62-NX NASTRAN在压力容器应力分析中的应用.pdf

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1、第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 NX NASTRAN 在压力容器应力分析中的应用 谢涛1 刘岩1 （1.大连市锅炉压力容器检验研究所,大连,116013）摘要：摘要：NX Nastran 具有很强的线性分析功能和非线性分析功能，能够满足压力容器应力分析的需求。以压力容器典型的受内压圆筒径向接管结构为例，利用 NX CAD 的强大建模功能以及 CAD&CAE 的无缝集成，进行了应力分析以及线性化处理，成功证明了 NX Nastran 在压力容器分析设计中应用的可行性、方便性。关键词关键词：NX Nastran；压力容器;CAD&CAE 无缝集成；线性化处理；应力分析 NX Nastr

2、an Application in Pressure Vessle Stress Analysis Xie tao1 Guo Tao2 Liu Yan3 Abstract:There is very powerful analysis function in NX Nastran,especially in linear analysis and nonlinear analysis.It can meet the need of pressure vessel stress analysis.Typical pressure vessel structure of internal pres

3、sure cylinder with nozzle as an example,stress analysis and linearization are implemented by use of modeling function of NX CAD and integration of CAD&CAE.It is fully proved that it is feasible and convienent in pressure vessel stress analysis by NX Nastran.Key words:NX Nastran;Pressure Vessel;Integ

4、ration of CAD&CAE;Linearization;Stress Analysis NX Nastran 的前身是 MSC Nastran，2002 年 11 月美国联邦贸易委员会（FTC）为反垄断裁定MSC.Software公司必须共享MSC Nastran最新商业版，即v2001r9，该版本即为NX Nastran V1.0。共享内容包括了 Nastran 开发、销售用的所有 MSC NASTRAN 的源代码、目标代码、测试案例、开发环境和所有文档的永久使用权许可。2003 年 9 月，NX Nastran 产品正式发布。FTC 的裁决使 MSC 公司的雇员名单得到共享，已经有

5、许多资深 Nastran 专家加盟 UGS PLM Solution 公司（现 Siemens PLM Software 公司），如前 MSC 首席算法专家 Dr.Louis Komzsik、前 MSC 数值计算专家 Dr.Tom Kowalski 等等。1 NX Nastran 功能简介 1 NX Nastran 功能简介 NX Nastran 技术功能可以实现：1）静力分析：除一般分析功能之外还提供结构的重量和重心数据，支持全范围的材料模式。同时支持具有惯性释放的静力分析（无约束状态下的准静态响应）、非线性静力分析（包括几何非线性、材料非线性和接触非线性等）。2）屈曲分析：主要用于结构特定

6、载荷下稳定性以及失稳的临界载荷。包括线性屈曲分析（特征值屈曲分析）和非线性屈曲分析（几何非线性屈曲分析、弹塑性屈曲分析以及非线性后屈曲分析）。算法上，NX Nastran 采用先进的微分刚度概念，考虑高阶应变-位移关系，结合NX Nastran 特征值提取算法可精确判别出相应的失稳临界点。该方法较其他有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。3）动力学分析：具有其他有限元软件所无法比拟的强大的动力学分析功能，包括正则模第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 态及复特征值分析、（直接、模态）频率和（直接、模态、非线性）瞬态响应分析、（噪）声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱

7、分析、动力灵敏度分析等。NX Nastran 提供求解所需的动力和阻尼单元。4）非线性分析：NX Nastran 强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品，减少额外成本提供了一个十分实用可靠的工具。包括几何非线性分析、材料非线性（支持 Von Mises、Tresca、Mohr Coulomb、Drucker-Prager 屈服准则，蠕变分析可利用 ORNL 定律或 Rheological模拟）、非线性边界（接触问题）、非线性瞬态分析、非线性单元（非线性阻尼、弹簧、接触单元等）。NX Nastran 非线性分析提供 N-R 法、改进 Newton 法、弧长法、Newton 与弧长混合法、两

8、点积分法、Newmark 法及非线性瞬态分析过程中的自动时间步调整功能等丰富的迭代和运算控制算法。5）热传导分析：可以计算热分布状况，直观地看到结构内潜热、热点位置及分布，提供广泛的温度相关的热传导分析（线性/非线性稳态热传导、线性/非线性瞬态热传导、对流、相变、热腔分析）。NX Nastran 支持稳态或瞬态热传导分析的线性、非线性两种算法。此外，NX Nastran 还应用于流固耦合分析、空气动力弹性及颤振分析、多级超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析、复合材料分析等。可见，NX Nastran 的分析功能已经完全囊括了压力容器应力分析涉及的内容，能够满足这一特定领域的需求。2

9、NX CAD 建模功能 2 NX CAD 建模功能 众所周知，UG NX 的 CAD 模块为高端技术产品，具有强大的 CAD 参数化建模功能。依托于 CAD 强大建模功能，可以方便、快捷的完成压力容器分析设计中模型的构建，相对于以往压力容器 ANSYS 建模，大大提高了模型处理效率。同时 NX 还提供了宏文件录制功能以及基于知识建模的知识熔接（Knowledge Fusion）等自动建模技术工具，可以实现结构的自动创建与分析。宏文件以及 KF 语言都可以用普通的文本文件进行编辑与修改，方便，易学，易懂。譬如压力容器典型支管结构的倒角造型，在 NX CAD 中建好基本模型之后，不同于 ANSYS

10、中先生成圆角再生成蒙皮的方法，直接运用一个边倒角命令便可迅速生成所要倒角相冠线，如图 1 所示 图 1 NX CAD 迅速生成倒角 以往分析中，经常采用 CAD 建模功能较方便的系统构建模型，然后再通过中间标准格式（譬如 IGES、Pasolid、STEP 等）导入 CAE 分析工具进行模型的有限元分析，但是这种方法，中间格式的传递常常因为不兼容性而导致部分模型参数的丢失，而给模型的修补带来很大的工作量，减缓了工作效率。并且这种方法是单向的，当分析模型改变时，还要重复同样的工作，浪费大量的时间。而 NX 实现了 CAD&CAE 一体化集成方案，实现了 CAD 参数化建模、网格划分等功能的无缝集

11、成，并支持其他 CAD 软件的模型数据文件的导入,为用户提供了很大的方便。倒角第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 3 应力线性化功能 3 应力线性化功能 NX 的应力线性化程序在美国已经得到普遍的认可，根据 CODAP95(E)-C10/351,薄膜应力张量采用计算公式：01tijijdxt=弯曲应力张量采用计算公式：206()2tijbijtx dxt=计算步骤为：1）确定关心的区域 2）在锁定区域绘制显示xxS应力云图 3）围绕厚度突变区域沿壁厚方向在不同点（点越多越好）找到应力 4）计算积分找出弯曲应力和薄膜应力值 5）重复以上步骤寻找xxS,yyS,zzS,xyT,yzT,xz

12、T 6）计算弯曲主应力和薄膜主应力 7）按照下式对弯曲应力和薄膜应力进行积分获得应力值 21121(1)/21(1)/25(4)212211()()()4()()()3nkknxxxxknkkkkf x dxf x dxhf xf xf xO h fx+=+=+212221,3kkkkhxxxxn+=，n为奇数 如图 2 所示，一般在 NX 中一个评定路径要求分为 20 段。图 2 应力线性化功能 PROBE FOR VALUES AT DIFFERENT LOCATIONS第四届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 4 应用实例 4 应用实例 以压力容器中最为常见典型的受内压圆筒径向接管结构

13、为例（图 3）介绍 NX Nastran 在压力容器中的应用。结构示意如图所示：图 3 径向接管结构 力学模型与有限元模型如图 4、图 5 所示。1 力学模型：取 1/4 模型 2 单元类型：选取 3D 六面体单元 3 边界条件：施加边界条件如图所示，施加均布压力 P=10MPa 图 4 力学模型 图 5 有限元模型 采用 NX Nastran5.0 为解算器。应力分布如图 6 所示，可见最大应力点在内壁与套筒连接不远处，轴向应力大小为 5.191e2MPa。在最大应力节点处设置路径 A，如图 7 所示。图 6 应力分布图 图 7 最大应力点评定路径 A 第四届中国 CAE 工程分析技术年会论

14、文集 附表 1 沿应力评定路径 A 线性化处理结果（Unit：Kpa）*Stress Linearization Program(c)MMIV Alcyon Engineering*=Stress Linerization(c)Alcyon Engineering Pvt.Ltd.=R E S U L T S=Membrane Stress XX=65657.21 Bending Stress XX=124636.5=Membrane Stress YY=417953.3 Bending Stress YY=-49304.2=Membrane Stress ZZ=36079.4 Bending

15、 Stress ZZ=79025.34=Membrane Stress XY=3601.286 Bending Stress XY=4827.36=Membrane Stress XZ=-21527.64 Bending Stress XZ=-57273.76=Membrane Stress YZ=3489.186 Bending Stress YZ=1932.377=MaxValue Membrane is 392921.7 MaxValue Bending is 212963.4 MaxValue M+B is 303790.7 MaxValue M-B is 554295.1 5 总结 5 总结 1NX 系统的前处理模块将 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,为用户提供了很大的方便。2NX Nastran 除了很强的线性分析功能外,还具有较强的非线性分析功能,能解决工程上的几何非线性、材料非线性和接触分析等问题。3NX 系统具有记录操作过程而形成宏文件的功能,使得设计人员能方便地进行压力容器的结构分析。其后处理功能满足了压力容器分析设计标准的要求。作者简介：作者简介：谢涛，男，1980年10月，硕士研究生，2006年4月毕业于浙江大学化工过程机械研究所，主要从事锅炉、压力容器、管道检验以及科研管理工作。