发布时间 : 星期六 文章基于UG的“凤舞”汽车轮毂 三维建模及有限元应力分析 - 图文更新完毕开始阅读bf6306123968011ca3009177
华侨大学本科毕业设计论文 理论基础与软件介绍
?u???x??x?????vy??y?????wz? (2.2) ?z????xy??v??u?x?y????yz??w??v??y?z???zx??u??w??z?x?其中 u、v、w分别是x、y、z方向的位移函数。
（3）、物理方程：
1?????x?E??x????y??z??????1??????????xz??yE?y???z?1??z????x??y?? (2.3)
??E??1??xy??xy?G?1??yz??yzG??1?zx??zx?G?（4）、力边界条件即给定物体表面上的面力，其方程式为：
?X??xl??xym??xzn???Y??yxl??ym??yzn (2.4) ???Z??zxl??zym??zn（5）、位移边界条件即给定物体表面上的位移，其方程式为：
?u?u???v?v (2.5) ???w?w结构体中任何一个离散单元的应力和应变状态均可以用上式(2.1)、(2.2)、 (2.3)三组方程来进行表示。通过以上三个方程组并根据两个边界条件(2.4)、(2.5)，可以用解析方法或者数值方法求出整个结构的应力、应变以及位移。 2.2.3结构有限元分析过程
结构有限元分析的过程大概可分为以下6个步骤【30】~【32】： （1）、结构的离散化
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结构离散化是将结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置结点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成—个单元的集合体，以它来代替原来的结构，使力学模型变成离散模型。结构离散化是有限元分析中重要的一步，关系到有限元分析的计算精度及效率。
（2）、选择位移模式
位移函数是指描述单元中各点位移变化规律的函数。一般弹性体受力变形后内部各点位移变化情况是很复杂的，但是，在小单元的区域面，可以假定位移是坐标的某种简单的函数(位移模式或插值函数)来近似，通常采用多项式作为位移模式。位移矩阵为：
{f}?[N]{?}e （2.6） 式中，{f}为单元内任一点位移； {?}e为单元结点位移； [N]为形函数。 （3）、分析单元的力学性能
① 由几何方程，从（2.6）式导出用结点位移表示的单元应变为
{?}?[B]{?}e （2.7） 式中，[B]为单元应变矩阵。
② 由本构方程，导出用结点位移表示的单元应力为
{?}?[D][B]{?}e （2.8） 式中，[D]为与单元材料有关的弹性矩阵
③ 由变分原理，建立单元上结点力与结点位移间的关系式——平衡方程为：
{F}e?[k]e{?}e （2.9） 式中，[k]e为单元刚度矩阵，其形式为[k]e????[B]T[D][B]dxdydz （4）、集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程组集总体刚度矩阵[K]，由总体刚度矩阵形成的整个结构的平衡方程为
[K]{?}?{F} （2.10） （5）、求解未知结点位移和计算单元应力
对平衡方程进行求解，解出未知的节点位移，然后根据前面给出的关系式计算出节点的应变和应力以及单元的应力和应变。
（6）、整理并输出结果
通过该步骤可以输出应力、应变以及位移等值。
（7）、结合计算结果进行一系列后续分析，得到问题的最终分析结果。 求出结构全部结点位移后，利用分析过程中已建立的一些关系，即可以进
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一步计算单元中的应力或内力 ，并以数表或图形的方式输出计算结果。依据这些结果，就可以进行具体结构的进一步设计，并达到输出最终零件工程图纸的结果。
2.2 UG NX软件简介
UG NX（原名：Unigraphics）是一个由西门子UGS PLM软件开发，集CAD/CAE/CAM于一体的产品生命周期管理软件。UGS NX支持产品开发的整个过程，从概念（CAID），到设计（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。
UG从CAM发展而来。20世纪70年代，美国麦道飞机公司成立了解决自动编程系统的数控小组，后来发展成为CAD/CAM一体化的UG1软件。90年代被EDS公司收并，为通用汽车公司服务。2007年5月正式被西门子收购；因此，UG有着美国航空和汽车两大产业的背景。
自UG 19版以后，此产品更名为NX。NX 是 UGS 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。 NX 可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。NX 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。
UG NX是一种交互式的设计、分析和制造系统，是知识驱动自动化技术领域的领先者。它提供了产品从模型的设计装配，运动仿真，有限元分析到加工制造的整个生命周期，能极大地提高产品的开发设计效率。UG NX的一大优势在于将设计、分析和制造无缝集成，避免了因数据转化带来的种种问题。 UGNX在产品开发设计时首先利用草绘、特征、实体、曲线曲面等功能创建三维模型，然后进行部件装配，经过高级仿真模块进行运动仿真和结构分析，确定产品的最终结构，最后生成标准图纸和数控代码，进行产品的生产加工。利用 UG NX的设汁流程如图2.1所示【33】。
使用 UGNX进行模型设计有以下优点:
(l)操作界面人性化智能化，在进行操作时，具有自动推理功能，能显著提高设计效率。
(2)建模方式灵活。有实体、曲面曲线，特征等多样化的参数化建模方式，可以通过添加孔，凸台，键槽等常用特征的方式快速创建模型。此外， UGNX还具有创新型的同步建模方式，可以有效地利用尺寸驱动直接进行建模，不需要考虑相关性和约束，能够快速捕捉设计意图，极大提高设计者的创作空间。同时，
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图2.1 UG NX的设计分析流程图
将模型的修改时间大为缩减，显著提高设计效率。
(3)装配设计拥有自上而下和自底而上的定义方式，能够快速定位部件，可以通过改变部件间的关联性来改变部件的装配关系。
(4)将设计、仿真分析和制造进行了无缝集成，使得产品的开发设计变得准确快速。
2.3本章小结
本章主要介绍了本论文中用到的主要的理论知识：介绍有限元法的原理以及
结构有限元分析的基本过程，并对通用建模分析软件UG NX进行简单的介绍；
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