NX响应仿真实例

NX Nastran动力学仿真在室外机配管优化设计中的应用 本文以某室外机配管为对象进行动力学仿真，该机器整改前在制热时有嗡嗡声，而且回气振动也接近测试标准的上限。采用B&K的pulse测试系统对室外机的噪音进行测试分析，发现嗡嗡声的主要频率为148HZ。对室外机制热运行时的噪音进行录音，然后对录音进行滤波，将148HZ的频率成份过滤掉，此时嗡嗡声基本消失。 　　采用加速度传感气对压缩机的储液罐和回气管进行振动测试，对其频谱进行分析，发现储液罐处也有148HZ的频率，并且在该频率处的振动峰值也大，回气上要小一点，用手握住回气管或者在回气管上加一块较的220×120厚度为8mm的防震胶，此时嗡嗡声会明显减小，此时低压阀安装板处的振动也明显减少。 　　因此我们初步判断室外机的嗡嗡声主要是通过压缩机储液罐经过回气管、低压阀连接管传递到阀安装板和钣金辐射出来的。整改决定通过增加回气管的柔性借助铜管的阻尼来衰减噪声，同时降低配管的振动。图1和图2分别为整改前和整改后的四通阀组件。试验测试表明，采用改进后的四通阀组件，室外机的嗡嗡声和等到明显改善，配管的振动也明显减小。下面详细描述整个配管仿真分析的过程。 　　1建立有限元模型 　　为了快速有效的分析配管的振动特性，在计算分析的过程中没有考虑压缩机的几何模型，由于压缩机是配管的振动激励源，所以在计算过程中必须考虑压缩机的影响，本文在计算过程中通过试验采用三向加速度传感器测试排气管和回气管处的振动加速度，然后将测试的振动数据进行8阶高通滤波，并通过积分将加速度数据转化为位移测试数据.通过加载压缩机的振动激励来考虑压缩机对配管的振动影响，整个配管的简化模型如图3. 　　1.1理想化几何模型 　　为了得到比较理想的网格质量，最好在建模里面先利用分割面工具( )将配管用基准面将配管进行剖分，剖分后的效果如图2：利用模型理想化命令( )，将模型进行理想化，去掉一些可以忽略小特征，或者采用同步建模命令( )来删除不需要的特征，这对于从其它软件导入NX的模型特别有效.由于配管的壁厚较薄，因此对整个四通阀组件在分析过程中可以考虑采用壳体单元.对四通阀组件中的配管采用偏置的方法抽中面( )，其结果如图4。 　　从理想化模型的状态回到有限元模型的状态，通常会发现中面没有显示，这时可以通过编辑有限元模型的几何体选项将中面加入进来。具体步骤如下： 　　在仿真航器的有限元文件名上点右键，选择编辑，在弹出的对话框中，选“选择体”，如图4，在图形窗口中框选中所有体并确定。然后在仿真导航器的Polygon Geometry 模型树上将实体特征隐藏，只显示中面特征。 　　1.2有限元网格划分 　　网格划分，分别对排气管、回气管低压阀连接管等进行网格划分，采用2D的映射网格对配管进行网格划分，这样可以得到高质量的网格。 　　对四通阀划分网格时，先采用2D的映射网格对其进行网格划分，对其个别面无法进行映射网格划分的，再采用自动网格进行划分。 1. 2.1 修复小面引起的网格不连续   　　在NX的机械布管里面进行配管设计时，在U形弯的地方，结构师在导圆角时通常会留下一个很小的直线段在那里，比如60的直线段，要导两个R30的圆角，在NX机械部管里导不出来，结构工程师通常会小于R30的值代替，比如R29.9，这样就留下了一个0.2mm的直线段，在生成配管后，就产生了一个0.2mm宽的圆环面。 　　在有限元建模画网格时如果没有选中那个小面，就会出现一个裂缝在那里，如果选中了这个小面，由于其尺寸很小，生成的网格质量也会很差，所以在有限元里面需要将这小面与其相邻的进行合并，使用合并面命令( )，将裂缝处的面合并更新网格后的效果如图6。 　　1.2.2网格控制点的设置 　　为了得到较好的单元质量，最好对配管进行沿着配管的中心线逐段进行剖分，同时在划分网格时，同时在划分网格时，对网格质量较差的局部设定网格种子，对其单元数或者单元的边长进行设定。其操作菜单如图7。 　　1.2.3单元形状检查 　　对单元的形状进行检查，可以检查出形状较差的网格，并以指定的颜色标示出失效的单元，同时也可以列表统计出形状较差单元的个数。如果单元形状较差的个数较多，会造成计算结果不收敛，无法得到计算结果。图8为单元形状检查的操作路径，图9为单元形状检查的结果。 　　1.2.4单元法向检查 　　对单元的法向进行检查，如图10。对四通阀组件，在进行有限元网格划分时，通常采用壳体单元，在使用壳体单元时，一定要使整个四通阀组件的单元的法向一致，单元的法向应都向外或者都向内，否则在进行动态响应分析计算时会造成计算不收敛。对法向不一致的单元，要利用法向反向使其一致。 　　1.2.5 检查重复节点 　　在划分有限元网格后，要对重复节点进行检查，如果存在重复节点，该节点附近的单元是裂开的，没有合并在一起，需要对该重复节点进行合并。在本文分析的的模型中没有重复节点存在，图11是另外一个模型中有重复节点的情形，在这里只是为了说明该问题而特意列举出来. 　　1.2.6 建立RBE2刚性单元 　　在排气口和回气管与压缩机的连接处创建RBE2刚性单元，以便在进行频率响应和瞬态响应分析时施加振动加速度或者位移等强迫振动激励。具体操作步骤如下：利用建立节点命令在( )先在配管的端部的圆心处建立一个节点，再点击图标( )，弹出如下的对话框，形心节点选择刚刚建立的节点，分支节点选择形心对应的边。如图12。 　　1.2.7实体属性查询 　　在进行仿真计算时，通常会对四通阀进行适当的简化，为了保证四通阀的有限元网格的质量属性与实际一致，以保证计算的四通阀组件模态和与实际情况更吻合，需要进行对其质量属性进行检查。 　　在NX5.0高级仿真里面，划分网格后在下拉菜单上点击：信息――高级仿真――实体属性检查可以查询网格的质量属性。 　　在NX 6.0高级仿真里面， 直接在仿真导航器的模型树上，在要查询网格的模型树上点鼠标右键 选择实体属性，就可以查询到网格的质量属性。操作菜单见图13，图14为四通阀组件划分有限元网格后的有限元模型。 　　本文在分析过程中，网格的材料属性为铜：弹性模量=1.23×E11Pa，泊松比=0.34，密度=8.94×E3Kg/m3。 2 配管的模态分析仿真 　　2.1新建一个仿真 　　首先新建一个仿真，在仿真导航器上有限元模型文件名上点鼠标右键，选择新建仿真，在弹出的创建解算方案中，求解器选择NX NASTRAN，解算方案类型选择SEMODES 103 –响应仿真。操作菜单如图15。 　 2.2定义配管的焊口连接处的接触   　　对整个四通阀组件，在配管的焊接处，需要定义定义粘合接触，具体操作菜单如图16   　　2.3 加载模态边界条件 　　在进行固有模态分析时，将排气管、回气管、低压管和冷凝器接管等端部施加固定约束。在排气管和回气管的端部圆心处(形心节点处)施加强迫运动约束，如图17。图18为整个四通阀组件加载的边界条件.在进行模态计算时，NX　NASTRAN会默认为在加载强迫约束的地方，排气管和回气管端面是固定的.通过计算得到的配管的模态振型结果可以看出. 　　2.4模态求解设置 　　在进行模态分析时，选中Subcase -Dynamics 点右键，激活，再选择编辑解算步骤，设置输出需求(位移、应力等)，操作菜单见如图20。 　　同时还要设定求解输出的模态阶数和求解参数，指定NXNASTRAN求解器的路径和求解时占用内存的大小。在NX 6.0中默认的内存大小为400MB，最好把它调到1000MB或者以上，如果不修改内存值，NASTRAN会无法启动。操作菜单见图21。   　　计算结束后，双击Results进入后处理界面，即可以读取各阶模态的振动频率和振型结果。为了不显示配管的网格，只显示配管的变形后的特征，可以点击命令( )。在弹出的对话框中，选择边和面，在边的选项里面，选择特征。图22和23为第1阶模态回气振型和第4阶模态排气的振型.其振动的形式与实际测试样机的结果也一致. 　　2.5 预应力模态 　　如果要考虑冷媒压力(不考率压力脉动)对配管模态的影响，需要计算预应力模态，这时应先激活Subcase -Dynamic 设定好输出需求和输出的模态阶数后，再激活Subcase -Stress Stiffening，再右键点loads 在配管壁面上施加压力载荷，施加载荷时要主要压力的方向，应是向外的。操作菜单见图24。 　　通过计算发现冷媒压力对配管的模态的影响不大，在0.5HZ左右，因为压力是沿着配管内表面的法线方向，而配管本身的刚度在这个方向是比较大的，所以静压力对配管的模态影响不大。   3 瞬态应分析 　　在模态分析的基础上进行瞬态响应或者频率响应分析，在仿真导航器的模型数上用鼠标右键点sim文件，在弹出的菜单中选择新建结算方案过程，然后选择响应仿真。操作菜单界面如图25。 　　3.1设置阻尼参数 　　在新建的Response Simulation 里面双击Normal Modes，然后将展开响应仿真局部放大图窗口。操作菜单如图26。 　　有阻尼情况下，振幅随时间以指数规律衰减，阻尼越大，振幅衰减的越快，振动耗散得也越快。粘性阻尼与速度成正比，结构阻尼与位移成正比。在瞬态响应分析中，结构阻尼(Hysteretic)必须转化为等效的粘性阻尼(Viscous)。在响应仿真局部放大图中，点鼠标右键选择一阶模态，可以对其模态的阻尼因子进行编辑。操作菜单如图27。 　　对阻尼因子编辑后，Damped Frequency 会自动进行修改，如图28。有阻尼固有频率与固有频率的关系： ，其中 为有阻尼频率， 为固有频率。 　　在仿真导航器中右键点击Response Simulation ，选择新建事件，在弹出的菜单中选择瞬态或者频率，如图29。如果选择瞬态，在加载振动的激励函数时，激励函数是随时间变化的加速度、速度或者位移函数。 3.2 AFU函数属性设置   　　在施加强迫激励前，要先在XY函数导航器里面把振动的激励测试数据导入进来，振动激励测试数据在导入之前，必须先将其转化为NX NASTRAN所支持的数据文件，其支持的数据文件格式有：csv、mat、rsp、dac和unv。 　　在XY函数导航器中，在Associated AFU上点右键新建一个文件如huiqi_x，然后在文件名上点鼠标右键，选择导入，在弹出的对话框中设置要导入的数据的格式和数据属性。 　　在导入数据时，点击选项，弹出如下的对话框：函数类型为时间，间距为等间距，横坐标为时间，纵坐标为加速度或者位移，如图31。如果没有正确的设置，在加载激励时，将无法把数据加载到激励位置的节点上。同时也无法对该数据进行FFT变换，将时域的测试数据转换到频域。 　　3.3 激励测试数据的处理 　　测试数据的处理非常重要.在导入测试数据前，需要对测试的加速激励数据进行滤波处理，如果没有经过滤波，加速度数据经过积分后会一直往上漂。图32是没有经过滤波的加速度数据经过积分后得到的时间速-度曲线。 　　图33为加速数据经过8阶高通滤波和积分后得到回气x方向的时间――位移曲线，由于刚开始的测试数据没完全稳定，所以取了5～10s比较稳定的测试数据。为了与有限元计算模型中的单位一致，将位移的单位为转化为mm， 　　3.4施加振动位移激励 　　在仿真导航器的Excitation 上点右键新建激励，选择平移节点的，操作路径如图34，然后在弹出的图35所示的窗口中指定激励的节点，并通过函数管理器来指定X、Y和Z方向的位移激励。图36为XY函数管理器，窗口里面显示的时间――位移函数是前面事先定义好的。所有函数的数据的时间间隔和时间长度必须是一样的，否则加载激励时，会提示数据不一致，不能加载激励。 3.5求解评估响应结果   　　3.5.1评估云图结果 　　在完成前面所有的准备工作后，就可以对四通阀组件进行响应评估求解了。如图37和38，选择评估云图结果――响应，可以输出位移、速度、加速度和应力的结果，在图38中，可以选择从激励函数曲线上选择求解振动激励峰值时刻点，也可以指定求解一段时间内来对响应结果进行求解，如果是指定一段时间，通常指定的时间长度为10～20个周期，如果设定的求解时周期较大，计算结果文件会较大，求解时间也会较长。在图38中，选择的是指定激励的时刻点，图39为从激励函数中指定求解的时刻点。 　　在后处理中分别读取各个峰值点时刻的位移和应力云图，读取应力结果时通常是选择读取 Von Mises应力的值，在大致了解哪个地方应力比较大后，可以通过评估节点的函数响应来查看在整个激励时间内的所关心的应力较大处的应力随时间变化的情况。从图40～47可以看出，在配管拐弯的地方应力都会比直线段的配管处的应力要大，而且内侧的应力要比外侧的应力要大.从图中可以看出配管的应力随时间不断变化，配管的应力最大在6MPa左右，配管的应力值比较小，说明该方案设计的配管是比较安全的.     　　图48和49为配管在两时刻点的振动幅值云图，从图中可以看出，在回气管的U形弯处，配管的振动较大，为250μm左右，这与实际也测试样机的结果也较为一致，因为压缩机储液管的本身的振动较大，反应在振动激励上，就是压缩机回气口处的振动激励本身较大，所以在改处的振动也要大一些. 3.5.2评估函数响应 　　评估节点函数响应，其操作路径如图50。可以输出的结果为位移、速度和加速度，可以在图51的菜单中的结果栏进行选择，同时定要指定响应的节点，节点的位移和加速度通常是计算所关心的内容。 　　为了得到节点应力随时间变化的结果，在评估函数响应分析时，选择基本的，如图52所示，参照前面评估云图结果分析的应力场分布的结果，选择应力较大的位置进行求解，得到该节点处在整个振动激励时间段范围内的结果。图53～63为配管各弯位处内外侧节点Von mise应力随时间变化的曲线，从应力曲线可以看出， 在5～10秒内整个四通阀组件的应力在8MPa以内，应力较小远低于铜管的屈服强度65MPa。说明该设计的应力设计案是可靠的。   4. 频率响应分析   　　为了分析配管在给的振动激励频率的响应情况，需要进行频率响应分析，其操作菜单如图64，在新建事件的类型中选择频率。 　　进行频率响应分析时，加载的振动激励函数为位移随频率变化的函数，因此需要将振动激励的时域函数转化为频域，通过点击工具栏的图标( )，在弹出的菜单中选择time->Spectrum(FFT),在弹出的Date Conversion中选择要转化的数据，并设置要输出的频域数据的文件名，如图65所示。图66为时域数据转化到频域后的得到的结果。 　　加载激励的位置为排气管和回气管端部，在定义X、Y和Z方向的振动激励时，从弹出的XY函数管理器中选择对应的激励函数，图67为从振动的位移数据(时域)转换得到频域数据。 　　对四通阀组件进行求解，评估云图结果，选择响应，然后选择整个四通阀组件的有限元网格，然后选择要求解的频率点，可以指定一个频率区间，也可以指定几个特定的频率点进行求解，得出配管在各个频率的下的响应情况。图68和69为操作菜单路径。 　　从图可以看出在48HZ和96HZ处，配管的振动在回气管的U型弯处振动最大与前面瞬态响应的结果是一致的，但是数值很小，这是因为压缩机对配管的振动激励数据是一个频率区间，配管的振动是整个频率下的振动激励综合作用的结果。 　　5 总结 　　上面详细的描述了整个配管模态、瞬态和频率响应分析的流程和过程，并总结了在配管仿真过程中应注意的一些细节问题，同时也重点描述了配管振动激励数据处理的方法。整个内容操作过程比较详细，可以供相关配管结构设计仿真的同事参考。 　　在本文中由于篇幅的原因，没有对改进前的配管仿真结果进行描述和对比，改进前的配管的振动比改进后的要大，振动测试的结果也是如此。改进前的配管必须在回气管上包防震胶或者配重块，改进后不用包防震胶。振动效果很好，并且室外机在制热时的嗡嗡声明显改善，基本消除，嗡嗡声经过回气管得到了有效的衰减。