口中右键点击【XY-

作图】按钮，选择【新建】,软件会

自动跳出【图表】对话框，如图b

所示。选择J002

旋

转

副

后

，Y

轴属性请求选择速度，分量

选择角度幅值，即表示角速度，接着点击【Y轴定义】中的【+】将Y轴分量确定，最后点

击【应用】输出图表，为了方便起见，我们还可以将数据导出至Excel

图表格式，如图c和

d

所示。(2)同理可以输出J003、J004、J005的角速度图表。分析实例-

求解结果分析20运动导航器

.lianganjigou□motion_1连

杆☑L1☑L2☑L3☑3L4☑个运动副☑²JO01☑J002☑J003☑J004☑J005+家驱动容器Solution_1

活动0

结

果

结果是最新的

+

动画

3

删…除国信息图a

新建图表+X全部新建载XY图

表

X运动模型对象

函数模态坐标选择对象(1)

中J0011002J003J005

三J004请

求位移分

量

幅值◎

相

对◎绝对轴定义Y轴定义X轴定义合1标题Time设置确

定应用

取消图b

图表设定对话框运动导航器

□名称

状态

环填连杆团

1

1团

L

2团

L

3团

L

4团个运动团²J⁰01团pJ002ZJ003团

J

0

0

5团

J

0

0

4十不驱动容器=6Solution.1

活动

常规驱动傅结果结果是带新的+究动画e

X

Y

-

作图恐TimeJ1002

口

绘

至

N

X隔载荷传递曼经面至电子表格分析实例.

求解结果分析预览

×B模态形状局部放大国信息图c

导出至Excel表格图形窗口1图d导出结果

21名称

状态存

健设为X轴工具条ⅢJ002_AMAG,Velocity(rel)6.000

5.000

4.000

3.000

2.0001.0000.000TimeJ004_AMAG,Velocity(rel)1500-JoeAMAG,velocityvrel)20.000

40.000

60.000

80.000100.000120.000140.000160.000180.000TimeJ003_AMAG,Velocity(rel)—J003_AMAG,Velocitylrel)60.00080.000

100.000120.000140.000160.000180.000J005_AMAG,Velocity(rel)1.500

00.500

ooAMAG,velocityrel)

0.0000.00020.00040.000

60.00080.000100.000120.000140.000160.000180.000最后求解得到的各个运动副的速度图如下：运动副2(J002)

角速度图：分析实例-

求解结果分析运

动

副4

(J0

0

4

)角

速

度图

：

运动副5(J005)

角速度图：运动副3(J003)

角速度图：1.0000.5000.0000.0007.000

6.000

5.000

4.000

3.000

2.0001.0000.000J002_AMAG,Velocitylrel)2.000TimeTime22第三节

UG

NX有限元分析实例UG

NX在结构有限元分析的通用工作流程如下：(1

)

在NX

中，打开零件。(2)启动高级仿真应用。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EM

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好的高质

量的网格，可无须修改使用。(6)检查网格质量。如果需要，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，消除模型在网格划分时可能产生的几何CAD问题。(7)添加材料到网格。(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。UG

NX有限元分析实例24十

助

心

品

·3窗口

·

·文件(F)装

配

主

页曲线

分

析视

图渲

染工

具合

并

·

愈倒斜角草图

基准平面拉伸

孔

抽

壳

边倒圆

图修剪体拔

模直接草图

特

征雪

菜

单(

M

)没有选择过滤器仅在工作部件内部件导航器

□名

称

·

最新⑤历史记录模式+

模型视

图+

√

国摄像机用户表达式模型历史记录团基准坐标系(0)☑品草图(1)"SKETC..

√☑四拉伸(2)回

IⅢ相

依

性细

节预

览选择对象并使用MB3,或者双击某一对象

画

回(1)如图所示，启动UG

NX

10.0,

打开文件“xuanbiliang.prt”文件。UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立NX10-建模-[xuanbiliang.prt(修改的)]应用模块晒偏置区域特征尺寸同步建模编辑特征A

小

〇

十查找命令延迟模型更新

更新模型特征回放0

·替换特征

可回滚编辑编辑特征参数品替换为独立草图移动组件

添

加

阵列组件装

配皓替换面

移动面删除面-

古×

×更

多

曲面品装配约束6处理装配更

多25三品四

·

+

市

9

·

窗口文件(F)装三表达式(X)-Ctrl+E

粗导入和导出表达式(P)

哈显示尺寸标注为PM(S…

可视化编辑器(V…电子表格(H)_视图

渲

染

工

具3查找组件按邻近度打开

显示产品轮廓关联控新建父对象阵列组件移动组件

镜像装配材料(M)指派材料(A)..雪菜单(M)

·③产品接口(N-管理材料(M).

管理库材料(L)…文件(日编辑(E)视图(V插入(S格式(R)形状搜索(S.用户定义特征(部件族(L)定义可变形部件(B)-.

更新U)工具①装配(A)信息①分析(U)首选项(P)窗口Q)GC工具箱帮助(H)

船舶设计(D)

部件导航器(P)装配导航器(A)约束导航器(C知识融合(K重用库Y问题管理(U 操作记录D宏(R)电影(E)□定制(Z

…

Ctrl+1草图约束①重新附着草图(H)-图纸自动化(O)

QmniCAD

forNX

Imageware生成…喜耐久性向导(W...

复合(C

人体建模(E)车辆设计自动化(D)预览相依性选择对象并使用M指派材料X三类型选择体选择体选择体(1)中材料列表吗库材料库材料名称已用类别库Potassium_LiquidOT.…pl^Propane_C3H8_GasO.…plPVCPL..plR134a_C2H2F4_GasOT.….plR134a_C2H2F4_LiquidOT...plS/Steel_PH15-5M...plSMCPL..plSodium_LiquidOT.…plSteel-RolledM..DSteelM….plSulfur_Dioxide_LiquidOT…plpTitanium-AnnealedM...Titanium_AlloyM…plplTitanium_Ti-6Al-4VM.Ⅲi8定

应用

取消确(2)如左图，选择【菜单】

|【工具】|【材料】中的【指派材料】命令，弹出如右图所示的材料

选择对话框，按照选项依次选定悬臂梁实体，再选择材料，此例中选“steel”,点【确定】UGNX有限元分析实例.

有限元模型的建立26主页曲

线外观造型设计PMI分析

视图水加工

更多渲染设计

L运动工

具电气机械应用模块更多

注塑模訾级进模电极设计垂工程模(3)进入【应用模块】,点击【仿真】功能区的【高级】图标，进入高级仿真界面。如图所示。UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立文件(F)

装配建

模

制

图

钣

金设计加工

仿真

管线布置

特定于工艺27(4)单击屏幕右侧的【仿真导航器】中的悬臂梁，右键单击选择新建FEM和仿真文件，如图a所

示。系统此时会自动跳出新建“FEM

和仿真对话框”,如图b所示，各选项均设为系统默认，点【确

定】后会自动跳出“结算方案”对话框，如图C所示，同样以系统默认选项点击【确定】。新建FEM和仿真文件名xuanbiliang_fem1.femxuanbiliangsiml.simCAD部件☑关联至主模型部件部件xuanbiliang理想化部件☑创建理想化部件名称xuanbiliang_femLi.prt体要使用的体全部可见几何体几何体选项求解器环境求解器分析类型2D体选项NX

NASTRAN结构无网格变形■保存完整变形数据描述确定取消预览描

述系统单元□单元迭代求解器迭代求解器选项

无■忽略材料温度相依性□将CGAP处理为线性接触单元

往返参数边界条件控制变量□在前台运行作业确定

应

用

取

消仿真导航器名称xuan9颜

状

态新建FEM…新建

FEM

和仿真…

新建装配FEM…UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立解算方案解

算

方

案名称

Solution

1求解器

NX

NASTRAN分析类型

结

构2D体选项

无解算方案类型SOL101线性静态-全同约束

☑白动创建步骤或子工况SOL101线性静态

-

全局约束图

b

新建仿真对话框

图c

解算方案对话框常规文件管理

执行控制

工况控制

模型数据

参数图a

新建仿真28·☑xuanbiliang…

CSYS组□网场雷建模对象(已过…区域仿真对象容器

约束容器载荷容器求解器集Solution

1□单温度□仿真对象

□

约

束中

Subcase-S.□中载荷+

结果(5)如图所示，双击“仿真导航器”中的“xuanbiliang_sim1”,激活有限元模型，进入有限元模型UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立仿真导航器□名称

颜

状态F田

显示部件和.+▶□HC-①活动活动xuanbiliang_sim1的编辑界面。29(

6

)

点

击

功能区的【激活网格划分】,如图a所示，单击功能区的【3D

四面体】网格，系统会自

动跳出【3D四面体网格】对话框，如图b所示。选择悬臂梁实体进行网格划分，设定单元大小为

0.5,点击【确定】,会生成如图C所示的有限元模型。3D四面体网格要进行网格划分的对象选择体(1)

争单元属性类型

DCTETRA(10)网格参数单元大小

0.5

mm☑尝试白由映射网格划分网格质量选项中节点方法最大雅可比值混合10网格设置基于曲面曲率的大小变化50.0000单元体积增长速率50.0000□最小两单元贯通厚度

☑过液单元大小■白动修复有故障的单元模型清理选项小特征公差(单元大小的百分比)10.0000最小单元长度(只读)

0.05

9目标收集器☑自动创建确定应用取消文件(F)主页结果视图

应用模块老管理材料物理属性建模对象更多属性载荷类型约束类型仿真对象类型区域载荷和条件激活网格划分关联UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立图b四面体网格对话框

图c

网格划分效果窗

口

NX10-图a

划分网格30文

件(F)

主

页

结

果

视

图应用模块激活网格划分管理材料物理属性建模对象更多载荷类型约束类型仿真对象类型

区域

解算方案求解单元质量节点/单元

更多关联

属性

载荷和条件

解算方案

检查和信息NX10-

高级仿真-

[xuanbiliar应用模块更多

3D四面体2D网格网格控件网格(7)如上图所示，点击功能区中的【激活仿真】命令，或者双击“仿真导航器”中的对应仿真，激

活高级仿真工具栏中的载荷和约束等按钮，进入仿真界面，如下图所示。UG

NX有限元分析实例.

有限元模型的建立窗

口主页

节点和单元

结果

视

图管理材料物理属性盘

网格收集器属性文

件(F)激活仿真关联合并面缝合边多

边

形

几

何

体更多鱼

下31类型ど幅值和方向名称目标文件夹模型对象□组引用选择对象(1)中排除幅值力N方向方法沿矢量(FORCE)指定矢量

X4..Zc分布(8)单击【载荷类型】下拉菜单中的【力】按钮，在视图区选择边作为施加线载荷的线。如图所示。设定力大小为10N,

方向为Z轴负向。UG

NX有限元分析实例——有限元模型的建立章力

×确定应用取消卡片名称FORCE/FORCE1/FORCE232固定约束名

称目标文件夹模型对象组引用选择对象(1)排

除卡

片

名

称

S

P

C确

定

应

用(9)单击【约束类型】下拉菜单中的【固定约束】按钮，在视图区选择面作为施加约束的面。如

图

所

示

。UG

NX有限