基于NX CAE装配有限元网格技术研究

潘自民 朱秋菊 闵康磊 李晟昊 曹旭民

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

目前对于复杂装配体的有限元建模，国内采用的方法是利用有限元软件自身提供的参数化建模语言编写相关文件。但对复杂的装配体设计，一般需要在CAD设计平台上进行三维结构设计，然后将模型导入CAE分析平台进行多学科分析，最终形成几轮迭代设计仿真优化结果[1]。文献[1]介绍的装配有限元网格建模技术需要借助CAD中装配关系在CAE环境下进行二次开发，过程相对繁琐，门槛较高，一般工程技术人员较难掌握；而在NX CAE(目前NX11.0及之后版本的仿真模块为Simcenter 3D平台)平台进行装配有限元网格技术，无需作CAE二次开发，只需基于各零、部件的CAD装配关系将其各有限元网格模型映射到相应的空间位置即可，同时无论进行几次迭代更改设计，在装配有限元模型中，各零部件的位置和网格信息都能得到及时更新。

图1 fem文件对应的模型树

UG NX是一套集CAD/CAM/CAE一体化的工业软件，它的功能覆盖从概念设计到产品生产的整个过程。其中，它的CAE高级仿真模块主要包含NX前、后处理和NX Nastran求解3个基本部分。随着这几年的迅速发展其分析和解算功能也越来越强，Nastran分析结果已成为航太等级工业CAE标准，获得FAA认证[2]。

在有限元分析中，前处理网格划分至关重要。网格质量的好坏直接关系到分析能否顺利、快速地完成，也关系到能否得到高精度的计算结果[3]。在一个复杂装配模型的有限元分析中，前处理往往要占去整个分析过程60%～80%的时间。如何能够将这部分时间缩短到最少，对整个分析计算过程效率的提高至关重要。本文主要介绍在NX CAE平台装配有限元技术创建有限元模型一般过程，同时给出一工程实例演示创建有限元网格模型。

1 NX有限元模型文件介绍

NX CAE平台中的一类常用有限元模型文件就是.fem文件，它包括有限元FEM文件、理想化部件文件和主模型部件。同时还会产生相应的所有多边形几何体(取决于理想化部件体的分割数量)和坐标系，详见图1所示。

主模型部件(.prt)是创建的最原始的三维几何模型文件；FEM文件(.fem)是有限元模型文件，其包含划分的有限元网格、材料参数、物理属性等信息；理想化部件(_i.prt)是划分有限元网格的母板模型，其对应的原始模型部件就是主模型部件，在理性化部件上可以做任何形式的几何简化，而此简化对原始的主模型部件(.prt)无任何影响，但它可以直接反馈到有限元模型文件中的几何体部分，通过“更新”有限元模型可以将最新的更改设计映射到有限元模型中，从而保证所做的有限元分析是最新拓扑结构的仿真分析。上述不同文件类型包含着不同的信息，而这种分类对相关模型数据库的管理是很有好处的，详见图1所示。

NX CAE中另一类有限元文件是装配FEM文件(.afm)，它的下一层文件类型可以是子装配文件(.afm)，也可以是零、部件FEM文件(.fem)。

装配 FEM(.afm)文件具有支持装配体有限元网格建模的强大工作流程，以创建分析大型装配体模型文件。装配有限元类似于CAD零、部件的装配，与部件装配包含多个组件部件的事例和位置数据非常类似，装配FEM也包含多个组件FEM的实例和位置数据。此外，装配FEM还包含将组件FEM连结到系统中的连接单元(螺钉连接、铆钉、焊点焊接等)，以及组件有限元网格中的材料和物理属性替代操作等。

装配FEM支持的两个基本工作流程：

(1)关联的。在此工作流程中，可将装配FEM与部件在CAD中的现有装配关系关联起来，并将新的或现有的组件FEM映射到对应的组件部件位置。在更新装配关系或其组件部件的几何体更改时，其装配FEM也会得到更新。可将关联组件FEM和非关联组件FEM组合在相同的装配FEM中。同时，也可以将非关联组件FEM添加到关联装配FEM模型中。

图2 某星载功放结构装配有限元模型及对应模型树

(2)非关联的。在此工作流程中，可以首先创建空的装配FEM。然后添加组件FEM到装配FEM中，最后，使用移动、旋转组件定义组件FEM的位置和方位，类似与几何装配的创建，但由于此种方法存在非关联性，零、部件的最新有限元网格模型有时会得不到及时的更新，性能评估计算容易出现差错。

以上两类工作流程强烈推荐使用关联模式，它可以实时地将设计文件做的修改反馈到有限元模型中，从而保证计算的有限元分析模型对应的是最新的结构设计模型。

2 装配有限元网格模型实例创建

本案例以某星载功放装配体几何模型为有限元网格装配体创建对象，该功放主要包括电源模块、功放负载模块、若干支架、直波导、弯波导、软波导、若干螺钉等。在零件网格划分时，经常会在几何体连接的部位产生大量的重复节点，导致有限元模型产生刚体位移，将无法进行正确的分析运算。所以，有必要在求解之前对有限元模型进行质量检查[4]。

有限元模型网格若全部采用四面体自动划分，将会产生大量的体网格且网格质量也较差，为了提高计算精度和计算效率，尽量全部采用高质量的六面体网格。此时，几何体的简化在理想化模型中就要频繁地用到拆分体功能，若不选用装配FEM文件(.afm)而是用常规的FEM文件(.fem)，在拆分几何体划分六面体网格过程中将会产生很多的多边形几何体，再对这些几何体命名和管理时将会相当繁琐且容易出错；而采用装配FEM文件(.afm)模式，可以对每一个零件生成一个FEM(.fem)文件，而且不同零件的网格划分工作可以由不同的工程师来完成，可以充分发挥团队合作的优势。

当装配体中的每一个零件完成有限元网格创建后，可以将每个零件对应的FEM(.fem)文件映射到零件在CAD装配体中对应的位置。特别对于结构形状完全相同的零件，可以对该拓扑结构件只划分一次高质量的有限元网格，不同位置形状相同的零件可以映射到装配有限元模型中的相应位置，创建装配体有限元网格模型。最后，根据各零部件之间的连接关系建立相应的有限元连接(如螺钉连接、MPC、面面接触、面面粘接等)。图2为生成的NX装配有限元模型及装配FEM模型树。

采用装配有限元技术使其有限元模型得以迅速地建立，但此时还不能用于有限元计算，需要将各零件的单元和节点序号重新排序，否则在模型检查时会出现标签冲突的错误。这时只需将装配标签管理器中自动解析功能点选一下，节点、单元、坐标系将自动重新排序，解除标签冲突，详见图3所示。注意：如果存在子装配文件，必须在子装配文件中通过装配标签管理器解决该层的标签冲突问题，此时，装配有限元网格模型才算创建完毕。可以根据具体的分析任务要求建立相应类型的仿真文件(.sim)，施加边界条件和载荷，同时也可以根据总体要求，生成适合Abaqus/MSC.Nastran/Ansys等求解器需要的相应有限元模型输入文件，提交相应求解器计算，提取结果，进行后处理编写相应分析报告，给出产品性能评估和改进的建议。

图3 装配有限元标签管理器示意

3 结语

采用NXCAE装配有限元技术完成了某星载功放装配有限元建模及分析，可得出以下结论：

对于有限元软件初学者，相比其它分析软件NX高级仿真模块更容易上手；

NXCAE平台的前处理模块将CAD建模、网格划分、参数化等功能无缝整合，并支持其他CAD软件的模型数据文件的导入且能够运用同步建模功能进行随机修改，为用户提供了极大的便利；

对于大型复杂的装配体模型，使用NXCAE装配有限元技术可以快速完成有限元模型前处理，尤其是当装配模型中出现许多相同形状相同位置不同的零件时，该零件的有限元网格模型只需创建一次，装配模型中不同位置的该零件只需映射同一有限元模型即可；

随着型号研制任务的繁多，结构复杂程度的加大，仿真分析周期的缩短，NXCAE装配有限元技术将会发挥越来越大的作用。