叉架零件承受载荷后的变形和应力分布情况解析

实例概述

本实例主要介绍机械设备中一种常见叉架零件（图12.1.1）的结构分析过程，在该零件的结构分析过程中，主要介绍了用户自定义约束的添加方法和轴承载荷的添加方法。

零件材料为Iron_Cast_G25。该叉架零件实际工况介绍如下：左侧的两个内孔绕固定轴旋转，两孔的端面受轴向定位的限制，右侧上部的内孔中装有轴承，实际工作中承受向外的径向载荷，载荷类型为轴承载荷，载荷大小为1500N。求解叉架零件承受该载荷后整体结构的变形和应力分布情况。

图12.1.1 叉架零件模型

Task1.进入高级仿真模块

打开文件D：\ugal10\work\ch12.01\crotch.prt，在功能选项卡的区域单击按钮，进入高级仿真环境。

Task2.创建有限元模型

Step1.在仿真导航器中右击，在弹出的快捷菜单中选择命令，系统弹出图12.1.2所示的“新建FEM和仿真”对话框。

说明：创建有限元模型一共有三种类型。

●：在主模型或者优化模型的基础上创建一个有限元模型节点，需要设置模型材料属性、单元网格属性和网格类型。

●：同时创建有限元模型节点和仿真模型节点，其中仿真模型需要定义边界约束条件（包括模型与模型之间的网格连接方式）、载荷类型。

●：像装配Part模型一样对FEM模型进行装配，比较适合对大装配部件进行高级仿真之前的前处理。

Step2.定义求解器环境。在图12.1.2所示的“新建FEM和仿真”对话框的下拉列表中选择选项，在下拉列表中选择选项。单击“新建FEM和仿真”对话框中的按钮。

图12.1.2 “新建FEM和仿真”对话框

图12.1.2所示“新建FEM和仿真”对话框中部分选项的说明如下。

●下拉列表：用于设置解算的求解器类型，选择不同的求解器可以完成不同情况下对有限元模型的求解任务，还可以借助其他有限元分析软件的求解器完成求解，以提高求解的精确程度。主要包括以下几种求解器可供选择。

☑：NX Nastran解算器，也是UG NX进行有限元分析的常规解算器。

☑：NX热/流体解算器。

☑：NX空间系统热解算器。

☑：电子系统冷却解算器。

☑：NX Nastran设计解算器。

☑：MSC Nastran解算器。

☑：使用ANSYS解算器（确认计算机安装有ANSYS分析软件）。

☑：使用ABAQUS解算器（确认计算机安装有ABAQUS分析软件）。

●下拉列表：用于设置分析类型，包括以下四种分析类型。

☑：主要应用于结构分析。

☑：主要应用于热分析。

☑：主要应用于轴对称的结构分析。

☑：主要应用于轴对称的热分析。

Step3.定义解算方案。在系统弹出的图12.1.3所示的“解算方案”对话框的下拉列表中选择选项，其他采用系统默认设置，单击对话框中的按钮。

图12.1.3 “解算方案”对话框

图12.1.3所示“解算方案”对话框中部分选项的说明如下。

●下拉列表：用于设置解算方案类型，包括以下22种类型。

☑：全约束的线性静态分析。

☑：局部约束的线性静态分析。

☑：超单元问题分析。

☑：特征值问题分析。

☑：柔性体问题分析。

☑：响应仿真。

☑：超单元问题分析。

☑：线性屈曲分析。

☑：全约束的非线性静态分析。

☑：局部约束的非线性静态分析。

☑：直接复合特征值问题分析。

☑：频域响应分析。

☑：瞬态响应分析。

☑：模态复合特征值问题分析。

☑：模态频域响应分析。

☑：模态瞬态响应分析。

☑：非线性瞬态响应分析。

☑：优化设计分析。

☑：模型更新。

☑：高级非线性静态分析。

☑：高级非线性瞬态分析。

☑：高级非线性分析。

Step4.定义材料属性。选择下拉菜单命令，系统弹出图12.1.4所示的“指派材料”对话框，选择零件模型为指派材料对象，在对话框的列表区域中选择材料，单击按钮。

图12.1.4 “指派材料”对话框

说明：材料库中的材料是非常有限的，如果材料库中的材料不能满足设计要求，就需要创建新材料；单击“指派材料”对话框中区域的“创建材料”按钮，系统弹出“各向同性材料”对话框，在该对话框中输入新材料各项参数，即可创建一种各向同性材料（创建其他类型的材料，需要在区域的下拉列表中选择合适的类型，此处不再赘述）。

Step5.定义物理属性。选择下拉菜单命令，系统弹出图12.1.5所示的“物理属性表管理器”对话框。单击对话框中的按钮，系统弹出图12.1.6所示的“PSOLID”对话框，在下拉列表中选择选项，其他采用系统默认设置。单击按钮，然后单击按钮，关闭“物理属性表管理器”对话框。

Step6.定义网格单元属性。选择下拉菜单命令，系统弹出图12.1.7所示的“网格收集器”对话框。在对话框的下拉列表中选择选项，在下拉列表中选择选项，其他采用系统默认设置，单击按钮。

(www.xing528.com)

图12.1.5 “物理属性表管理器”对话框

图12.1.6 “PSOLID”对话框

图12.1.7 “网格收集器”对话框

图12.1.7所示“网格收集器”对话框中部分选项的说明如下。

●下拉列表：用于设置网格单元类型，包括以下六种类型。

☑：选中该选项，创建零维网格，主要用于刚性形式的集中质量单元连接。

☑：选中该选项，创建一维线性网格，主要用于梁结构的网格划分。

☑：选中该选项，创建二维面网格，主要用于壳结构的网格划分。

☑：选中该选项，创建三维实体网格，主要用于三维实体结构的网格划分。

☑：用于一维带接触情况下的网格划分。

☑：用于二维带接触情况下的网格划分。

●下拉列表：用于设置网格单元收集器类型，选择不同的网格单元类型，此项的下拉列表也不一样。

Step7.划分网格。选择下拉菜单命令，系统弹出图12.1.8所示的“3D四面体网格”对话框。选择零件模型为网格划分对象，在下拉列表中选择选项，在文本框中输入值4，取消选中区域中的选项，其他参数采用系统默认设置。单击按钮，网格划分结果如图12.1.9所示。

图12.1.8 “3D四面体网格”对话框

图12.1.9 划分网格

图12.1.8所示“3D四面体网格”对话框中部分选项的说明如下。

●下拉列表：用于设置网格单元属性，对于3D四面体网格，包括以下两种属性。

☑：包含四个节点的四面体。

☑：包含十个节点的四面体，即在四节点四面体的基础上增加了中间节点，使网格更好地与实体外形进行拟合。

●文本框：用于设置网格单元大小，文本框中输入的尺寸为网格单元最大边长尺寸；单击该文本框后的按钮，系统根据模型尺寸自动计算单元大小进行网格划分。

●下拉列表：用于设置中间节点方法，包括以下三种类型。

☑：使用混合方式增加中间节点，也是最常用的方法。

☑：使用非线性的方式增加中间节点。

☑：使用线性方式增加中间节点。

●文本框：用于设置中间节点偏离线性位置的最大距离值。

Task3.创建仿真

Step1.在仿真导航器中右击，在弹出的快捷菜单中选择命令，将模型文件激活。

Step2.定义约束条件。在功能选项卡区域的下拉选项中选择命令，系统弹出图12.1.10所示的“销钉约束”对话框，选择图12.1.11所示的模型圆柱面为约束对象，单击对话框中的按钮。

图12.1.10 “销钉约束”对话框

图12.1.11 选择约束对象（一）

Step3.设置用户定义约束条件。在功能选项卡区域的下拉选项中选择命令，选择图12.1.12所示的模型表面为约束对象，然后在区域的下拉列表中选择选项，单击对话框中的按钮。

图12.1.12 选择约束对象（二）

Step4.定义载荷条件。在功能选项卡区域的下拉选项中选择命令，系统弹出图12.1.13所示的“轴承”对话框。选择图12.1.14所示的模型圆柱面为约束对象，在后的下拉列表中单击按钮，然后在文本框中输入力的大小1500N，单击对话框中的按钮。

Task4.求解（注：本步骤的详细操作过程请参见学习资源中video\ch12.01\reference\文件下的语音视频讲解文件crotch-r01.exe）

图12.1.13 “轴承”对话框

图12.1.14 选择约束对象（三）

说明：在求解过程中，系统会弹出图12.1.15～图12.1.17所示的“解算监视器”对话框、“分析作业监视器”对话框和“信息”对话框，方便设计人员查看解算过程中的各项信息。

图12.1.15 “解算监视器”对话框

图12.1.16 “分析作业监视器”对话框

图12.1.17 “信息”对话框

Task5.后处理

Step1.在仿真导航器中右击，在弹出的快捷菜单中选择命令，系统切换至“后处理导航器”界面，如图12.1.18所示。

图12.1.18 “后处理导航器”界面

Step2.查看位移结果图解。在后处理导航器中右击，在弹出的快捷菜单中选择命令，系统绘制出图12.1.19所示的位移结果图解。

图12.1.19 位移结果图解

Step3.查看应力结果图解。在后处理导航器中右击，在弹出的快捷菜单中选择命令，系统绘制出图12.1.20所示的应力结果图解。

Step4.保存零件模型。选择下拉菜单命令，即可保存零件模型。

图12.1.20 应力结果图解