NXCAE分析在工程力學(xué)中的應(yīng)用

閆向陽　楊煥屆

摘要：工程力學(xué)是力學(xué)學(xué)科的一個重要分支并廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，是一門理論性較強(qiáng)、與工程技術(shù)聯(lián)系極為密切的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。對于工程力學(xué)中，物體受力后發(fā)生變形的計算，該文以西門子公司的NX軟件為抓手，建立材料的力學(xué)模型，施加載荷和約束，仿真分析其結(jié)果并與教材理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)論一致，更重要的是NX能提供更加詳盡的變形結(jié)果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NXCAE分析可以有效地幫助計算材料力學(xué)的變形和應(yīng)力，是工程應(yīng)用領(lǐng)域的有效助手。

關(guān)鍵詞：工程力學(xué)；NX；CAE；有限元分析

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0264-02

問題提出：在工程力學(xué)分析物體受力變形破壞的過程中，由于公式眾多，如果公式選擇錯誤，則計算結(jié)果必然不能作為實(shí)際工程的參照。第二，工程力學(xué)除了公式繁多外，計算量也比較大，對于復(fù)雜幾何體經(jīng)常需要使用微積分來求解，如果數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的話，最終也只能得出錯誤的數(shù)據(jù)。工程力學(xué)課堂一般都比較死氣沉沉。本文嘗試使用NX軟件對工程力學(xué)中的問題進(jìn)行求解，簡單快捷，不易出錯，大大提高了學(xué)生對力學(xué)和相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。以工程力學(xué)中拉伸變形為例，介紹NX軟件在結(jié)構(gòu)分析中的使用方法。

1 創(chuàng)建拉伸變形試樣模型

根據(jù)《金屬拉伸試樣》的有關(guān)要求，使用比例試樣中的長試樣作為分析對象。該試樣直徑為[d0]=10mm，比例系數(shù)為K=11.3.長度滿足L=（2.5[～3.5]）[d0]。表面粗糙度為0.8[μm]。

NX軟件是西門子公司開發(fā)的功能非常全面和系統(tǒng)的PLM產(chǎn)品設(shè)計軟件，其主要模塊包含建模、工程圖、仿真、電氣設(shè)計等。使用NX軟件中的建模模塊創(chuàng)建模型，模型采用拉模試樣長試樣尺寸創(chuàng)建，主要參數(shù)如表1所示。試樣模型如圖1所示。

2 NX仿真求解

建模完成后使用NX高級有限元仿真分析對試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，創(chuàng)建FEM和仿真文件，使用材料庫指定試樣材料為鋼（Steel），材料庫中都包含零件的相關(guān)物理屬性，比如鋼材的密度、極限強(qiáng)度、溫度系數(shù)等。使用自動單元大小的3D四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對試樣左端施加固定約束，選擇載荷類型為力，設(shè)置幅值為20kN。低碳鋼（Q235剛）的屈服極限是235MPa，本文施加力之后，材料在安全工作范圍之內(nèi)，得出的結(jié)論具有參考價值。設(shè)定完成之后進(jìn)行求解計算。

3 后處理分析

求解后需要切換到后處理視圖，雙擊結(jié)果后處理數(shù)據(jù)就全部顯示出來了。NX提供了非常強(qiáng)大的后處理分析方式。等高線標(biāo)繪、切割平面圖和沿路徑繪圖等。圖3是采用應(yīng)力單元節(jié)點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力（VonMises）顯示的等高線測繪圖。從圖中可以看出：在圓角區(qū)域存在紅色最大應(yīng)力值，應(yīng)力僅存在很小范圍，是應(yīng)力集中的結(jié)果。在中間區(qū)域應(yīng)力恒定不變，達(dá)到了黃綠色區(qū)域的250MPa左右，也符合力學(xué)理論。圖4給出了不同位置處的應(yīng)力值，一目了然，哪些地方破壞可能更加嚴(yán)重，哪些地方更加安全。

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圖5截取不同位置的Z軸的變形大小，左側(cè)為固定端，右側(cè)離固定端越遠(yuǎn)，則變形越大，變形大小可以根據(jù)胡克定律公式進(jìn)行計算，等高線圖清晰表明拉伸試樣的變形情況。

此外，NX后處理中可以通過動畫仿真，觀看拉伸過程中材料的變形情況，應(yīng)力分布和變化，直觀形象又生動，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最后通過導(dǎo)出報告的方法對拉伸實(shí)驗(yàn)做一個整體總結(jié)。查看NX有限元分析中加載的載荷與約束，顯示力學(xué)相關(guān)參數(shù)，包含第一主應(yīng)力、最大應(yīng)力，最大變形等情況。

4 結(jié)束語

通過創(chuàng)建NX有限元模型和仿真分析，解算出單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和變形，形象的使用動畫表現(xiàn)拉伸變形的具體過程，有效提高了學(xué)生對枯燥繁雜的工程力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，相比于實(shí)際的力學(xué)推導(dǎo)效率更高。為學(xué)生后期在企業(yè)工作中的機(jī)械設(shè)計與制造中提供了很多便利條件和方法。后續(xù)在工程力學(xué)教學(xué)中可以嘗試推廣，不只是黑板板書推導(dǎo)公式，使用計算機(jī)輔助分析軟件來改善學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)習(xí)興趣，真正讓學(xué)生能快樂學(xué)習(xí)，并且學(xué)有所獲。

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