1.3 认识NX有限元分析工作流程

1.3.1 认识NX有限元分析的主要步骤

就操作流程来说，NX有限元和其他有限元分析软件一样分为前处理、求解和后处理三大步骤，而具体的操作步骤、命令、参数定义和结果显示方式等有所不同，下面介绍静力学有限元分析的一般操作流程。

（1）创建CAD模型

三维模型在NX有限元分析中称为主模型，它是有限元分析和计算的几何基础，并且仿真模型和三维主模型是关联的，因此构建合理的、参数化的主模型，可以大大提高仿真和优化计算的速度和效率。

另外，NX也可以导入由其他CAD软件构建的模型和中间格式的数模，常见的导入和转换类型有STP、IGS、DWG和DXF。

（2）编辑CAD模型

为提高计算的效率，对仿真计算和分析结果影响不大的细节结构和几何特征，可通过建模中的编辑、简化体、特征抑制等命令进行处理，不让它们进入到后续的前/后处理模块。

另外，对于导入其他几何格式的数模，在分析几何体的基础上，可以采用强大的同步建模技术进行清理和优化，这为大、杂、繁类型的模型前处理提供了极大的便利。

（3）创建前/后处理环境

处理CAD数模后，单击【应用模块】中的【前/后处理】图标，进入图1-3所示的前/后处理界面，在仿真导航器的树状列表框中，选中欲进行仿真计算的主模型节点，单击右键后出现一个图1-4所示的快捷菜单并有3个选项可供进一步的操作。

1）【新建FEM】是指在主模型或者优化模型的基础上创建一个有限元模型节点，需要设置的主要内容包括定义模型的材料属性、物理属性、网格属性和网格划分。

2）【新建FEM和仿真】是指同时创建有限元模型节点和仿真模型节点，其中仿真模型需要创建的内容包括边界约束条件（包括模型与模型之间的网格连接方式，也称之为建立仿真对象）、载荷类型。

3）【新建装配FEM】是指像装配Part模型一样对FEM模型进行装配，非常适合对大装配部件进行有限元求解之前的前处理。

提示

建议初学者单击【新建FEM】，完成好FEM模型的构建、参数定义、网格划分和单元质量检查后，再创建新的SIM模型。

一个主模型可以构建多个理想化模型（IdealizePart），一个理想化模型可以构建多个FEM模型；一个FEM模型可以构建多个SIM模型；一个仿真模型可以构建多个解算方案类型；一个仿真结果可以构建多个显示方式。

（4）创建理想化模型

如果主模型中有些细节结构和几何特征对整个分析结果影响不大，同时为了不破坏主模型的任何几何构造，在理想化环境中首先对主模型进行提升或者WAVE（几何链接）操作，进一步对此类微细的几何结构进行编辑、抑制或者删除，完成模型的理想化操作。

理想化主模型的功能、主要命令及其解释如图1-31所示，根据主模型简化和后续网格类型的构建（比如2D网格的构建，往往需要进行【中面】操作）、加载区域的设置（比如模型上局部区域加载，往往需要进行【再分割面】操作）等实际情况和需要，再进行相应的选用和操作。

提示

建议初学者构建主模型时稍微简单些，即可省略该操作步骤；一旦发现有限元模型中网格划分困难或者失败，可再返回到该操作步骤对模型进行简化或者优化。

（5）创建FEM模型

操作步骤主要包括对分析模型赋予材料、定义物理属性、定义网格属性（包括0D、1D、2D、3D等网格类型，其中3D网格细分四面体、五面体和六面体等单元类型）、（有必要）建立网格连接（包括网格配对、1D连接、螺栓连接和焊接网格等连接类型），最后划分网格（建议采用自动划分单元大小）。常见网格划分和更新操作有以下几种情况：

1）如果需要对主模型或者理想化模型进行更改或者进一步优化，网格划分则需要进行【更新】操作，才能进入下一步的操作。

2）如果需要提高解算方案的求解精度，适当减小整体模型的单元大小，网格划分则需要进行【更新】操作，才能进入下一步的操作。

3）如果需要对局部的网格（局部区域、某个圆柱面、某个棱边等）进行细化，可采用【网格控件】命令进行相关操作，进一步通过【更新】操作，才能进入下一步的操作。

（6）检查单元质量

1）完成构建有限元模型的操作后，可以利用【节点/单元】命令，查看各个节点或者单元的编号。

2）可以利用【有限元模型汇总】命令来查看单元总数、节点总数、单元数量、物理属性和材料属性等基本信息。

3）更为重要的是，可以利用【单元质量】命令来查看单元的质量，质量有【常规几何检查】【特定几何检查】2个选项，其中【特定几何检查】包括【宽高比】【歪斜角度】【内角】【翘曲度】等性能指标，各个指标又包括【警告限制】【错误限制】2类参数，默认值尽量不要修改。

提示

仿真分析结果的准确性很大程度上依赖于单元的质量，每一类单元都有理想的形状和阈值控制指标，当模型中单元的实际参数与阈值相差较大时，其解算结果的准确度会大大降低，甚至与实际结果背道而驰。

从实践经验的角度来说，检查单元后不允许出现【错误】单元，允许比例不超过5%的【警告】单元。

（7）创建SIM模型

利用【约束类型】命令，设置仿真模型的边界条件；利用【模型对象】命令，设置模型之间的接触条件和连接方式；利用【载荷类型】命令，设置各个类型的载荷及其大小，其中解算方案类型为SOL103实特征值（模态分析）时可以省略该步骤。

（8）仿真模型检查

在模型求解之前，可以通过【仿真信息汇总】命令来查看【网格汇总】【载荷汇总】【约束汇总】【解算汇总】【解算过程汇总】等信息。

通过【模型设置检查】命令来查看【基于网格的错误汇总】【基于材料的错误汇总】【基于解算方案的错误汇总】【迭代求解器选项】【基于载荷/约束的错误汇总】等错误或者警告信息。

如有上述错误或者警告信息的提示，则分别在仿真模型环境或者返回到有限元模型环境中做进一步的检查和修改。

（9）仿真模型求解

单击【Solution（解算方案n）】解算方案并选择弹出的【求解】命令，或者直接单击工具栏中的【求解】按钮，弹出图1-20所示的【求解】对话框，在【解算方案】的【提交】选项中有4种模式：直接求解，写入求解器输入文件，求解输入文件，写入、编辑并求解输入文件，其中直接求解为默认方式，也是一般有限元计算中最为常用的一种提交模式。

一般默认软件自动进行模型设置检查，即完成了上述（8）步骤的操作。

如果需要增加输出【加速度】【作用载荷】【接触结果】【应变】等结果的请求，可以单击【求解】对话框中的【编辑解算方案属性】按钮，即对求解方案的相关参数进行编辑。

如果需要对许可证类型、求解器版本和求解结果文件的临时存放目录进行改动，可以单击【求解】对话框中的【编辑求解器参数】按钮。

如果需要对输出结果的单位、输出结果文件名和数据格式等进行改动，可以单击【求解】对话框中的【编辑高级求解器选项】按钮。

在求解过程中，依次弹出【求解信息】【Solution Monitor】【Review Results】【分析作业监视】4个对话框或者提示栏，稍等，【分析作业监视】内出现【完成】，即可依次关闭上述4个对话框，同时在【仿真导航器】中出现【结果】及其子节点【Structural】（解算成功的话，其字体为亮色），意味着可以进入后续的仿真后处理显示操作了。

（10）仿真模型后处理

进入【后处理导航器】窗口，一般结构有限元分析都具有【位移-节点】【旋转-节点】【应力-单元】【应力-单元-节点】等查看的选项和指标，整体模型、各个单元或者单元上的节点都可以选用不同的显示形式，也可以采用图表格式来描述模型上局部区域结果的规律情况。

提示

解算和分析类型不同，输出结果和性能指标的种类有所不同，在新建仿真模型操作或者求解之前，根据需要在【解算方案设置】中的【Output Requests】（输出请求）进行相应的选取。

（11）输出仿真报告

上述解算结束后可以单击工具栏【解算方案】中的【创建报告】按钮，选用报告模板文件即可在仿真导航器窗口出现【报告】及其相关内容的子节点（报告标题、报告者、报告者联系方式、报告简况、模型名称、模型摘要、材料、载荷和边界条件等栏目），还可以对相关节点内容进行编辑或者抓取相关图像（或者动画），最后保存或者发布报告，得到一份完整的有限元分析报告。

1.3.2 认识NX有限元分析工作流程的框图

为了更好地认识和熟悉操作流程，清晰地表达NX有限元涉及各个模型或者文件的并列关系、递进关系和从属关系，对上述工作流程进行了框图描述，如图1-32所示。