第一十六章 有限元分析

16.1.1  高级仿真概述

高级仿真为包括NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS和ABAQUS在内的许多业界标准解算器提供无缝、透明支持。高级仿真提供设计仿真中可用的所有功能，并支持高级分析流程的众多其他功能。
UG NX的高级仿真主要具有以下特色。
（1）数据结构特色鲜明，具有独立的仿真文件和 FEM（有限元模型）文件，这有利于在分布式工作环境中开发FE（有限元）模型。同时，这些数据结构还允许分析员轻松地共享 FE 数据，以执行多种分析。
（2）提供高级网格划分功能。高级仿真旨在使用经济的单元计数来产生高质量网格，支持补充完全的单元类型（如0D、1D、2D 和 3D）。另外，高级仿真使工程师能够控制特定网格公差，以控制如何对复杂几何体（如圆角）划分网格。
（3）高级仿真包括许多几何体简化工具，使工程师能够根据其分析需要来量身定制 CAD 几何体，例如，可以通过消除有问题的几何体（如微小的边）等方法提高其网格划分的整体质量。

16.1.2  高级仿真文件结构

要在高级仿真中高效工作，需要了解哪些数据存储在哪个文件中，以及在创建有关数据时哪个文件必须是活动的工作部件。高级仿真在4个独立而关联的文件中管理仿真数据，其文件结构如图16-1的仿真导航器中所示。
（1）部件文件：如disk.prt，包含主模型部件和未修改的部件几何体。大多数情况下，主模型部件将不更改。
（2）理想化部件文件：如disk_fem#_i.prt，其扩展名与部件文件相同，_fem#_i是对部件名的附加，包含理想化部件，理想化部件是主模型部件的装配实例。理想化工具（如抑制特征或分割模型）允许根据需要使用理想化部件对模型的设计特征进行更改，而不修改主模型部件。创建 FEM 或仿真文件后自动创建理想化部件。
（3）FEM 文件：如disk_fem#.fem，扩展名为.fem，_fem#是对部件名的附加，包含网格（节点和单元）、物理属性和材料。FEM文件中的所有几何体都是多边形几何体。如果对 FEM 进行网格划分，则会对多边形几何体进行任何进一步几何体抽取操作，而不是理想化部件或主模型部件。FEM文件与理想化部件相关联，而且可以将多个FEM文件与同一理想化部件相关联。
（4）仿真文件：如disk_sim#.sim，扩展名为.sim，_sim#为部件名的附加，包含所有仿真数据，例如解法、解法设置、载荷、约束、单元相关联数据等，可以创建多个与同一FEM 部件相关联的仿真文件。

图16-1  仿真导航器中的文件结构

使用多文件分析数据结构方法具有以下几个数据管理和仿真－建模方面的优点。
（1）.sim 和 .fem 文件扩展名使得能够在操作系统层面上将NX实体模型几何体文件（.prt）与其他数据区分开来，而且，该信息还可以为其他的 PLM 软件利用。
（2）可以直接处理FEM文件和仿真文件，而不需要先打开主模型部件，以节省内存和系统资源。
（3）可以对给定的理想化部件创建多个FEM文件，或对给定的FEM创建多个仿真，这对于基于团队的分析、复杂加载或假设分析非常方便。
（4）可以同时加载多个FEM文件和仿真文件。
（5）多个用户可以同时对不同版本的FEM文件和仿真文件进行处理。
（6）FEM的重复使用可以显著提高资源利用率。多个仿真文件可以使用同一 FEM 文件。
（7）如果处理大型或复杂模型，可以关闭不再使用的文件，以释放资源。例如，进行网格划分时，可以关闭除FEM外的所有文件来提高速度和改进性能。

16.1.3  高级仿真工作流

在进行高级仿真之前，应对要解决的问题做全面了解，确定需要采用的解算器和执行的分析及解法类型。高级仿真软件非常灵活，能够根据建模问题、有关的标准以及个人偏好启用多种工作流，常用基本工作流为显式工作流和自动工作流，这两种工作流可以满足大多数情况下的使用，它们之间的主要区别在于对物理、材料和网格属性的创建和管理方式。
显式工作流程对于由多个体、材料和网格构成的复杂模型非常有用，还有助于在完整定义模型时确保精确性和完整性，其一般步骤如下。
（1）在NX中，打开一个部件文件，进入高级仿真应用模块。
（2）在仿真导航器选择部件名称，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单选择“新建FEM和仿真”命令，在打开的对话框单击“确定”按钮，创建新的FEM和仿真文件，并可在随后打开的“解算方案”对话框单击“确定”按钮创建解算方案，所创建的解算方案可在需要时进行修改和编辑。
（3）如果需要，使理想化部件成为显示部件，然后采用工具将部件理想化。
（4）定义在模型中使用的材料。
（5）使FEM部件成为显示的部件，创建物理属性表，并将已定义的材料分配给物理属性表。
（6）创建网格捕集器。网格捕集器定义共享相同的材料、物理和显示属性的网格组。可以随时创建附加的网格捕集器，但必须为创建的属于给定单元系列的每个网格至少创建一个目标捕集器。
（7）网格化几何体，将每个网格指定给相应的目标捕集器。网格会继承指定给捕集器的材料、物理和显示属性。
（8）检查网格质量。必要时可通过重新访问部件几何体理想化来修整网格，或使用抽取工具控制自动几何体抽取，以进行网格划分。进行网格化之后，可能需要对某些网格中的单元修改单元属性。
（9）使仿真部件成为显示的部件，并将载荷和约束条件应用于模型。
（10）定义输出请求。
（11）根据需要，定义解法和步骤或子工况。确保为每个解法指定一个输出请求。在仿真导航器中，可在多个解法和步骤或子工况之间拖放载荷、约束和仿真对象，从而为不同解法定义边界条件。
（12）求解模型。
（13）对结果进行后处理并生成报告。
对于由单个实体或一种材料的表面体构成的简单模型，可以使用自动化工作流快速定义 FEM 和仿真，此工作流与显式工作流的区别是不必单独创建物理属性表和网格捕集器，而是利用属性继承性和常用默认值自动创建网格捕集器。