UG NX 高級(jí)仿真在壓力容器中的應(yīng)用

1、 /6UGNX高級(jí)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(jí)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(wú)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(jí)仿真在壓力容器分析設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性、方便性。關(guān)鍵詞：UGNX高級(jí)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(jí)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(jí)仿真一基本模塊提供了有限元分析所需的單元類型庫(kù)，模型材料庫(kù)。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(wú)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(kù)包括點(diǎn)焊單元在內(nèi)各種類型的模型材料庫(kù)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(jì)優(yōu)化和敏度分析評(píng)估設(shè)計(jì)變動(dòng)的效果高效的解算器熱傳導(dǎo)自然對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)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(yàn)相比，仿真分析降低了設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)和成本高的風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)相對(duì)快捷的仿真過(guò)程和反復(fù)的驗(yàn)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(chǎng)分析一、UGNX高級(jí)仿真功能簡(jiǎn)介UGNX高級(jí)仿真技術(shù)功能可以實(shí)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(shí)支持具有慣性釋放的靜力分析（無(wú)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(jí)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(jí)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(jí)法具有更高的精確度和可靠性。3）動(dòng)力學(xué)分析：具有其他有限元軟件所無(wú)法比擬的強(qiáng)大的動(dòng)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(dòng)力靈敏度分析等。UGNX高級(jí)仿真提供求解所需的動(dòng)力和阻尼單元。4）非線性分析：UGNX高級(jí)仿真強(qiáng)大的非線性分析功能為設(shè)計(jì)人

5、員有效地設(shè)計(jì)產(chǎn)品，減少額外成本提供了一個(gè)十分實(shí)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(wèn)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(jí)仿真非線性分析提供N-R法、改進(jìn)Newton法、弧長(zhǎng)法、Newton與弧長(zhǎng)混合法、兩點(diǎn)積分法、NewmarkB法及非線性瞬態(tài)分析過(guò)程中的自動(dòng)時(shí)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(jì)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(duì)流、相變、熱腔分析）。UGNX高級(jí)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(jí)仿真還應(yīng)用于流固耦合分析、空氣動(dòng)力彈性及顫振分析、多級(jí)超單元分析、高級(jí)對(duì)稱分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析、復(fù)合材料分析等?？梢姡琔GNX高級(jí)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(duì)于以往ANSYS建模，大大提咼了

7、模型處理效率。同時(shí)UGNX還提供了宏文件錄制功能以及基于知識(shí)建模的知識(shí)熔接（KnowledgeFusion）等自動(dòng)建模技術(shù)工具，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)創(chuàng)建與分析。宏文件以及KF語(yǔ)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(gè)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(guò)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?yàn)椴患嫒菪远鴮?dǎo)致部分模型參數(shù)的丟失，而給模型的修補(bǔ)帶來(lái)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(shí)，還要重復(fù)同樣的工作，浪費(fèi)大量的時(shí)間。而NX實(shí)現(xiàn)了CAD&CAE體化集成方案，實(shí)現(xiàn)了CAD參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分等功能的無(wú)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(guó)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(jì)算公式：J彎曲應(yīng)力張量采用計(jì)算公式:計(jì)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(jì)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(jì)算彎曲主應(yīng)力和薄膜主應(yīng)力7）按照下式對(duì)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(duì)&（-fj=z二十門對(duì)十石）-X2i-in3”淸奇數(shù)如圖2所示，一般在NX中一個(gè)評(píng)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(shí)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(jí)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?jí)毫=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(jí)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(wú)縫整合