NXCAE分析在工程力学中的应用

闫向阳　杨焕届

摘要：工程力学是力学学科的一个重要分支并广泛应用于工程技术领域，是一门理论性较强、与工程技术联系极为密切的技术基础学科。对于工程力学中，物体受力后发生变形的计算，该文以西门子公司的NX軟件为抓手，建立材料的力学模型，施加载荷和约束，仿真分析其结果并与教材理论计算结果进行对比分析，结论一致，更重要的是NX能提供更加详尽的变形结果。经过实验发现NXCAE分析可以有效地帮助计算材料力学的变形和应力，是工程应用领域的有效助手。

关键词：工程力学；NX；CAE；有限元分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0264-02

问题提出：在工程力学分析物体受力变形破坏的过程中，由于公式众多，如果公式选择错误，则计算结果必然不能作为实际工程的参照。第二，工程力学除了公式繁多外，计算量也比较大，对于复杂几何体经常需要使用微积分来求解，如果数学基础不扎实的话，最终也只能得出错误的数据。工程力学课堂一般都比较死气沉沉。本文尝试使用NX软件对工程力学中的问题进行求解，简单快捷，不易出错，大大提高了学生对力学和相关学科的学习兴趣。以工程力学中拉伸变形为例，介绍NX软件在结构分析中的使用方法。

1 创建拉伸变形试样模型

根据《金属拉伸试样》的有关要求，使用比例试样中的长试样作为分析对象。该试样直径为[d0]=10mm，比例系数为K=11.3.长度满足L=（2.5[～3.5]）[d0]。表面粗糙度为0.8[μm]。

NX软件是西门子公司开发的功能非常全面和系统的PLM产品设计软件，其主要模块包含建模、工程图、仿真、电气设计等。使用NX软件中的建模模块创建模型，模型采用拉模试样长试样尺寸创建，主要参数如表1所示。试样模型如图1所示。

2 NX仿真求解

建模完成后使用NX高级有限元仿真分析对试样进行结构分析，创建FEM和仿真文件，使用材料库指定试样材料为钢（Steel），材料库中都包含零件的相关物理属性，比如钢材的密度、极限强度、温度系数等。使用自动单元大小的3D四面体网格进行网格划分。对试样左端施加固定约束，选择载荷类型为力，设置幅值为20kN。低碳钢（Q235刚）的屈服极限是235MPa，本文施加力之后，材料在安全工作范围之内，得出的结论具有参考价值。设定完成之后进行求解计算。

3 后处理分析

求解后需要切换到后处理视图，双击结果后处理数据就全部显示出来了。NX提供了非常强大的后处理分析方式。等高线标绘、切割平面图和沿路径绘图等。图3是采用应力单元节点的相当应力（VonMises）显示的等高线测绘图。从图中可以看出：在圆角区域存在红色最大应力值，应力仅存在很小范围，是应力集中的结果。在中间区域应力恒定不变，达到了黄绿色区域的250MPa左右，也符合力学理论。图4给出了不同位置处的应力值，一目了然，哪些地方破坏可能更加严重，哪些地方更加安全。

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图5截取不同位置的Z轴的变形大小，左侧为固定端，右侧离固定端越远，则变形越大，变形大小可以根据胡克定律公式进行计算，等高线图清晰表明拉伸试样的变形情况。

此外，NX后处理中可以通过动画仿真，观看拉伸过程中材料的变形情况，应力分布和变化，直观形象又生动，可以有效提高学生的学习兴趣。最后通过导出报告的方法对拉伸实验做一个整体总结。查看NX有限元分析中加载的载荷与约束，显示力学相关参数，包含第一主应力、最大应力，最大变形等情况。

4 结束语

通过创建NX有限元模型和仿真分析，解算出单元节点的应力和变形，形象的使用动画表现拉伸变形的具体过程，有效提高了学生对枯燥繁杂的工程力学的学习兴趣，相比于实际的力学推导效率更高。为学生后期在企业工作中的机械设计与制造中提供了很多便利条件和方法。后续在工程力学教学中可以尝试推广，不只是黑板板书推导公式，使用计算机辅助分析软件来改善学习氛围，提高学习兴趣，真正让学生能快乐学习，并且学有所获。

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