1.4 认识NX有限元分析基础知识

1.4.1 认识常见单元类型及其应用场合

（1）常见单元类型及其应用场合

有限元分析的重要步骤是将一个整体实体模型分割成具有特定形状和属性的若干个单元（单元由若干个节点组成，单元与单元依靠相邻节点的连接，分割的方法称之为网格划分），单元质量和网格划分的优劣是决定计算精度的重要环节，特别是对于大型和复杂模型来说，网格划分相当耗时；对于一般模型，虽然通过自动单元网格划分技术可以获得较为满意的结果，但是对于一些具有典型特征的零件来说，一味地减少单元大小对提供计算精度没有益处，只会大大增加计算的时间。因此，对于初学者来说，有必要去认识和掌握典型单元的类型、应用场合及其网格划分的方法和技巧。

根据实际零件几何形状和尺寸的特点，可以将模型划分为0D（零维单元，也称标量单元或者点单元）、1D（一维单元，也称为线性单元）、2D（二维单元，也称为面单元）和3D（三维单元，也称为实体单元）单元等，NXNastran提供了单元库中常见的单元类型、命令、名称、描述及其应用场合，见表1-2。

（2）网格划分和单元类型选用的注意事项

1）对于模型中的所有有限元单元，都有唯一的单元标识号（一般自动标识，可以查看），绝不能按不同单元类型重复使用单元标识号。

2）不同类型单元的定义参数有所区别，在单元定义过程中有很多的默认参数，需要理解其含义和对单元质量的影响程度。

3）每个单元有自己的单元坐标系，这类坐标系是由连接次序或由其他单元数据定义的，单元的输出量（例如单元力或应力）是以单元坐标系输出的。

4）不同类型的单元计算精度有所区别，且每种类型的单元都有它自己的定义属性、定义参数和使用场合。

1.4.2 认识边界条件及其应用场合

（1）认识常见载荷类型及其应用场合

NX前处理的边界条件包括载荷、约束和仿真对象三大类型，其中载荷类型、常用载荷命令、载荷操作类型和应用场合如表1-3所示。

施加载荷操作的注意事项如下所示：

1）很多载荷类型，比如力载荷、压力载荷等，可以定义为常数值，也可以定义为非常数的表达式形式，或者定义为随坐标方向、时间、频率或者温度变化方式的场函数。

2）施加载荷的对象可以是几何体（例如曲线、点、网格点、多边形面或者多边形边），也可以是单元上的某个节点。如果在几何体上定义力载荷，软件自动会将力载荷映射到对应的节点上。

3）施加载荷操作必须在仿真文件环境（即仿真文件为工作部件或者显示部件）和一个处于激活状态的解算方案中进行。

（2）认识常见约束类型及其应用场合

NX前处理的边界条件包括载荷、约束和仿真对象三大类型，其中约束类型、常用约束命令、定义和应用场合见表1-4。

（3）认识常见仿真对象及其应用场合

NX前处理的边界条件包括载荷、约束和仿真对象三大类型，其中仿真对象类型、常用命令、定义和应用场合见表1-5。

1.4.3 认识有限元分析文件的数据结构关系

（1）认识文件的类型和内容

从数据结构的角度来看，NX前/后处理是由主模型（part模型）、理想化模型（parti模型）、有限元模型（fem模型）和仿真模型（sim模型）这4个独立而关联的文件组成的从属关系，从而方便了对各类数据文件（扩展名不同）及其历史记录（特征节点）的操作、修改和管理。在有限元分析过程中，在仿真导航器窗口可以清楚地查看哪些数据和文件存储在哪个文件中，哪个文件是根节点并包含了哪些具体的子节点，以及它们各自的含义、参数和上下级的从属关系。

以根节点【M0100底座.prt】及其各个子节点为例，在仿真导航器窗口可以清楚地看到其相互的从属关系，如图1-33所示，对各个节点的含义、内容和特点进行如下描述。

1）主模型文件【M0100_底座.prt】包含主模型部件和未修改的部件几何体。如果在理想化部件中使用部件间表达式，主模型部件则具有写锁定（仅在使用主模型尺寸命令直接更改或通过优化间接更改主模型尺寸时，会发生该情况）。大多数情况下，主模型部件将不更改，也根本不会具有写锁定。写锁定可移除，以允许将新设计保存到主模型部件。因此，模型特征移除而产生的所有更改，都会应用于理想化部件。

2）理想化模型文件【M0100_底座_fem1i.prt】包含理想化部件，这是对主模型部件的一个装配和复制（提升体或者几何WAVE链接）。根据网格划分需要，对理想化部件执行几何体的理想化操作（运用抽取或简化等命令），而不修改主模型部件。同时，可以将多个理想化模型文件与同一个主模型部件相关联。

3）有限元文件【M0100_底座_fem1.fem】包含材料、物理属性、网格（节点和单元）、网格连接和节点合并等。FEM文件中的所有几何体都是多形几何体。多形几何体是实体模型几何体的小平面化表示，为网格划分做好准备。如果对FEM进行网格划分，则会对多形几何体进行进一步的几何体提升操作，而不是对理想化部件或主模型部件的网格化操作。FEM文件与理想化部件相关联。同时，可以将多个FEM文件与同一个理想化部件相关联。

4）仿真文件【M0100_底座_sim1.sim】包含所有仿真数据，例如解算方案、解算方案的参数设置、特定仿真对象（例如面面接触、面面胶合等）、载荷、约束和单元相关联数据等等。同时，可以将多个SIM文件与同一个FEM模型相关联。

（2）认识各个文件之间的数据结构关系

从数据的逻辑结构来看，主模型、理想化模型、FEM模型、SIM模型和解算方案的各个文件属于树状结构形式，以根节点【M0100底座.prt】及其各个子节点为例，它们的树状关系的描述和示例如图1-34所示。

（3）认识仿真文件管理的优点

1）需要直接处理FEM文件或者SIM文件时，不必先打开主模型部件，这样大大提高了工作效率。

2）对于一个理想化部件可以创建多个FEM文件，而对于一个给定的FEM模型可以创建多个SIM文件，这非常有利于多工况的仿真方案进行对比分析和团队分工协助。

3）如果处理大型或复杂模型，可以关闭不在使用的文件，提高计算机资源的使用率。例如进行网格划分时，可以关闭所有文件（FEM文件除外）来提高工作效率。

1.4.4 认识常见后处理显示方法

（1）认识后处理结果的类型

以解算方案类型【SOL101线性静态-全局约束】为例，求解成功后在后处理导航器窗口显示出仿真的多个结果，如图1-27所示。仿真的结果类型默认情况下包括【位移-节点】【旋转-节点】【应力-单元】【应力-单元-节点】【反作用力-节点】【反作用力矩-节点】6个指标，更多的结果类型，比如【应变】【加速度】【接触应力】等，可以通过编辑解算方案，在其【工况控制】选项里编辑【输出请求】得到。

常见后处理结果的类型、物理量、性质、含义和常用指标的归纳见表1-6。

（2）认识后处理结果的显示方式

NX提供了丰富的后处理结果显示方式，下面介绍常用的显示方式。

1）云图显示方式。云图将仿真结果映射到模型上，并用颜色来区分结果值，看起来非常直观。

云图的显示类型很多，如图1-35所示，编辑后处理导航器窗口下【云图】的【Post View1】节点，弹出【后处理视图】对话框，在【显示】选项卡【颜色显示】下拉列表框中就有【光顺】【分段】【单元】【等值线】【等值曲面】【球体】【箭头】等各类显示模式。

如图1-36所示，以【M0100底座sim1.sim】Z方向的【位移-节点】结果为例，分别采用了【光顺】【等值线】【球体】3个显示云图的模式。

如图1-37所示的后处理视图采用了【边和面】的子项【边】，并采用了【特征】显示模式，隐藏了外部的网格。

2）控制显示的比例和参考点。在【后处理视图】对话框，单击【显示】选项卡【变形】右侧的【结果】按钮，弹出【变形】对话框，修改【比例】的数值，即可改变显示模型的变形大小；激活【参考节点】并从模型上选择一个节点，该点即可作为变形的参考节点。

在【后处理视图】对话框的【显示】选项卡中勾选【显示未变形的模型】复选框，即可在图形窗口同时出现变形模型和原模型，有助于判断变形的情况。

3）显示于切割平面。在【后处理视图】对话框的【显示】选项卡中，将【显示于】下拉列表框中的【自由面】切换为【切割平面】，并单击弹出的【选项】按钮，弹出【切割平面】对话框，在【切割平面】选项中选择矢量方向，拖动该矢量方向的标尺来确定切割尺寸，单击【应用】按钮即可。这有利于下一步查看该截面上任何单元和节点的结果，如图1-38所示，否则只能查看表面网格上的数值，无法查看内部网格单元及其节点上的数值。

4）注释最大值和最小值。注释显示方法可以查看模型上具体的数值大小。

在后处理导航器窗口，展开【云图】子项【PostView】的子节点【注释】，勾选【注释】复选框，同时激活【Minimum（最小值）】和【Maximum（最大值）】，即可在图形窗口的模型上看到最大/最小值的显示。

进一步编辑【Minimum】和【Maximum】节点，弹出【注释】对话框，对【用户文本】【文本和线条颜色】【框】等选项内容进行修改，如图1-39所示，借助工具栏【拖动注释】命令调整注释方框所在的位置，即可制作一幅清晰的、标识出最大和最小值显示的云图。

5）动画。动画显示可以很好地辨析模型变形的形态，进一步确认模型刚度和强度薄弱区域。

简单的动画演示可以直接单击工具栏【动画】按钮右侧的【播放】按钮；也可以单击【动画】按钮弹出【动画】对话框，单击按钮即可观看模型动态变化。调整【帧数】和【同步帧延迟（ms）】的数字即可调整动画播放的速度。在动画播放过程中，还可以选择【导出动画GIF】命令，制作成GIF动画文件。

（3）认识后处理标记结果的方法

切换到【结果】主菜单，选择【后处理】栏目中的【标识结果】命令，弹出图1-40所示的【标识】对话框，常用操作选项包括【节点结果】【标记选择】【拾取】及其各自列表框的操作选项，可以查看模型上任何节点、单元、特征边、特征面和局部模型上结果的最大值、最小值和平均值，同时可以标识出相应的节点编号（ID）。

以【M0100底座sim1.sim】后处理的【位移-节点】结果的显示操作为例，需要显示某一条圆弧边上的位移平均值，先在【标识】对话框【拾取】列表中切换为【特征边】，再在模型上单击该圆弧边，即可在【标识】的列表框中显示该棱边位移的最大值、最小值、节点ID和平均值等信息。进一步单击【清除高亮显示】按钮即可清除模型上的标识值；单击【清除选择】按钮即可清除列表框中的信息。

提示

可以将特定的节点选择保持到组，以便显示或者进一步处理；可以将节点和单元数据保存在电子表格或者逗号分隔的文本文件中，并将节点和单元数据导出至表格场。

为了描述模型上某个区域、某个棱边变形、应变或者应力的变化规律，NX还提供了路径和图表功能，更加形象和清晰地反映分析的结果。

（4）认识后处理中的坐标系

NX仿真建模和有限元操作过程中有绝对坐标系（ACS）、工作坐标系（WCS）、局部坐标系、节点位移坐标系和节点参考坐标系等，其中局部坐标系是用户定义的，包括直角笛卡儿坐标系、圆柱坐标系和球坐标系，其中直角坐标系和圆柱坐标系的轴名、各轴位置关系如图1-41所示。

在启动后处理结果的显示时，不同的坐标系显示结果有所区别，因此，需要根据仿真建模的坐标系来选用相应的坐标系。以受扭转的圆柱体【位移-节点】显示为例，如图1-42所示，该圆柱体底边限制R/T/Z3个平移自由度和R/T2个旋转自由度（释放了其Z旋转自由度），顶边施加了扭矩载荷，求解后分别采用箭头显示模式，对比直角坐标系和圆柱坐标系位移变形的云图，显然圆柱坐标系更加清楚、合理地表达出了变形的状态。

（5）认识后处理中多视图布局显示

切换到【结果】主菜单，在【布局】栏目中提供了【单视图】、【并排视图】、【上下视图】、【四视图】和【九视图】等多种视图窗口布局方式。以【M0100_底座_sim1.sim】后处理导航器窗口的布局显示操作为例，在窗口上分别单击【位移-节点】【Z】位移节点和【应力-单元-节点】【VonMises】应力节点并利用【绘图】命令，最终的并排视图效果如图1-43所示。

1.4.5 认识常见分析结果的评判方法

（1）评判的一般方法

评价一般机械产品及其零件性能的指标有刚度、强度、疲劳性、稳定性和可靠性等，有限元后处理结果中的位移和应变两个指标对应了刚度，应力指标对应了强度。而有限元分析的结果评价，是指后处理结果（往往是最大值）是否超出了设计的允许值（许用值），如果超差，意味着产品或者零件遭到了破坏，即处于失效状态，因此就需要重新修改和优化CAD模型，或者改变其边界条件（约束或者载荷）。

当然，具体评价还需要结合产品零件的材料、零件的关键程度及其工况状态等因素。常见的材料包括塑性材料和脆性材料两大类，下面分别叙述这两类材料零件后处理结果中应力指标的评价方法。

（2）应力的评判方法

在拉力作用下，由脆性材料制成的零件只出现很小的变形就可能突然断裂，脆性材料断裂时的应力即强度极限σb；塑性材料制成的零件，在拉断之前已出现塑性变形，在不考虑塑性变形力学设计方法的情况下，考虑到零件不能保持原有的形状和尺寸，故认为它已不能正常工作，即工作应力已经超过了设计的许用值。

脆性材料的强度极限σb和塑性材料屈服极限σs称为产品失效的极限应力。为保证产品和零件具有足够的强度，在外力作用下的最大工作应力必须小于材料的极限应力。但是，在实际产品和零件的强度计算中，必须把材料的极限应力除以一个大于1的系数n（称为安全系数），作为构件工作时所允许的最大应力，称为材料的许用应力，以[σ]表示。

对于脆性材料，许用应力为

[σ]=σb/nb（1-1）

对于塑性材料，许用应力为[σ]=σs/ns（1-2）

其中，nb、ns分别为脆性材料、塑性材料对应的安全系数。

（3）安全系数的确定方法

安全系数的确定除了要考虑载荷变化、零件加工精度和工作环境等因素外，还要考虑材料的性能差异（塑性材料或脆性材料）及材质的均匀性，以及零件在产品中的重要性、损坏后造成后果的严重程度等因素。

安全系数的选取，必须体现既安全又经济的设计思想，通常由国家有关部门制定，公布在有关的规范中供设计时参考，一般在静载下，对塑性材料可取1.5～2.0；脆性材料均匀性差，容易发生突然断裂，会有更大的危险性，所以通常取3.0～4.0，有时甚至取7.0～8.0。表1-7所示为典型产品常见零件的安全系数规定值。

（4）NX后处理结果的一般评判方法和步骤

以NX后处理结果中的VonMises（冯氏应力）指标和塑性材料的强度性能评判方法为例，其一般方法和操作步骤如下所示。

● 查看产品设计规范，确定分析模型零件设计的安全系数（ns）。

● 打开模型材料列表中的信息，查看【屈服强度】值（σs）。

● 根据式（1-2）计算出零件设计的许用应力值（σ）。

● 根据模型工作的应力状态，查看后处理窗口中【应力-单元-节点】的【Von Mises】（或者最大应力、最大剪应力等）指标值，和上述的许用应力值相比较，从而判断模型的强度性能是否达标以及达标的程度。

● 如果超标，可以通过修改模型、修改边界条件和修改材料等方法，再一次进行有限元分析和结果评判，直到模型的强度性能达标为止。