UG有限元分析第4章

1、 第4章 结构静力学和优化分析实例精讲 三角托架分析本章内容简介 本实例首先利用UG NX高级仿真中的静力学【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】解算模块，依次创建有限元模型和仿真模型，计算出模型受载的位移和应力响应值，以此来确定模型优化约束条件的基准值和约束要求，利用系统提供的优化解算方案，依次定义优化目标、约束条件和设计变量，最终求解出模型在此约束要求下的优化结果，模型也得到自动更新，达到了优化的目的 本章节主要内容:基础知识问题描述问题分析操作步骤本节小结4.1基础知识主要内容大致分为四个部分：优化设计概述；结构优化设计的作用；结构优化

2、设计的内容；结构优化设计的一般流程；三角托架结构在汽车起重机构中的三维实体模型，要求在保证刚度性能的前提下进行轻量化设计 ； 4.2 问题描述三角托架三维实体模型托架草绘图尺寸工况条件三角托架一侧的直角棱边设置固定约束，在另外一侧的直角上承受10Mpa的压力，使用的材料为Steel（UG NX材料库自带的材料）。边界条件4.3 问题分析本实例优化时采用1个约束条件、2个设计变量，首先需要采用【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】解算模块，计算出模型在边界约束条件和载荷条件下的位移和应力响应值，以此来确定优化约束条件的基准值；优化时设计变量可以

3、采用经验来预判，也可以借助软件提供的【全局灵敏度】功能更加精确地判断各个设计变量对设计目标的敏感程度。优化设计过程也是一个迭代计算过程，最终是收敛于某个确定解，每迭代一次模型会自动更新，其中，迭代次数根据需要可以修改，在保证迭代精度和可靠收敛的前提下，本实例默认设置迭代次数为20。4.4 操作步骤4.4.1 结构静力学分析操作步骤创建有限元模型定义仿真模型中的边界约束和载荷条件求解并确定变形约束的基准4.4.2 结构优化分析操作步骤建立优化解算方案优化求解及其结果查看 4.4.1 结构静力学分析操作步骤打开随书光盘part源文件所在的文件夹路径：Book_CDPartPart_CAE_Unfi

4、nishCh04_Bracket_support，选中文件Bracket_support.prt，调出主模型。在三维建模环境中，预先查看一下和本次优化过程设计变量有关的特征内容和相应尺寸。 （1）创建有限元模型1）依次左键单击【开始】和【高级仿真】命令，在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【Bracket_support.prt】节点，弹出【新建FEM和仿真】对话框；新建FEM及仿真结算方案对话框单击确定 2) 自定义材料单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料（指定材料）】对话框；设置相关参数单击确定3)创建物理属性单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框单击【创建

5、】选择材料单击【确定】4)网格属性定义单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框单击【确定】5)划分有限元模型网格单击工具栏中的【3D四面体网格】图标右侧的小三角符号，选择【3D扫掠网格】图标，弹出【3D扫掠网格】对话框；设置相关参数单击确定6）分析单元质量单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框：选择对象单击命令 （2）定义仿真模型中的边界约束和载荷条件单击【Bracket_support_fem1.fem】节点右键选择【显示仿真】图标，并选择【Bracket_support_sim1.sim】作为显示对象，进入仿真模型窗口。单击工具栏中

6、【约束类型】中的【固定移动约束】命令，弹出【固定移动约束】对话框；1）添加固定约束单击确定约束添加示意图单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形，单击其中的【压力】图标，弹出【压力】对话框2）施加载荷设置相关参数压力添加示意图单击确定（3）求解并确定变形约束的基准在仿真窗口中单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，稍等后完成分析作业，关闭各个信息窗口，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境。待显示完成，关闭各窗口1）查看Y向位移云图在【后处理导航器】窗口依次展开【Solution 1】、【位移-节点的】和【Y】节点，双击【

7、Y】节点，结合优化设计的要求以及该值大小，初步确定模型变形位移的约束条件。双击Y向位移云图及最大最小值Von-Mises应力云图及最大最小值依次展开【Solution 1】、【应力-单元节点】和【Von-Mises】节点，双击【Von-Mises】节点并在工具栏中打开【标记开/关】命令，得到该模型的Von-Mises应力分布情况；2）查看Von-Mises应力云图2022/7/253）退出【后处理】显示模式单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理】显示模式，单击工具栏中的【保存】图标，将上述成功的操作结果保存下来；切换到【仿真导航器】窗口界面，完成计算结果的分析，也为后续优化设计操作提供

8、了约束条件合理的基准值。2022/7/254.4.2 结构优化分析操作步骤（1）建立优化解算方案1) 在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Bracket_support_sim1.sim】节点，右键依次单击弹出的【新建求解过程】命令和【几何优化】命令，弹出【创建几何优化解算方案】对话框。设置相关参数单击确定2022/7/252）几何优化对话框设置弹出【几何优化】对话框，默认【常规设置】选项，如 下图所示，默认该选项下的【名称】为【Setup 1】，分别进行设计目标、约束条件和设计变量的定义操作。单击下一步逐个定义设置相关参数2022/7/253）【几何优化】对话框【定义目标】设置在对话框中单击【

9、定义目标】按钮，如图所示【几何优化】对话框右侧切换为【定义目标】窗口。单下一步设置相关参数定义目标4）【几何优化】对话框【定义约束】设置如图所示的【定义约束】窗口，单击右上侧的【创建约束】图标，弹出【定义约束】对话框。 单击该命令 设置相关参数设置相关参数单击该命令单击关闭5）【几何优化】对话框【定义设计变量】设置切换到【几何优化】对话框的【定义设计变量】窗口，如图所示，单击【创建设计变量】图标，弹出【定义设计变量】对话框，在【设计变量】中选择【草图尺寸】图标单击该命令选择草图修改尺寸参数修改参观参数选取该值选取该值单击应用单击确定6）【几何优化】对话框【几何优化】设置单击【几何优化】对话框下

10、的【下一步】，进入到【几何优化】对话框中的【控制参数】窗口；修改参数单击完成（2）优化求解及其结果查看在【仿真导航器】窗口分级树中单击【Setup 1】节点，右键选择弹出的【求解】命令即可提交作业解算，注意到系统弹出了Excel电子表格；优化工作表【目标】工作表Bracket_support:height_to_support工作表Bracket_support:thickness工作表双击出现的【结果】节点，并切换到【后处理导航器】窗口，可以发现在【Bracket_support_ sim1】节点下面新增了【Setup 1】及其8个迭代计算子节点。仿真导航器新增节点优化后的模型1）结果查看依

11、次展开【设计循环 1】、【位移-节点的】和【Y】节点，双击【Y】节点即可在图形窗口出现第一次迭代后模型在Y轴方向上的位移云图；按照同样的方法可以依次查看各个迭代过程中的位移云图和应力云图。设计循环1下的Y向位移分析结果2）云图查看设计循环7下的Y向位移分析结果在工具栏中单击【动画】命令，弹出【动画】对话框，在【动画】选项中切换为【迭代】，如下图所示，默认其他播放参数，单击【播放】按钮，在图形窗口中即可观察到随着迭代计算模型自动更新的全过程。单击命令3）查看动画迭代设置参数单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理】显示模式，在资源条上单击【仿真导航器】命令，在【仿真导航器】窗口分级树中，双

12、击出现的【Bracket_support.prt】节点，即可返回到三维建模环境；在工具栏中依次单击【开始】和【建模】命令，在【模型记录历史】中双击【草图（0）】节点，即可进入到草绘图环境，可以发现草绘图形状和尺寸均发生了变化，达到了优化的目的。 本实例模型的静力分析结果及优化结果、迭代过程变形和应力输出结果请参考随书光盘Book_CDPart Part_CAE_FinishCh04_Bracket_support文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考影像文件Book_CDAVICh04_ Bracket_support_AVI。 4）退出后处理模式4.5 本章总结本实例以三角托架为优化对象，以重量最小作为优化目标（轻量化），确定位移响应的最小极限值作为约束条件，以模型中的两个草绘图尺寸作为设计变量，介绍了优化的概念和步骤，在上述优化的基础上，还可以进行如下的操作：（1）在本实例中仅考虑了模型刚度的约束影响