UG NX 高級仿真在壓力容器中的應(yīng)用

1、 /6UGNX高級仿真在壓力容器應(yīng)力分析中的應(yīng)用閆碩（滄州市設(shè)備安裝工程有限公司工程科）摘要：UGNX高級仿真模塊具有很強(qiáng)的線性分析功能和非線性分析功能，能夠滿足壓力容器應(yīng)力分析的需求。以壓力容器典型的受內(nèi)壓圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)為例，利用NXCAD的強(qiáng)大建模功能以及CAD&CAE的無縫集成，進(jìn)行了應(yīng)力分析以及線性化處理，成功證明了UGNX高級仿真在壓力容器分析設(shè)計中應(yīng)用的可行性、方便性。關(guān)鍵詞：UGNX高級仿真；壓力容器;CAD&CAE技術(shù)；nxnastran；線性化處理；應(yīng)力分析UGNX高級仿真一基本模塊是UGNX的核心子集，包括了一系列分析功能例如線性靜態(tài)分析，正則模態(tài)分析，線性屈曲分析以及流

2、體、熱傳遞分析。UGNX高級仿真一基本模塊提供了有限元分析所需的單元類型庫，模型材料庫。支持強(qiáng)有力的邊界條件管理能力。提供系列的包括屈曲分析的線性算法控制能力以及無限規(guī)模的正則模態(tài)分析能力。支持穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳遞分析的解算能力。NX-基本分析模塊在虛擬產(chǎn)品開發(fā)流程中擁有很關(guān)鍵的地位，為產(chǎn)品性能開發(fā)的數(shù)字化原型和仿真模擬提供了廣泛應(yīng)用的CAE解決方案。特征強(qiáng)有力的分析能力功能完善的單元庫包括點(diǎn)焊單元在內(nèi)各種類型的模型材料庫邊界條件易操作性如工況的合并，添加，刪除各種特征值求解正則模態(tài)及復(fù)特征值分析設(shè)計優(yōu)化和敏度分析評估設(shè)計變動的效果高效的解算器熱傳導(dǎo)自然對流強(qiáng)迫對流熱載荷定義溫度邊界條件初始邊界條

3、件熱控制系統(tǒng)圖形化顯示結(jié)果收益與物理原型試驗相比，仿真分析降低了設(shè)計周期長和成本高的風(fēng)險通過相對快捷的仿真過程和反復(fù)的驗證研究大大提高了產(chǎn)品革新的進(jìn)程在各種工況下都能進(jìn)行產(chǎn)品功能仿真模擬，包括熱場分析一、UGNX高級仿真功能簡介UGNX高級仿真技術(shù)功能可以實現(xiàn)：1）靜力分析：除一般分析功能之外還提供結(jié)構(gòu)的重量和重心數(shù)據(jù)，支持全范圍的材料模式。同時支持具有慣性釋放的靜力分析（無約束狀態(tài)下的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)）、非線性靜力分析（包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等）。2）屈曲分析：主要用于結(jié)構(gòu)特定載荷下穩(wěn)定性以及失穩(wěn)的臨界載荷。包括線性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非線性屈曲分析（幾何非線性屈曲分析、彈

4、塑性屈曲分滄州市設(shè)備安裝工程有限公司 /6析以及非線性后屈曲分析）。算法上，UGNX高級仿真采用先進(jìn)的微分剛度概念，考慮高階應(yīng)變-位移關(guān)系，結(jié)合UGNX高級仿真特征值提取算法可精確判別出相應(yīng)的失穩(wěn)臨界點(diǎn)。該方法較其他有限元軟件中所使用的限定載荷量級法具有更高的精確度和可靠性。3）動力學(xué)分析：具有其他有限元軟件所無法比擬的強(qiáng)大的動力學(xué)分析功能，包括正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、（直接、模態(tài)）頻率和（直接、模態(tài)、非線性）瞬態(tài)響應(yīng)分析、（噪）聲學(xué)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。UGNX高級仿真提供求解所需的動力和阻尼單元。4）非線性分析：UGNX高級仿真強(qiáng)大的非線性分析功能為設(shè)計人

5、員有效地設(shè)計產(chǎn)品，減少額外成本提供了一個十分實用可靠的工具。包括幾何非線性分析、材料非線性（支持VonMises、Tresca、MohrCoulomb、Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，蠕變分析可利用ORNL定律或Rheological模擬）、非線性邊界（接觸問題）、非線性瞬態(tài)分析、非線性單元（非線性阻尼、彈簧、接觸單元等）。UGNX高級仿真非線性分析提供N-R法、改進(jìn)Newton法、弧長法、Newton與弧長混合法、兩點(diǎn)積分法、NewmarkB法及非線性瞬態(tài)分析過程中的自動時間步調(diào)整功能等豐富的迭代和運(yùn)算控制算法。5）熱傳導(dǎo)分析：可以計算熱分布狀況，直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布，

6、提供廣泛的溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)分析（線性/非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)、線性/非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對流、相變、熱腔分析）。UGNX高級仿真支持穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析的線性、非線性兩種算法。此外，UGNX高級仿真還應(yīng)用于流固耦合分析、空氣動力彈性及顫振分析、多級超單元分析、高級對稱分析、設(shè)計靈敏度及優(yōu)化分析、復(fù)合材料分析等?？梢?，UGNX高級仿真的分析功能已經(jīng)完全囊括了壓力容器應(yīng)力分析涉及的內(nèi)容，能夠滿足這一特定領(lǐng)域的需求。二、NXCAD建模功能眾所周知，UGNX的CAD模塊為高端技術(shù)產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的CAD參數(shù)化建模功能。依托于CAD強(qiáng)大建模功能，可以方便、快捷的完成模型的構(gòu)建，相對于以往ANSYS建模，大大提咼了

7、模型處理效率。同時UGNX還提供了宏文件錄制功能以及基于知識建模的知識熔接（KnowledgeFusion）等自動建模技術(shù)工具，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動創(chuàng)建與分析。宏文件以及KF語言都可以用普通的文本文件進(jìn)行編輯與修改，方便，易學(xué)，易懂。譬如壓力容器典型支管結(jié)構(gòu)的倒角造型，在NXCAD中建好基本模型之后，不同于ANSYS中先生成圓角再生成蒙皮的方法，直接運(yùn)用一個邊倒角命令便可迅速生成所要倒角相冠線，如圖1所示以往分析中，經(jīng)常采用CAD建模功能較方便的系統(tǒng)構(gòu)建模型，然后再通過中間標(biāo)圖1NXCAD迅速生成倒角準(zhǔn)格式（譬如IGES、Pasolid、STEP等）導(dǎo)入CAE分析工具進(jìn)行模型的有限元分析,但是這

8、種方法，中間格式的傳遞常常因為不兼容性而導(dǎo)致部分模型參數(shù)的丟失，而給模型的修補(bǔ)帶來很大的工作量，減緩了工作效率。并且這種方法是單向的，當(dāng)分析模型改變時，還要重復(fù)同樣的工作，浪費(fèi)大量的時間。而NX實現(xiàn)了CAD&CAE體化集成方案，實現(xiàn)了CAD參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分等功能的無縫集成，并支持其他CAD軟件的模型數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入，為用戶提供了很大的方便。三、應(yīng)力線性化功能NX的應(yīng)力線性化程序在美國已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可，根據(jù)C0DAP95（E）-C10/351,薄膜應(yīng)力張量采用計算公式：J彎曲應(yīng)力張量采用計算公式:計算步驟為：1）確定關(guān)心的區(qū)域2）在鎖定區(qū)域繪制顯示Sxx應(yīng)力云圖3）圍繞厚度突變區(qū)域沿壁厚方向

9、在不同點(diǎn)（點(diǎn)越多越好）找到應(yīng)力4）計算積分找出彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力值5）重復(fù)以上步驟尋找Sxx，Syy，Szz，Txy，Tyz,Txz6）計算彎曲主應(yīng)力和薄膜主應(yīng)力7）按照下式對彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力進(jìn)行積分獲得應(yīng)力值S一2去-VW（對&（-fj=z二十門對十石）-X2i-in3”淸奇數(shù)如圖2所示，一般在NX中一個評定路徑要求最少分為20段。滄州市設(shè)備安裝工程有限公司 /6四、應(yīng)用實例以壓力容器中最為常見典型的受內(nèi)壓圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)為例（圖3）介紹UGNX高級仿真在壓力容器中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)示意如圖所示：閤3輕向接菅結(jié)構(gòu)力學(xué)模型與有限元模型。1、力學(xué)模型：取1/2模型2、材料：steelE=2.07E+

10、85=0.29（溫度20C）3、單元類型：選取3D四面體單元（大小為10mm）4、邊界條件：施加邊界條件如圖所示，施加均布壓力P=50MPagde-1*-s-IE-1utIn|Reeu11-I日日已皀n3C-lI-rijC-3I,56JflrOi-3ins*ieJi-事擲.voniti三j.oie*oo2.mt徑it&-站i1.01E+QD2r-J/rrm?kfnjEIe4257弋Inum2.QqBe-njLi3N/rrrnJiApa)EIf6T23圖6應(yīng)力圖像采用UGNX高級仿真7.0為解算器。應(yīng)力分布如圖6所示，可見最大應(yīng)力點(diǎn)在內(nèi)壁與套筒連接不遠(yuǎn)處（深紅色位置），軸向應(yīng)力大小為2.084e+3MPa。在最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)處設(shè)置路徑A在位移圖像中的圖像，如圖7所示。圖7位移圖像圖h節(jié)點(diǎn)位移圖節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖jiice-Gertfrol五、總結(jié)NX系統(tǒng)的前處理模塊將CAD建模、網(wǎng)格劃分、參數(shù)化等功能無縫整合