1、 UG NX8.5UG NX8.5有限元分析有限元分析前提知识前提知识- - 简介简介 p 有限元法基础知识介绍o 有限元分析操作流程介绍o UG NX有限元分析介绍o 有限元分析结果评价的常见方法o 有限元分析学习的基本方法1.1 有限元法概念问题引出o 规则截面零件可以利用理论公式计算应力、应变等，但变截面或者复杂截面？o 如图所示，复杂截面采用近似法；已知弹性模量E，杆长L，各段横截面A，并且：刚度K=AE/L1.1.2 2 有限元法概念近似解法的推导过程有限元法概念近似解法的推导过程121121232232343343454454()0()()0()()0()()0()0Rk uuk
2、uuk uuk uuk uuk uuk uuk uuF1111222233334444 0 0 0 0 00 00 0 0 0 0 kkkkkkkkkkkkkkkk12345000uRuuuFu RKuF KuF单元刚度阵单元刚度阵2022-6-91.31.3 有限元法概念基本思想有限元法概念基本思想边界条件和载荷单元属性和网格jVjvjUjuiViviUiumVmvmUmuyxpqr eekF单个单个单元单元求解求解分割、分割、逼近逼近单元单元组合组合物体离散化分析对象机构，建筑，单个零件，机械系统，声场，电磁场离散成各种单元组成的计算模型。连续问题，变成离散问题；无限自由度问题，变成有限自
3、由度问题。计算结果是实际情况的近似。单元特性分析 选择位移模式 分析单元的力学性质 计算等效节点力单元组集求解未知节点位移利用平衡边界条件把各单元重新连接起来，形成整体有限元方程1.41.4 有限元法概念计算基本流程有限元法概念计算基本流程1.51.5 有限元法概念有限元模型的构建有限元法概念有限元模型的构建 真实系统FEM模型载荷载荷节点节点单元单元约束约束p 节点节点：空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用；p 单元单元：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；p 有限元模型有限元模型：由一些单元组成，单
4、元之间通过节点连接，并承受一定载荷和约束。 结构 位移 热 温度 电 电位 流体 压力 磁 磁位 方向方向 自由度自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ1.61.6 有限元法概念自由度和约束有限元法概念自由度和约束用于描述一个物理场的响应特性. .点点 (质量质量)线线(弹簧，梁，杆，间隙弹簧，梁，杆，间隙)面面 (薄壳薄壳, 二维实体二维实体,轴对称实体轴对称实体)线性线性二次二次体体(三维实体三维实体)线性线性二次二次. . . .1.71.7 有限元法概念单元类型有限元法概念单元类型前处理：建模，模型简化，材料定义，单元属性，网格划分和网格检查等，添加边界条件、施加载荷等；选择计算类
5、型：静力分析，接触分析，瞬态分析，模态分析，谐波分析，谱分析，声学分析，热分析，电磁场分析等；后处理：提取数据，云图，绘制曲线、计算结果评价，导出数据等； 2.12.1 有限元法概念软件操作基本流程有限元法概念软件操作基本流程2.22.2 有限元的分类（有限元的分类（1 1）o 有限元法可以分为两类，即线弹性有限元法和非线性有限元法；o 线弹性有限元是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；o 线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。2.22.2 有限元的分类（有限元的分类（2 2）o其中
6、线弹性有限元法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处，而且后者常常要引用前者的某些结果。o 非线性问题与线弹性问题的区别： 1）非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解； 2）非线性问题不能采用叠加原理； 3）非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解；o 非线性有限元包括：材料非线性问题、几何非线性和接触边界非线性等三个工程常见类型； 2.32.3 常见有限元商业软件常见有限元商业软件o Msc/Nastran：著名结构分析软件，由NASA研制，近年来衍生出 MD Nastran、 NX Nastran、MIDAS Nastran FX等；o MSC/Dytran：
7、动力学分析软件；o Ansys：通用结构分析软件；o Adina: 非线性分析软件；o Abaqus：非线性分析软件； 3.13.1 UG NX UG NX 有限元分析的文件结构形式有限元分析的文件结构形式1 1u主模型部件主模型部件 （*.prt）u理想化部件理想化部件（*_i.prt)u有限元模型部件有限元模型部件（*_fem#.fem)u 仿真模型部件仿真模型部件 （*_sim#.sim)3.2 3.2 UG NX UG NX 有限元分析的文件结构形式有限元分析的文件结构形式3Master PartIdealize Part1FEM1FEM2SIM1Idealize Part2SIM2F
8、EM3FEM43.3 3.3 UG UG 有限元分析的文件结构含义有限元分析的文件结构含义：分析的原始设计部件 包含主模型，装配，未修改的部件几何体；：是原始部件的一个相关拷贝/提升体 可进行编辑，以提高分析质量； 包含材料属性、网格属性、单元类型和大小等； 包含所有的仿真数据，求解方案，求解步骤，边界条件；3.4 UG NX3.4 UG NX提供了两种工作流程提供了两种工作流程3.53.5 UG NX UG NX 有限元分析的工作流程有限元分析的工作流程o打开文件，进入高级仿真应用模块；o创建FEM和SIM文件，指定求解器（决定设置环境和网格语言）o创建Solution；o理想化几何体（移除
9、细节特征，分割几何体，创建中面等）；o显示FEM文件，准备划分网格；o定义材料属性和网格的物理属性；o检查网格质量；o显示SIM文件，应用载荷和约束到模型；o求解；o进入后处理检查结果。3.63.6 仿真导航器窗口分级树及其主要节点仿真导航器窗口分级树及其主要节点oUG NX高级仿真的导航器是一个图形化、交互式的分级树状形式，用来显示仿真文件和解算结果的结构关系、节点内容及其是否处于激活状态，也方便结果的查看和评估操作，包括仿真（前处理）导航器窗口和后处理导航器窗口，其中仿真导航器窗口分级树中的主要节点内容、文件名称如图所示：仿真导航器窗口分级树及其主要节点4 4 有限元分析结果评价的常见方法
10、有限元分析结果评价的常见方法o以线性静力学分析为例，其解算后的结果包括变形位移、应力、应变和反作用力等项目及其相应的数值，而最为常用需要评价的是位移和应力两个指标。o1）变形位移 分析模型在工况条件下，其受到边界约束和施加载荷后引起的最大变形位移，不能超过设计要求的允许值，判断式简化为： max 0 - （1-1）o2）应力 分析模型在工况条件下，其受到边界约束和施加载荷后的最大应力响应值，不能超过材料自身的许用应力值，判断式简化为： max 0 - （1-2） 5 5 有限元分析有限元分析学习的基本学习的基本方法方法o掌握有限元分析相关的基础课程和专业知识，比如：材料力学、弹性力学、有限元基础、 振动基础等等；o 先从线性静力学结构分析学起，掌握一些有限元分析的基本术语，熟练掌握有限元分析的工作流程和关键步骤；o 掌握静力学有限元分析方法后，根据工作或者研究的需要，学习一些专业模块的有限元分析方法，比如振动响应、热力学等有限元分析；o 从模拟有限元分析实例开始，掌握操作要点后，再独立应用有限元手段，逐步去解决实际问题。
