基于UG Nastran的三角支架工程分析與優化

郭揚

（貴州工業職業技術學院，貴陽 550008）

0 引言

UG（Unigraphics NX）是 Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，它為技術革新的工業設計和創新性的產品風格提供強有力的解決方案［1］，是高度集成CAD/CAE/CAM的軟件系統，并且CAD/CAE/CAM各部分模塊之間的數據能自由轉換［2］。主要功能包括產品設計、產品仿真、NC加工［3］和開發解決方案，獲得了廣泛的應用［4］。廣泛應用于汽車、航空航天、機械和醫療儀器等領域。

本文對圖1所示的典型三角支架進行有限元分析與結構優化，約束條件為：材料為45鋼，垂直側面為固定面，頂面受到160 MPa均勻分布的壓力，試求該構件的最大應變與最大應力，應用優化方法，分析構件在允許最大應變為0.03 mm情況下，各關鍵結構尺寸的優化組合。

圖1 典型三角支架三維圖

1 基于UG Nastran的三角支架工程分析

1）打開部件，啟動高級仿真。

在NX中，打開bracket.prt部件，在仿真導航器中，右擊bracket.prt并選擇新建FEM和仿真，NX Nastran為求解器，Analysis Type選擇 Structural。

2）理想化幾何體。

幾何體理想化是在定義網格前，從模型上移出或抑制特征的過程。也可以使用幾何體理想化來創建其它特征（如分割）來支持有限元建模目標。一般可以用幾何體理想化命令來移除分析中不重要的特征，如孔或者圓角、凸臺。將較大的體積分割成多個較小的體積，簡化映射的網格等等。三角支架中可以移除不重要的圓角。

在仿真導航器中雙擊bracket_feml_.pat文件，然后點擊理想化幾何體命令，理想化模型對話框打開，選擇部件，并選上圓角復選框，半徑小于5 mm的圓角被選擇，三角支架內部三角形3個尖角處圓角將理想化為直角。

3）定義物理屬性與指派材料。

首先激活FEM文件，工具欄上，單擊物理屬性圖標，選擇金屬，名為Steel的材料，單擊確定按鈕，完成材料特性的加載。

4）劃分網格。

先創建一個名稱為steel的網格收集器，為該部件劃分3D四面體網格，3D Mesh對話框打開，選擇實體，從Type列表中選擇 CTETRA（10）單元類型，網格單元大小設定為3 mm，單擊確定按鈕，建立網格，如圖2所示。

圖2 三角支架網格圖

圖3 三角支架約束與載荷圖

5）指定約束和載荷。

在仿真文件視圖窗口中，雙擊bracket_fem1。在仿真導航器中將Simulation文件激活，取消網格顯示，以方便曲面的選擇。

在工具欄上點擊約束類型命令，部件垂直側面設為固定約束；載荷類型命令下選擇壓力，為支架上表面指定160 MPa壓力，如圖3所示。

6）模型求解。

模型設置檢查無誤后就對該支架進行結構分析，點擊工具欄上的解算圖標，開始解算。

7）分析結果。

在仿真導航器中，雙擊Results，出現展開列表。觀察結果可知：

a.X方向的最大變形為0.063 mm，Y方向的最大變形為0.79 mm，如圖4所示，Z方向的最大變形為0.0158 mm。該支架在Y方向上受到160 MPa的壓力，故Y方向變形最大。

圖4 三角支架仿真變形情況

b.觀察該支架在160 MPa壓力下所受到的應力，比較X方向、Y方向、Z方向、XY平面、YZ平面、ZX平面所受到的最大應力得知，Y方向受到的應力最大，為952.18 MPa。受力情況如圖5所示。

2 基于UG Nastran的三角支架結構優化

1）建立優化。

對bracket_siml.sim建立新的解算方案，即優化。默認的優化類型是Altari HyperOpt，是一種常見的優化分析工具，它完全支持形狀優化，包括使用特征參數和表達式作為設計變量。

2）定義目標。

要求重量最小，所以選擇重量為優化目標，選中最小化復選框。

3）定義約束。

點擊確定后，回到了優化設置對話框，再點擊定義約束按鈕，進入約束設置對話框，定義約束為-Y方向的位移，最大允許應變值為0.03 mm。

4）定義設計變量。

回到優化設置對話框，點擊設計變量，選擇草圖約束。再從草圖約束列表中選擇bracket：height_to_support=10，這是從托架基礎到橫梁的距離。增加此尺寸將縮短橫梁以減少重量。在上限中輸入40，在下限中輸入10，然后確定。再從列表中選擇bracket：thickness，這是一個控制所有3個成員厚度的尺寸。輸入上限為15，下限為5，點擊確定，如此便設置好了設計變量。

5）解算并觀察結果。

使最大迭代次數為20次，其余參數默認。分析構件在允許最大變形為0.03 mm情況下，各關鍵結構尺寸的優化組合。在仿真導航器中，單擊Setup1并選擇解算，結果如圖6、圖7所示。

圖5 三角支架受力情況

圖6 優化解算結果數據

圖7 優化結果

觀察優化結果可知，在滿足條件下該三角支架的最小重量為 1123.136 g，相對應的 bracket：height_to_support尺寸是 40 mm，bracket：thickness尺寸是 5 mm。優化后的結構及Y方向的變形如圖8所示。

圖8 優化后的結構及變形情況

3結語

在實際工程中，UG軟件可以實現產品或零部件的仿真與優化分析，參與了產品實現全過程，從產品設計開發到加工真正實現數據的無縫集成，優化了企業的產品設計與制造。

［1］ Dean A.NX生命周期仿真軟件［J］.CAD/CAM與制造業信息化，2010，12（11）：33-36.

［2］ 侯永濤，丁向陽.UG/Open二次開發與實例精解［M］.北京：化學工業出版社，2007：2-16.

［3］ British Plastics and Rubber.High Speed Machining Centre makes moulder more competitive［J］.British Plastics and Rubber，2004：26-28.

［4］ Hedrick R，Urbanic R J.Managing change and reconfigurations of CNCMachineTool［J］.Springer Series in advanced Manufacturing，2009：285-300.