UG NX 高级仿真在压力容器中的应用

沧州市设备安装有限公司 1111 / 6666 UG NX 高级仿真 在压力容器应力分析中的应用 闫 硕 （沧州市设备安装工程有限公司 工程科） 摘要：UG NX高级仿真模块具有很强的线性分析功能和非线性分析功能，能够满足压力容器应力分析的需求。以压 力容器典型的受内压圆筒径向接管结构为例，利用 NX CAD 的强大建模功能以及 CAD&CAE 的无缝集成，进行了应 力分析以及线性化处理，成功证明了 UG NX 高级仿真在压力容器分析设计中应用的可行性、方便性。 关键词：UG NX 高级仿真；压力容器;CAD&CAE 技术；nx nastran ；线性化处理；应力分析 UG NX高级仿真 — 基本模块是 UG NX 的核心子集，包括了一系列分析功能例如 线性静态分析，正则模态分析，线性屈曲分析以及流体、热传递分析 。UG NX高级仿 真 — 基本模块提供了有限元分析所需的单元类型库，模型材料库 。支持强有力的边 界条件管理能力。提供系列的包括屈曲分析的线性算法控制能力以及无限规模的正则 模态分析能力。支持稳态和瞬态热传递分析的解算能力。NX- 基本分析模块在虚拟产 品开发流程中拥有很关键的地位，为产品性能开发的数字化原型和仿真模拟提供了广 泛应用的 CAE 解决。 特征 � 强有力的分析能力 � 功能完善的单元库包括点焊单元在内 � 各种类型的模型材料库 � 边界条件易操作性如工况的合并，添加，删除 � 各种特征值求解正则模态及复特征值分析 � 设计优化和敏度分析评估设计变动的效果 � 高效的解算器 � 热传导 � 自然对流 � 强迫对流 � 热载荷定义 � 温度边界条件 � 初始边界条件 � 热控制系统 � 图形化显示结果 收益 � 与物理原型试验相比，仿真分析降低了设计周期长和成本高的风险 � 通过相对快捷的仿真过程和反复的验证研究大大提高了产品革新的进程 � 在各种工况下都能进行产品功能仿真模拟，包括热场分析 一、UGUGUGUG NXNXNXNX高级仿真功能简介 UG NX 高级仿真技术功能可以实现： 1）静力分析：除一般分析功能之外还提供结构的重量和重心数据，支持全范围的 材料模式。同时支持具有惯性释放的静力分析（无约束状态下的准静态响应）、非线性 静力分析（包括几何非线性、材料非线性和接触非线性等）。 2）屈曲分析：主要用于结构特定载荷下稳定性以及失稳的临界载荷。包括线性屈 曲分析（特征值屈曲分析）和非线性屈曲分析（几何非线性屈曲分析、弹塑性屈曲分 沧州市设备安装工程有限公司 2222 / 6666 析以及非线性后屈曲分析）。算法上，UG NX高级仿真采用先进的微分刚度概念，考虑 高阶应变 -位移关系，结合 UG NX 高级仿真特征值提取算法可精确判别出相应的失稳 临界点。该方法较其他有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可 靠性。 3）动力学分析：具有其他有限元软件所无法比拟的强大的动力学分析功能，包括 正则模态及复特征值分析、（直接、模态）频率和（直接、模态、非线性）瞬态响应分 析、（噪）声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。UG NX 高级仿真提供求解所需的动力和阻尼单元。 4）非线性分析：UG NX 高级仿真强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产 品，减少额外成本提供了一个十分实用可靠的工具。包括几何非线性分析、材料非线 性（支持 Von Mises、Tresca、Mohr Coulomb、Drucker-Prager 屈服准则，蠕变分析可利 用 ORNL 定律或 Rheological模拟）、非线性边界（接触问）、非线性瞬态分析、非线 性单元（非线性阻尼、弹簧、接触单元等）。UG NX高级仿真非线性分析提供 N-R法、 改进 Newton 法、弧长法、 Newton与弧长混合法、两点积分法、Newmark β法及非 线性瞬态分析过程中的自动时间步调整功能等丰富的迭代和运算控制算法。 5）热传导分析：可以计算热分布状况，直观地看到结构内潜热、热点位置及分布， 提供广泛的温度相关的热传导分析（线性 /非线性稳态热传导、线性 /非线性瞬态热传 导、对流、相变、热腔分析）。UG NX高级仿真支持稳态或瞬态热传导分析的线性、非 线性两种算法。此外，UG NX 高级仿真还应用于流固耦合分析、空气动力弹性及颤振 分析、多级超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析、复合材料分析等。 可见，UG NX 高级仿真的分析功能已经完全囊括了压力容器应力分析涉及的内容，能 够满足这一特定领域的需求。 二、 NXNXNXNX CADCADCADCAD建模功能 众所周知，UG NX 的 CAD 模块为高端技术产品，具有强大的 CAD 参数化建模功 能。依托于 CAD 强大建模功能，可以方便、快捷的完成模型的构建，相对于以往 ANSYS 建模，大大提高了模型处理效率。同时 UG NX 还提供了宏文件录制功能以及基于知识 建模的知识熔接（ Knowledge Fusion）等自动建模技术工具，可以实现结构的自动创 建与分析。宏文件以及 KF 语言都可以用普通的文本文件进行编辑与修改，方便，易学， 易懂。 譬如压力容器典型支管结构的倒角造型，在 NX CAD中建好基本模型之后，不同于 ANSYS 中先生成圆角再生成蒙皮的方法，直接运用一个边倒角命令便可迅速生成所要 倒角相冠线，如图 1所示 以往分析中，经常采用 CAD 建模功能较方便的系统构建模型，然后再通过中间标 准（譬如 IGES、Pasolid、STEP 等）导入 CAE 分析工具进行模型的有限元分析， 但是这种方法，中间格式的传递常常因为不兼容性而导致部分模型参数的丢失，而给 沧州市设备安装工程有限公司 3333 / 6666 模型的修补带来很大的工作量，减缓了工作效率。并且这种方法是单向的，当分析模 型改变时，还要重复同样的工作，浪费大量的时间。而 NX 实现了 CAD&CAE 一体化集 成方案，实现了 CAD 参数化建模、网格划分等功能的无缝集成，并支持其他 CAD 软件 的模型数据文件的导入，为用户提供了很大的方便。 三、 应力线性化功能 NX 的应力线性化程序在美国已经得到普遍的认可，根据 CODAP95(E) -C10/351， 薄膜应力张量采用计算公式： 弯曲应力张量采用计算公式： 计算步骤为： 1）确定关心的区域 2）在锁定区域绘制显示 Sxx 应力云图 3）围绕厚度突变区域沿壁厚方向在不同点（点越多越好）找到应力 4）计算积分找出弯曲应力和薄膜应力值 5）重复以上步骤寻找 Sxx ， Syy ， Szz ，Txy，Tyz，Txz 6）计算弯曲主应力和薄膜主应力 7）按照下式对弯曲应力和薄膜应力进行积分获得应力值 如图 2所示，一般在 NX 中一个评定路径要求最少分为 20段。 沧州市设备安装工程有限公司 4444 / 6666 四、应用实例 以压力容器中最为常见典型的受内压圆筒径向接管结构为例（图 3）介绍 UG NX 高级仿真在压力容器中的应用。结构示意如图所示： 力学模型与有限元模型。 1、 力学模型：取 1/2 模型 2、材料：steel---------E=2.07E+8 δ=0.29(温度 20℃) 3、 单元类型：选取 3D四面体单元(大小为 10mm) 4、 边界条件：施加边界条件如图所示，施加均布压力 P=50MPa 图 6666 应力图像 采用 UG NX高级仿真 7.0 为解算器。应力分布如图 6 所示，可见最大应力点在内 壁与套筒连接不远处(深红色位置)，轴向应力大小为 2.084e+3 MPa。 在最大应力节点处设置路径 A在位移图像中的图像，如图 7 所示。 沧州市设备安装工程有限公司 5555 / 6666 图 7 7 7 7 位 移 图 像 图 8 8 8 8 节 点 位 移 图 图 9 9 9 9 节 点 应 力 图 路径A 沧州市设备安装工程有限公司 6666 / 6666 五、总结 1．NX系统的前处理模块将 CAD 建模、网格划分、参数化等功能无缝整合，并支 持其他 CAD软件的模型数据文件的导入，为用户提供了很大的方便。 2．UG NX高级仿真除了很强的线性分析功能外 ，还具有较强的非线性分析功能， 能解决工程上的几何非线性、材料非线性和接触分析等问题。 3．NX 系统具有记录操作过程而形成宏文件的功能，使得设计人员能方便地进行 压力容器的结构分析。其后处理功能满足了压力容器分析设计的要求。 强有力的分析能力 功能完善的单元库包括点焊单元在内 各种类型的模型材料库 边界条件易操作性如工况的合并，添加，删除 各种特征值求解正则模态及复特征值分析 设计优化和敏度分析评估设计变动的效果 高效的解算器 热传导 自然对流 强迫对流 热载荷定义 温度边界条件 初始边界条件 热控制系统 图形化显示结果 与物理原型试验相比，仿真分析降低了设计周期长和成本高的风险 通过相对快捷的仿真过程和反复的验证研究大大提高了产品革新的进程 在各种工况下都能进行产品功能仿真模拟，包括热场分析