基于NX CAE裝配有限元網(wǎng)格技術(shù)研究

潘自民 朱秋菊 閔康磊 李晟昊 曹旭民

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

目前對(duì)于復(fù)雜裝配體的有限元建模，國(guó)內(nèi)采用的方法是利用有限元軟件自身提供的參數(shù)化建模語(yǔ)言編寫相關(guān)文件。但對(duì)復(fù)雜的裝配體設(shè)計(jì)，一般需要在CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后將模型導(dǎo)入CAE分析平臺(tái)進(jìn)行多學(xué)科分析，最終形成幾輪迭代設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化結(jié)果[1]。文獻(xiàn)[1]介紹的裝配有限元網(wǎng)格建模技術(shù)需要借助CAD中裝配關(guān)系在CAE環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)，過程相對(duì)繁瑣，門檻較高，一般工程技術(shù)人員較難掌握；而在NX CAE(目前NX11.0及之后版本的仿真模塊為Simcenter 3D平臺(tái))平臺(tái)進(jìn)行裝配有限元網(wǎng)格技術(shù)，無(wú)需作CAE二次開發(fā)，只需基于各零、部件的CAD裝配關(guān)系將其各有限元網(wǎng)格模型映射到相應(yīng)的空間位置即可，同時(shí)無(wú)論進(jìn)行幾次迭代更改設(shè)計(jì)，在裝配有限元模型中，各零部件的位置和網(wǎng)格信息都能得到及時(shí)更新。

圖1 fem文件對(duì)應(yīng)的模型樹

UG NX是一套集CAD/CAM/CAE一體化的工業(yè)軟件，它的功能覆蓋從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)過程。其中，它的CAE高級(jí)仿真模塊主要包含NX前、后處理和NX Nastran求解3個(gè)基本部分。隨著這幾年的迅速發(fā)展其分析和解算功能也越來越強(qiáng)，Nastran分析結(jié)果已成為航太等級(jí)工業(yè)CAE標(biāo)準(zhǔn)，獲得FAA認(rèn)證[2]。

在有限元分析中，前處理網(wǎng)格劃分至關(guān)重要。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到分析能否順利、快速地完成，也關(guān)系到能否得到高精度的計(jì)算結(jié)果[3]。在一個(gè)復(fù)雜裝配模型的有限元分析中，前處理往往要占去整個(gè)分析過程60%～80%的時(shí)間。如何能夠?qū)⑦@部分時(shí)間縮短到最少，對(duì)整個(gè)分析計(jì)算過程效率的提高至關(guān)重要。本文主要介紹在NX CAE平臺(tái)裝配有限元技術(shù)創(chuàng)建有限元模型一般過程，同時(shí)給出一工程實(shí)例演示創(chuàng)建有限元網(wǎng)格模型。

1 NX有限元模型文件介紹

NX CAE平臺(tái)中的一類常用有限元模型文件就是.fem文件，它包括有限元FEM文件、理想化部件文件和主模型部件。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的所有多邊形幾何體(取決于理想化部件體的分割數(shù)量)和坐標(biāo)系，詳見圖1所示。

主模型部件(.prt)是創(chuàng)建的最原始的三維幾何模型文件；FEM文件(.fem)是有限元模型文件，其包含劃分的有限元網(wǎng)格、材料參數(shù)、物理屬性等信息；理想化部件(_i.prt)是劃分有限元網(wǎng)格的母板模型，其對(duì)應(yīng)的原始模型部件就是主模型部件，在理性化部件上可以做任何形式的幾何簡(jiǎn)化，而此簡(jiǎn)化對(duì)原始的主模型部件(.prt)無(wú)任何影響，但它可以直接反饋到有限元模型文件中的幾何體部分，通過“更新”有限元模型可以將最新的更改設(shè)計(jì)映射到有限元模型中，從而保證所做的有限元分析是最新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真分析。上述不同文件類型包含著不同的信息，而這種分類對(duì)相關(guān)模型數(shù)據(jù)庫(kù)的管理是很有好處的，詳見圖1所示。

NX CAE中另一類有限元文件是裝配FEM文件(.afm)，它的下一層文件類型可以是子裝配文件(.afm)，也可以是零、部件FEM文件(.fem)。

裝配 FEM(.afm)文件具有支持裝配體有限元網(wǎng)格建模的強(qiáng)大工作流程，以創(chuàng)建分析大型裝配體模型文件。裝配有限元類似于CAD零、部件的裝配，與部件裝配包含多個(gè)組件部件的事例和位置數(shù)據(jù)非常類似，裝配FEM也包含多個(gè)組件FEM的實(shí)例和位置數(shù)據(jù)。此外，裝配FEM還包含將組件FEM連結(jié)到系統(tǒng)中的連接單元(螺釘連接、鉚釘、焊點(diǎn)焊接等)，以及組件有限元網(wǎng)格中的材料和物理屬性替代操作等。

裝配FEM支持的兩個(gè)基本工作流程：

(1)關(guān)聯(lián)的。在此工作流程中，可將裝配FEM與部件在CAD中的現(xiàn)有裝配關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，并將新的或現(xiàn)有的組件FEM映射到對(duì)應(yīng)的組件部件位置。在更新裝配關(guān)系或其組件部件的幾何體更改時(shí)，其裝配FEM也會(huì)得到更新?？蓪㈥P(guān)聯(lián)組件FEM和非關(guān)聯(lián)組件FEM組合在相同的裝配FEM中。同時(shí)，也可以將非關(guān)聯(lián)組件FEM添加到關(guān)聯(lián)裝配FEM模型中。

圖2 某星載功放結(jié)構(gòu)裝配有限元模型及對(duì)應(yīng)模型樹

(2)非關(guān)聯(lián)的。在此工作流程中，可以首先創(chuàng)建空的裝配FEM。然后添加組件FEM到裝配FEM中，最后，使用移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)組件定義組件FEM的位置和方位，類似與幾何裝配的創(chuàng)建，但由于此種方法存在非關(guān)聯(lián)性，零、部件的最新有限元網(wǎng)格模型有時(shí)會(huì)得不到及時(shí)的更新，性能評(píng)估計(jì)算容易出現(xiàn)差錯(cuò)。

以上兩類工作流程強(qiáng)烈推薦使用關(guān)聯(lián)模式，它可以實(shí)時(shí)地將設(shè)計(jì)文件做的修改反饋到有限元模型中，從而保證計(jì)算的有限元分析模型對(duì)應(yīng)的是最新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。

2 裝配有限元網(wǎng)格模型實(shí)例創(chuàng)建

本案例以某星載功放裝配體幾何模型為有限元網(wǎng)格裝配體創(chuàng)建對(duì)象，該功放主要包括電源模塊、功放負(fù)載模塊、若干支架、直波導(dǎo)、彎波導(dǎo)、軟波導(dǎo)、若干螺釘?shù)?。在零件網(wǎng)格劃分時(shí)，經(jīng)常會(huì)在幾何體連接的部位產(chǎn)生大量的重復(fù)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致有限元模型產(chǎn)生剛體位移，將無(wú)法進(jìn)行正確的分析運(yùn)算。所以，有必要在求解之前對(duì)有限元模型進(jìn)行質(zhì)量檢查[4]。

有限元模型網(wǎng)格若全部采用四面體自動(dòng)劃分，將會(huì)產(chǎn)生大量的體網(wǎng)格且網(wǎng)格質(zhì)量也較差，為了提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，盡量全部采用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。此時(shí)，幾何體的簡(jiǎn)化在理想化模型中就要頻繁地用到拆分體功能，若不選用裝配FEM文件(.afm)而是用常規(guī)的FEM文件(.fem)，在拆分幾何體劃分六面體網(wǎng)格過程中將會(huì)產(chǎn)生很多的多邊形幾何體，再對(duì)這些幾何體命名和管理時(shí)將會(huì)相當(dāng)繁瑣且容易出錯(cuò)；而采用裝配FEM文件(.afm)模式，可以對(duì)每一個(gè)零件生成一個(gè)FEM(.fem)文件，而且不同零件的網(wǎng)格劃分工作可以由不同的工程師來完成，可以充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)裝配體中的每一個(gè)零件完成有限元網(wǎng)格創(chuàng)建后，可以將每個(gè)零件對(duì)應(yīng)的FEM(.fem)文件映射到零件在CAD裝配體中對(duì)應(yīng)的位置。特別對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀完全相同的零件，可以對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)件只劃分一次高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，不同位置形狀相同的零件可以映射到裝配有限元模型中的相應(yīng)位置，創(chuàng)建裝配體有限元網(wǎng)格模型。最后，根據(jù)各零部件之間的連接關(guān)系建立相應(yīng)的有限元連接(如螺釘連接、MPC、面面接觸、面面粘接等)。圖2為生成的NX裝配有限元模型及裝配FEM模型樹。

采用裝配有限元技術(shù)使其有限元模型得以迅速地建立，但此時(shí)還不能用于有限元計(jì)算，需要將各零件的單元和節(jié)點(diǎn)序號(hào)重新排序，否則在模型檢查時(shí)會(huì)出現(xiàn)標(biāo)簽沖突的錯(cuò)誤。這時(shí)只需將裝配標(biāo)簽管理器中自動(dòng)解析功能點(diǎn)選一下，節(jié)點(diǎn)、單元、坐標(biāo)系將自動(dòng)重新排序，解除標(biāo)簽沖突，詳見圖3所示。注意：如果存在子裝配文件，必須在子裝配文件中通過裝配標(biāo)簽管理器解決該層的標(biāo)簽沖突問題，此時(shí)，裝配有限元網(wǎng)格模型才算創(chuàng)建完畢?？梢愿鶕?jù)具體的分析任務(wù)要求建立相應(yīng)類型的仿真文件(.sim)，施加邊界條件和載荷，同時(shí)也可以根據(jù)總體要求，生成適合Abaqus/MSC.Nastran/Ansys等求解器需要的相應(yīng)有限元模型輸入文件，提交相應(yīng)求解器計(jì)算，提取結(jié)果，進(jìn)行后處理編寫相應(yīng)分析報(bào)告，給出產(chǎn)品性能評(píng)估和改進(jìn)的建議。

圖3 裝配有限元標(biāo)簽管理器示意

3 結(jié)語(yǔ)

采用NXCAE裝配有限元技術(shù)完成了某星載功放裝配有限元建模及分析，可得出以下結(jié)論：

對(duì)于有限元軟件初學(xué)者，相比其它分析軟件NX高級(jí)仿真模塊更容易上手；

NXCAE平臺(tái)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，并支持其他CAD軟件的模型數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入且能夠運(yùn)用同步建模功能進(jìn)行隨機(jī)修改，為用戶提供了極大的便利；

對(duì)于大型復(fù)雜的裝配體模型，使用NXCAE裝配有限元技術(shù)可以快速完成有限元模型前處理，尤其是當(dāng)裝配模型中出現(xiàn)許多相同形狀相同位置不同的零件時(shí)，該零件的有限元網(wǎng)格模型只需創(chuàng)建一次，裝配模型中不同位置的該零件只需映射同一有限元模型即可；

隨著型號(hào)研制任務(wù)的繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的加大，仿真分析周期的縮短，NXCAE裝配有限元技術(shù)將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用。