结构分析模块简介

第1章结构分析模块简介【目标】本章介绍UGNX结构分析模块（ScenarioforStructure）的一些基本概念。在以后的章节中，将逐步强化和扩展读者对这些概念的理解。完成本章的学习后，读者将能够做到：了解结构分析模块的基本概念。了解结构分析工具条。使用结构分析导航器。了解结构分析模块的环境。1.1结构分析概述UGNX结构分析模块是与Unigraphics集成的一种简便而强大的有限元建模与分析工具。它提供了设计工程师和分析人员在进行几何模型设计与分析时所需要的一种分析环境。UGNX结构分析模块对于设计工程师和分析人员来说，有如下优点：可以很方便地对Unigraphics的设计模型进行分析。结构分析体系使设计问题更易于求解。有限元模型的可量测性。更为直观。节省时间。因为它仅需较少的步骤，就可完成分析工作。无须离开当前进行结构分析的零件，就可启动UGNX其他的模块。如果几何模型修改，相关的有限元分析数据可自动更新，将重复工作减到最少。1.1.1什么是结构分析模块结构分析模块是CAE应用软件，可以很方便地用于零件设计的分析与评估。一个结构分析方案可以定义为其主模型的一个变种。结构分析模块由以下建模模块（ModelingApplication）中的功能所支撑：主模型（MasterModel）、体提升（BodyPromotions）及部件间相关表达式（InterpartExpressions）。UGNX的结构分析模块具有强大仿真管理能力，可以对同一零件或装配件建立、管理不同的分析方案。每个分析方案均由主模型导出并与主模型相关，一旦建立分析方案，UG结构分析培训教程2即可对其进行独立的理想化处理和分析，并最终可依据最好或最理想的分析方案更新主模型。分析方案中的几何体都是和主模型相关联的，但它又可以有自己独有的信息。例如，主模型可以有许多倒圆，而在分析模型中，这些倒圆可以是被抑制的。每个分析方案都可以拥有不同的有限元网格和分析结果。虽然分析方案与主模型相关联，但它又可以独立修改，而不影响主模型。1.1.2一些相关的概念1．主模型概念（MasterModelConcept）主模型概念有助于区别分析方案模型及部件文件。分析方案模型从本质上讲是一个装配文件。主模型几何体是组成“分析方案”的一个组件，而有限元模型、分析数据及几何控制数据都存储在分析方案中。2．体提升（BodyPromotions）体提升的功能在于提供一个独立的、可更改的主模型几何体的复制品（Copy），以便在其上保持分析方案所特有的特征（例如：板的中面特征）。对主模型几何体的任何修改，都会影响到分析方案中的提升体。3．形状的简化（ShapeSimplification）主模型几何体形状的简化（例如：抑制某些特征）是通过部件间相关表达式实现的。因此，分析方案可以有与主模型不同的表达式。1.1.3结构分析方案体系架构的内部工作方式分析方案内部工作方式如图1-1所示。图1-1分析方案内部工作方式结构分析的体系架构是建立在目录结构、部件间相关表达式、装配和体提升的基础第1章结构分析模块简介3上的。在任何时候，只要有必要，结构分析都可以自动完成提升操作。例如，在建立中面时，系统会自动地先完成体提升操作，以便建立相应的中面。因此，很容易理解为什么默认文件中的“INTERPARTMODELING”和“PROMOTIONS”必须被激活。1.1.4分析方案的目录结构启动结构分析应用时，会发现什么也没有发生，直到建立了第1个分析方案。一旦建立了分析方案，系统就会：建立一个与部件文件名称相同的文件夹。建立一个名为scenario_1的新文件。将主模型作为一个组件，加到scenario_1上。所有分析方案的结构形式均如图1-2所示。图1-2分析方案的结构形式1.1.5分析过程结构分析的使用界面与Unigraphics的其他应用相似，可以很容易地将几何模型转换成具有相关性的有限元模型。转换过程从抑制非主要特征和抽取中面几何体开始，也可以编辑和控制模型的特征参数。1．前处理（Preprocessing）网格的划分是完全自动的，并且对几何模型进行操作。所支持的单元类型包括线性和二次三角形单元（壳单元）、四边形单元（壳单元）、四面体单元（体单元），也包括各种一维单元和点单元。可以指定几何模型全局和局部的网格密度。网格与几何模型相关。几何模型改进后，可以随时通过命令更新网格，并可在求解前对有限元模型进行检查、编辑、修改等。载荷和边界条件的设定十分方便，并通过图形显示出来。它们都和几何模型相关，几何体发生更改，载荷和边界条件也会自动更新。通过图形界面可以快速建立多重载荷和约束条件。UG结构分析培训教程42．分析（Analysis）结构分析模块提供了有限元分析的4种求解器，分别是：StructuresP.E.求解器、NASTRAN求解器、ANSYS求解器和ABAQUS求解器。根据所分析的问题，可设置具体的分析类型，如线性静力分析、线性屈曲分析、模态分析、稳态传热分析、线性热结构耦合分析等。求解器以对话框的形式建立并提交求解。求解器能够提供自适应分析特征，使用独立的求解器自适应分析方法进行自动细化网格。这一功能可以实现细化网格的自动化，从而缩短分析时间、提高网格质量并保证更精确的分析结果，并可对求解过程进行监视。3．后处理（PostProcessing）分析计算结果以直观的、彩色的图形化方式显示，以利于理解，包含节点和单元的分析结果数据。分析结果还可以通过动画显示（结构分析和模态分析）。不同的分析方案可在同一个窗口中直接进行对比。除此之外，还可方便地以多种通用的硬拷贝格式输出分析结果。1.1.6结构分析的基本特点1．初步分析与详细分析设计工程师和分析师可以应用UGNX结构分析模块快速完成有限元模型的初步分析和详细分析。UGNX结构分析模块是专为具有下列要求的用户设计的：相关性——分析几何模型和CAE数据之间完全相关，如网格、网格密度参数、载荷及边界条件。原始模型的任何改变，均可通过简化的几何模型传递给有限元分析模型。产品主模型——结构分析模块采用了主模型的体系结构。对几何模型的简化和修改是在装配级完成的。这就确保了对分析模型的准备工作，不会与主模型数据产生冲突。线性分析——结构分析模块提供了线性静态分析、模态分析和稳态热传导等分析手段。2．模型准备结构分析利用了Unigraphics中标准的建模技术来建立几何体、特征和参数。结构分析中，详细的设计模型可以被修改，以建立一个适当的分析模型。模型准备过程包括了理想化、简化及参数变化等。该过程不仅限于模型的简化，也包括模型的扩展。3．自动划分网格工具自动划分网格工具有效地减少了建立有限元模型的时间，并提供了网格自动更新的平台。在结构分析中有下述的自动划分网格工具：第1章结构分析模块简介5点网格（零维网格）梁网格（一维网格）壳状网格（二维网格）立体网格（三维网格）结构分析同时提供了附加的网格划分工具，支持如下网格划分工具类型：接触网格（ContactMesh）焊接网格（WeldMesh）网格配对条件（MeshMatingCondition）一维单元截面（1DElementSection）边缘与面的连接（Edge-FaceConnection）网格和设计模型或理想化模型相关联。但在模型的修改过程中，网格不会自动更新。分析师可以控制网格更新的过程。4．载荷与边界条件在结构分析中，载荷与边界条件是施加在几何体上，而不是施加在有限单元体上。载荷与边界条件都和几何模型相关，并且是参数化的。当设计模型更改后，载荷与边界条件就可被更新。5．材料特性可以为网格单元分配材料特性。对线性静态、模态分析、热结构耦合分析和疲劳分析而言，UGNX结构分析模块中的材料特性选项提供了一个材料特性数据库。6．分析UGNX结构分析的目前版本支持下述求解器：StructuresP.E.、NASTRAN、ANSYS和ABAQUS。7．后处理器结构分析后处理器提供了许多有用的功能，包括：云图等值线图图表动画显示控制1.1.7启动结构分析模块启动结构分析模块的方法有两种：单击工具条上的结构分析图标。从UGNX主菜单中选择Application→Structure，如图1-3所示。UG结构分析培训教程6启动结构分析模块后显示结构分析工具条，如图1-4所示。第1章结构分析模块简介7图1-3启动结构分析模块图1-4结构分析工具条1.1.8结构分析工具条通过单击结构分析工具条上的功能图标，可以快速简单地建立和管理分析方案的数据。这些功能包括：环境设置，模型准备，材料、载荷及边界条件的设定，有限元网格自动划分，模型检查，分析设定与提交，后处理以及创建报告。在图1-4所示的结构分析工具条上，图标按分析过程从左往右排列。功能相似的图标安置在一个堆栈（stack）中。单击堆栈右边朝下的箭头，可向下展开堆栈，以选用命令或功能。图1-4中结构工具条上所有的图标堆栈都已展开。各图标的名称如表1-1所示。UG结构分析培训教程8表1-1结构分析工具条上各功能图标的名称序号名称序号名称序号名称1环境（选择分析类型）*14硬点27一维单元截面2有限元模型更新*15材料特性*28零维网格3编辑Scenario特征参数16载荷*29属性编辑器*4抑制特征17边界条件*30有限元模型检查*5释放特征18边缘与面的连接31节点和单元信息查询6主模型尺寸*19焊接网格32有限元模型小结7理想化几何体20接触网格33优化设置*8模型分割21面接触网格34有限元求解*9抽取中面22网格配对条件35分析作业监控器10面混合23三维四面体网格*36分析结果后处理*11面连接24三维扫掠网格*37创建报告*12缝合25二维网格*38输出报告13面分割26一维网格*39疲劳载荷变量下面对结构分析工具条中的部分选项（在表1.1所示选项上加*号的）进行介绍，其余选项将在后面的章节中进行讨论。1．环境该选项用于定义当前工作所需要的环境。可以从列表中选择求解器和分析类型。2．有限元模型更新当调用该选项时，可更新所有的有限元对象，以匹配几何体的变更或匹配由属性编辑器所作的属性变化。一旦作了任何变更，更新图标都处于激活状态，随时都可以对有限元对象进行更新。3．主模型尺寸该选项调用尺寸编辑对话框，以改变模型参数。通过这些参数的更改可以研究可能的设计方案。使用尺寸编辑对话框改变部件间相关表达式（IPE），从而在当前分析方案中改变模型尺寸。在分析方案中改变任何的特征和草图尺寸，都不会影响主模型和其他的分析方案。4．材料特性该图标调用材料特性对话框，可对单元和网格对象定义相应的材料特性。第1章结构分析模块简介95．载荷该功能提供了建立、编辑和显示载荷的工具，支持各种结构分析和热分析载荷。由载荷工况（LoadCases）对载荷进行组织和管理。6．边界条件该功能提供了建立、编辑和显示边界条件的工具。边界条件集可用于组织和显示边界条件。一个边界条件集从本质上讲是一组边界条件，可包含一个或多个边界条件。7．三维四面体网格该功能调用实体网格生成器，对实体或包含若干实体的装配进行网格划分，可生成4节点或10节点的四面体网格单元。允许指定各种参数，如单元尺寸、长宽比（AspectRatio）、曲率因子、曲率控制标记（CurvatureControlFlag）、中节点捕捉标记（MidnodeSnappingFlag），以及单元和边界参数的显示。8．三维扫掠网格对于在某一个方向上横截面为常数的实体而言，三维扫掠网格功能可在该实体上通过扫掠来建立六面体网格。9．二维网格单击该图标，可启动壳网格生成器，对单个面（SingleSurface）或多个面（MultipleSurfaces）进行网格划分。大多数情况下，二维网格为简单的四边形单元或带中节点的四边形单元。某些情况下，使用三角形单元，以避免坏单元（BadElement）的产生。10．一维网格该功能提供了建立和编辑各种一维网格单元的工具，如梁单元、弹簧单元、阻尼单元等。1