ugnx4.0中文版工业造型实例教程 (ug nx4.0三维建模实用教程)

第 1 章 高级仿真入门

在本章中，将学习：  高级仿真的功能。  由高级仿真使用的文件。  使用高级仿真的基本工作流程。  创建 FEM 和仿真文件。  用在仿真导航器中的文件。  在高级仿真中有限元分析工作的流程。

1.1 综 述

UG NX4 高级仿真是一个综合性的有限元建模和结果可视化的产品，旨在满足设计工程师与分析师的需要。高级仿真包括一整套前处理和后处理工具，并支持广泛的产品性能

评估解法。图 1-1 所示为一连杆分析实例。

图 1-1 连杆分析实例

高级仿真提供对许多业界标准解算器的无缝、透明支持，这样的解算器包括 NX Nastran、MSC Nastran、ANSYS 和 ABAQUS。例如，如果结构仿真中创建网格或解法，则指定将要用于解算模型的解算器和要执行的分析类型。本软件使用该解算器的术语或"语

言"及分析类型来展示所有网格划分、边界条件和解法选项。另外，还可以求解模型并直

接在高级仿真中查看结果，不必首先导出解算器文件或导入结果。 高级仿真提供基本设计仿真中需要的所有功能，并支持高级分析流程的众多其他功能。  高级仿真的数据结构很有特色，例如具有独立的仿真文件和 FEM 文件，这有利

于在分布式工作环境中开发有限元（FE）模型。这些数据结构还允许分析师轻松

UG NX4 高级仿真培训教程 2

地共享 FE 数据去执行多种类型分析。  高级仿真提供世界级的网格划分功能。本软件旨在使用经济的单元计数来产生高

质量网格。结构仿真支持完整的单元类型（1D、2D 和 3D）。另外，结构级仿真使分析师能够控制特定网格公差。例如，这些公差控制着软件如何对复杂几何体

（例如圆角）划分网格。  高级仿真包括许多几何体简化工具，使分析师能够根据其分析需要来量身定制

CAD 几何体。例如，分析师可以使用这些工具提高其网格的整体质量，方法是消除有问题的几何体（例如微小的边）。

 高级仿真中专门包含有新的 NX 传热解算器和 NX 流体解算器。  NX 传热解算器是一种完全集成的有限差分解算器。它允许热工程师预测承受

热载荷系统中的热流和温度。  NX 流体解算器是一种计算流体动力学（CFD）解算器。它允许分析师执行稳

态、不可压缩的流分析，并对系统中的流体运动预测流率和压力梯度，也可

以使用 NX 传热和 NX 流体一起执行耦合传热/流体分析。

1.2 仿真文件结构

当向前通过高级仿真工作流时，将利用 4 个分离并关联的文件去存储信息。要在高级仿真中高效地工作，需要了解哪些数据存储在哪个文件中，以及在创建那些数据时哪个文

件必须是激活的工作部件。这 4 个文件平行于仿真过程，如图 1-2 所示。

图 1-2 仿真文件结构

正被分析的原设计部件

一个有.prt 扩展名的部件文件。例如，一个可以被命名为 plate.prt 的部件。 部件文件含有主模型部件或一装配，及一个未修改的部件几何体。 如果用一个由其他人设计的模型启动，可能没有修改它的权艰。在分析过程时期，通

常主模型部件文件是不被修改的。 设计部件文件的理想化复制

当一个理想化部件文件被建立时，默认有一.prt 扩展名，fem#_i 是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt，一个理想化部件被命名为 plate_fem1_i.prt。

第 1 章 高级仿真入门 3

一个理想化部件是原设计部件的一个相关复制，可以修改它。 理想化工具让用户利用理想化部件对主模型的设计特征做改变。不修改主模型部件，

而按需要在理想化部件上执行几何体理想化。例如，可以移去和抑制特征，如在分析中被

忽略的小的几何细节。 对同一原设计部件文件的不同类型分析可以使用多个理想化文件。

有限元模型（FEM）文件

当建立一 FEM 文件时默认有一个.fem 扩展名，_fem#是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt，一个 FEM 文件被命名为 plate_fem1.fem。

一个有限元模型文件含有网格（节点与单元）、物理特性和材料。 一旦建立了网格，可以利用简化工具移去可以影响网格总质量设计中的人为对象，如

细长条面、小边缘和峡部条件。简化工具允许相应一特定有限元分析在充分捕捉设计意图

的细节级上网格化几何体。

几何体提取发生在存储于 FEM 中的多边形几何体上，而不是在理想化的或主模型的部 件中。

多个 FEM 文件可以引用同一理想化部件，可以对不同类型构建不同的 FEM 文件。 仿真文件

当建立一仿真文件时，默认一个仿真文件有一.sim 扩展名，_sim#是对部件名的附加。例如，如果原部件是 plate.prt，一个仿真文件被命名为 plate_sim1.sim。

仿真文件含有所有仿真数据，如解答、解算设置、载荷、约束、单元相关的数据、物

理特性和压制，可以对文件建立许多关联到同一 FEM 的仿真文件。 当执行多个分析类型时，4 个分离的文件提供灵活性。如果允许更新，4 个文件是关

连的。

1.3 高级仿真工作流程

在开始一个分析前，应该对试图求解的问题有一彻底了解。应该知道将利用哪个求解

器，正在执行什么类型的分析和需要什么类型的解决方案。下列简要摘录了在结构仿真中

通用的工作流程。 （1）在 NX 中，打开一部件文件。 （2）启动高级仿真应用。为 FEM 和仿真文件规定默认求解器（设置环境，或语言）。

注意：也可以选择先建立 FEM 文件，然后再建立仿真文件。

（3）建立一解决方案。选择求解器（如 NX Nastran）、分析类型（如 Structural）和解决方案类型（如 Linear Statics）。

（4）如果需要，理想化部件几何体。一旦使理想化部件激活，可以移去不需要的细节，

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如孔或圆角，分隔几何体准备实体网格划分或建立中面。 （5）使 FEM 文件激活，网格划分几何体。首先利用系统默认自动地网格化几何体。

在许多情况下系统默认提供一好的高质量的网格，可无须修改使用。 （6）检查网格质量。如果需要，可以用进一步理想化部件几何体细化网格，此外在

FEM 中可以利用简化工具，消除当网格划分模型时由 CAD 几何体可能引起的不希望结果的问题。

（7）应用一材料到网格。 （8）当对网格满意时，使仿真文件激活、作用载荷与约束到模型。 （9）求解模型。 （10）在后处理中考察结果。

1.4 仿真导航器

仿真导航器（Simulation Navigator）提供在一树状结构中，一个观察和操纵一 CAE 分析的不同文件和组元的图形方法。每一个文件和组元被显示为在树中的一分离节点，如 图 1-3 所示。

在仿真导航器中提供了直接存取直通快捷菜单。可以在仿真导航器中直接执行大多数

操作，代替使用图标或命令。例如，建立一新的求解定义，可以把载荷和约束从一容器拖

到仿真导航器的另一个中。

图 1-3 仿真导航器

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1.4.1 在仿真导航器中的节点

仿真导航器的顶部面板列出显示文件的内容。如图 1-4 所示为在一个顶级仿真文件内的容器例子。选中复选框可以控制项目的显示。

图 1-4 仿真导航器中的各种节点

表 1-1 所示的是仿真导航器中各种节点的高级综述。

表 1-1 仿真导航器节点描述

图 标 节 点 名 节 点 描 述

仿真

含有所有仿真数据，如专门求解器、解决方案、 解决方案设置、仿真对象、载荷、约束和压制。可以有多个仿真文件与一单个 FEM文件关联

FEM 含有所有网格数据、物理特性、材料数据和多边形几何体。FEM文件总是相关到理想化。可以关联多个 FEM 文件到一单个理想化部件

理想化部件 含有理想化部件，当建立一 FEM 时由软件自动建立

主模型部件 当主模型部件是工作部件时，在主模型部件节点上右击建立一新

的 FEM 或显示已有的理想化部件

多边形几何体 含有多边形几何体（多边形体、表面和边缘）。一旦网格化有限

元模型，任何进一步几何体提取发生在多边形几何体上，而不是

在理想化或主模型部件上

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续表

图 标 节 点 名 节 点 描 述

0D 网格 含有所有零维（0D）网格

1D 网格 含有所有一维（1D）网格

2D 网格 含有所有二维（2D）网格

3D 网格 含有所有三维（3D）网格

仿真对象容器

含有解算器和解决方案专有的对象，如自动调温器、表格或流动

表面

载荷容器 含有指定到当前仿真文件的载荷。在一解决方案容器内，载荷容

器（Load Container）含有指定到给件子工况的载荷

约束容器 含有指定到当前仿真文件的约束。在一解决方案容器内， 约束容器（Constraint Container）含有指定到解决方案的约束

解决方案 含有解决方案对象、载荷、约束和对解决方案的子工况

子工况步 含有一解决方案内每一个子工况解决方案的实体，如载荷、约束

和仿真对象

结果

含有从一求解得来的任一结果。在后置处理器中， 可以打开结果节点，并利用在仿真导航器内的可见复选框去控制各种结果组的

显示

1.4.2 仿真文件视图

仿真文件视图是一个特殊浏览器窗口，存在于仿真导航器中。该窗口：  显示所有已加载的部件，以及这些部件到主模型部件层次关系中的所有 FEM 和仿

真文件。  允许轻松更改显示的部件，方法是双击要显示的部件。

 如果某一实体正在显示，图标则显示为彩色，且名称会高亮显示。  如果某一实体不在显示，图标则变灰。

 允许在任何设计或理想化部件上创建新的 FEM 和仿真文件，而不必首先显示 部件。

仿真文件视图如图 1-5 所示。

第 1 章 高级仿真入门 7

图 1-5 仿真文件视图

1.5 练 习

在本练习中利用一三维实体网格，分析一个连接杆部件，了解高级仿真工作流程，并

学习：  打开部件及建立 FEM 和仿真文件。  在网格化前理想化几何体。  网格化部件。  为网格定义一材料。  作用载荷和约束到部件。  求解模型。  观察分析结果。 第 1 步 打开部件，启动高级仿真  在 NX 中，打开 rod.prt 部件，如图 1-6 所示。  启动 Advanced Simulation 应用。选择 Start→All Applications→Advanced Simulation。  在资源条上，单击 Simulation Navigator 图标 。  单击销（pin）图标 保持仿真导航器打开。  在仿真导航器中，右击 rod.prt 并选择 New FEM and Simulation。

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如图 1-7 所示，New FEM and Simulation 对话框列出 3 个已自动建立的新文件。Default Language 下 NX NASTRAN 为求解器，Analysis Type 选择 Structural。

图 1-6 rod.prt 图 1-7 New FEM and Simulation 对话框

 单击 New FEM and Simulation 对话框中的 OK 按钮。 出现 Create Solution 对话框，如图 1-8 所示，默认 Solver 是 NX NASTRAN。  单击 Create Solution 对话框中的 OK 按钮。 Simulation Navigator 显示 Simulation 和 FEM 文件，如图 1-9 所示。

图 1-8 Create Solution 对话框 图 1-9 仿真导航器

第 2 步 理想化几何体 对此练习，某些设计特征可以从部件移去，因为它们对分析是不重要的。

第 1 章 高级仿真入门 9

 在Simulation Navigator中，如果Simulation File View是被折叠，单击Simulation File

提示：也可以选择文件名，右击并选择 Make Displayed Part。

击 Idealize Geometry 图标

View 条打开它。  双击 rod_fem1_i。

理想化的部件现在在仿真导航器中被激活。  在 Advanced Simulation 工具栏中，单 。

，选择部件。

注意： 10 mm。

孔从理想化部件被移去，如图 1-10 所示。

 随 Idealize 对话框打开 选中 Holes 复选框。

设置直径到 10，两个螺栓孔被亮显，因为每一个直径小于或等于

 单击 OK 按钮。

图 1-10 理想化部件

 单击 Save 图标 ，存储激活的文件。

t sh

第 3 步 划分部件网格 为了划分部件网格，首先需要使 FEM 文件激活。  在 Simulation File View 中，双击 rod_fem1。FEM 文件被激活并列在仿真导航器的顶部 。  在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 3DTe rahedral Me 图标 。

也可以从提示： 仿真导航器中右击 rod_fem1 并选择 New Mesh→3D Tetrahedral，建立

单元类型。

网格。

 随 3D Mesh 对话框打开，选择实体。  从 Type 列表选择 CTETRA（10）单元。

注意：CTETRA（10）和 CTETRA（4）是 NASTRAN

 在 Overall Element Size 框中加入 4.0。

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 单击 OK 按钮建立网格，如图 1-11 所示。 如图 1-12 所示，3D 网格被列在 Simulation Navigator 中。

第 1 章 高级仿真入门 11

图 1-11 网格化部件 图 1-12 网格节点

 单击 Save 图标 ，存储 FEM 文件。 第 4 步 为网格定义一材料  在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 Material Properties 图标 。

提示：也可以选择 Tools→ Material Properties。

 在 Materials 对话框中，单击 Library 图标 。  在 Search Criteria 对话框中，单击 OK 按钮。  在 Search Result 对话框中，选择名为 Steel 的材料，然后单击 OK 按钮。 材料特性被加载到 Materials 对话框中。作用材料到网格。  使在 Materials 对话框中的 STEEL 被亮显。  在 Simulation Navigator 中，单击（选择）3d_mesh（1）选择网格。  在对话框中，单击 OK 按钮。 库材料被连接到网格。利用 Simulation Navigator，检查材料是否已被作用到网格。  在 Simulation Navigator 对话框中，右击 3d_mesh（1）和选择 Edit Attributes。  在 Element Attributes 对话框中，检查 STEEL 被列出为作用到网格的材料。  单击 Cancel 按钮。  存储文件。 第 5 步 作用一轴承载荷  在 Simulation File View 窗口中，双击 rod_sim1。在仿真导航器中使 Simulation 文

件激活。

关断网格显示，因而方便曲面选择。  在 Simulation Navigator 中不选中 3d_mesh（1）复选框，如图 1-13 所示。  在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 Load Type 图标 中的箭头，然后单击

Bearing 图标 。

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图 1-13 关断 3D 网格显示

注意：也可以利用 Simulation Navigator，在激活的解决方案（Solution 1）中，右击 Loads，并选择 New Load→ Bearing 去建立载荷。

轴承载荷要求规定一柱形表面（或圆形边缘），和一规定最大载荷方向的矢量。 首先，选择几何体——轴承载荷将作用的柱面。  打开 Create Bearing 对话框，选择在部件右端的柱面，如图 1-14 所示。

图 1-14 选择载荷作用表面

 在 Force 文本框中输入 1000。

注意：区域角（Region Angle）设置到 180。这意味着载荷将作用到柱面超过 180°。

其次，选择要定义的最大载荷的矢量方向。  单击 Inferred Vector 图标 中的箭头，并单击–YC Axis 图标 。  单击 OK 按钮。 载荷建立并显示在图形中，如图 1-15 所示。 在载荷上显示的箭头是一 bit，利用 BC Edit Display 对话框改变边界条件的外貌。  在 Simulation Navigator 中右击 Solution（1）下的 Bearing（1）载荷，然后选择 Style。  在 BC Edit Display 对话框中，微微移动 Scale 滑块向左减少箭头尺寸，然后单击

OK 按钮。

第 1 章 高级仿真入门 13

箭头尺寸改变，如图 1-16 所示。

图 1-15 建立并显示载荷 图 1-16 修改后的载荷显示

第 6 步 作用第一约束 利用一销住约束，在杆的一端约束大的弯曲面。该约束将仿真此面怎样与另一部件上

的对应面匹配。 一个销住约束定义一旋转轴。一旦选择了一柱面，建立一柱坐标系，R 和 Z 方向将被

固定，Theta（旋转）方向是自由的。  在 Advanced Simulation 工具栏上，单击 Constraint Type 图标 中的箭头，然后单

击 Pinned Constraint 图标 。

注意：也可以利用 Simulation Navigator，在激活的解决方案（Solution 1）中右击 Constraints 并选择 New Constraint→Pinned Constraint。

 打开 Create Pinned Constraint 对话框，选择在连接杆底部的大弯曲面，如图 1-17所示。

 单击 OK 按钮。 约束被作用的显示。由约束建立的圆柱坐标系也是可见的，如图 1-18 所示。

图 1-17 选择底部的大弯曲面 图 1-18 建立与显示销住约束

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第 7 步 作用第二约束 部件已被约束，但绕 Z 轴仍然可自由旋转。现在部件顶部加另一约束，防止一刚体运

动。将利用用户定义的约束，在一个自由度中约束点。  单击 Constraint Type 图标 中的箭头，然后单击 User Defined Constraint 图标 。  在 Create User Defined Constraint 对话框中的 DOF1 框中，单击 Fixed 图标 。  X 平移被固定，所有其他 DOF 保持自由。  放大并选择点：在切槽的顶端处面相遇，如图 1-19 所示。  单击 OK 按钮。 建立约束，如图 1-20 所示。

图 1-19 选择点 图 1-20 建立与显示固定约束

 存储文件。 第 8 步 求解模型 现在已定义了网格、材料、载荷和约束，准备求解模型。作为过程的一部分，利用综

合检查，检验模型是否准备完毕。  在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1 并选择 Comprehensive Check，打开

Information 窗口。  考查检查结果。 检查列出的信息和警告。  检查推荐选择 Iterative Solver 选项，它可以改进性能。  检查警告：对销住约束坐标系不同于节点下的坐标系。当作用销住约束时，它利

用一柱坐标系压制在节点下的坐标系。这不会引起任何问题，可以忽略警告。  关闭 Information 窗口。  在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1，并选择 Solution Attributes。  在 Edit Solution 对话框中，选中 Iterative Solver（对 NX Nastran 2.0 和更高版本）

复选框。

 单击 OK 按钮。

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 在 Simulation Navigator 中，右击 Solution 1，并选择 Solve。

提示：也可以在 Advanced Simulation 工具栏上单击 Solve 图标 ，显示 Solve 对话框。注意 Comprehensive Check 要选中。

 单击 OK 按钮。 显示 Information 窗口，再次综合检查数据。 如果通过检查，出现 Analysis Job Monitor 对话框，它显示任务正在运行。分析在后台

运行，所以可以继续用 NX 工作，而有限元分析正在被计算。  当任务完成时，关闭 Information 窗口。  在 Analysis Job Monitor 对话框上单击 Cancel 按钮。 现在解算完成，如图 1-21 所示，Results 节点在 Simulation Navigator 中可以见到。 第 9 步 观察分析结果 现在利用后置处理器观察分析结果。 在 Simulation Navigator 中，双击 Results。

提示：也可以单击 Advanced Simulation 工具栏上的 Results 图标 。

结果显示在后置处理器窗口中，如图 1-22 所示。

图 1-21 Results 节点 图 1-22 结果显示

显示 Post Control 工具栏，如图 1-23 所示。

图 1-23 Post Control 工具栏

提示：如果 Post Control 工具栏是不可见的，在 Application 工具区右击并选择 Post Control。

第 10 步 在仿真导航器中考察结果 通过简单选择规定需要的类型，可以改变显示的结果类型。注意：默认选择位移类型。

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许多结果类型有专门的子类型（数据组元）。在图 1-24 中，Displacement 已经展开以显示不同数据元。

第 1 章 高级仿真入门 17

图 1-24 展开的位移节点

 在 Simulation Navigator 中，展开 SUBCASE — STATIC LOADS 1 Loads。  展开 Displacement — Nodal。  选中 Y 组元复选框。 显示更新以展示 Y 位移值，如图 1-25 所示。

图 1-25 Y 位移值

第 11 步 退出后置处理器 当完成观察结果时，可以退出后置处理器。  在 Post Control 工具栏上，单击 Finish Post Processing 图标 。

提示：也可以选择 Tools→ Results→ Finish Post Processing。

 关闭所有部件文件。

• 第1章 高级仿真入门

• 1.1 综 述

• 1.2 仿真文件结构

• 1.3 高级仿真工作流程

• 1.4 仿真导航器

• 1.4.1 在仿真导航器中的节点

• 1.4.2 仿真文件视图

• 1.5 练 习