NX響應(yīng)仿真實(shí)例11

第頁NXNastran動(dòng)力學(xué)仿真在室外機(jī)配管優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用本文以某室外機(jī)配管為分析對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，該機(jī)器整改前在制熱時(shí)有嗡嗡聲，而且回氣振動(dòng)也接近測試標(biāo)準(zhǔn)的上限。采用B&K的pulse測試系統(tǒng)對(duì)室外機(jī)的噪音進(jìn)行測試分析，發(fā)現(xiàn)嗡嗡聲的主要頻率為148HZ。對(duì)室外機(jī)制熱運(yùn)行時(shí)的噪音進(jìn)行錄音，然后對(duì)錄音進(jìn)行濾波，將148HZ的頻率成份過濾掉，此時(shí)嗡嗡聲基本消失。采用加速度傳感氣對(duì)壓縮機(jī)的儲(chǔ)液罐和回氣管進(jìn)行振動(dòng)測試，對(duì)其頻譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)液罐處也有148HZ的頻率，并且在該頻率處的振動(dòng)峰值也大，回氣上要小一點(diǎn)，用手握住回氣管或者在回氣管上加一塊較的220×120厚度為8mm的防震膠，此時(shí)嗡嗡聲會(huì)明顯減小，此時(shí)低壓閥安裝板處的振動(dòng)也明顯減少。因此我們初步判斷室外機(jī)的嗡嗡聲主要是通過壓縮機(jī)儲(chǔ)液罐經(jīng)過回氣管、低壓閥連接管傳遞到閥安裝板和鈑金輻射出來的。整改方案決定通過增加回氣管的柔性借助銅管的阻尼來衰減噪聲，同時(shí)降低配管的振動(dòng)。圖1和圖2分別為整改前和整改后的四通閥組件。試驗(yàn)測試表明，采用改進(jìn)后的四通閥組件，室外機(jī)的嗡嗡聲和等到明顯改善，配管的振動(dòng)也明顯減小。下面詳細(xì)描述整個(gè)配管仿真分析的過程。1建立有限元模型為了快速有效的分析配管的振動(dòng)特性，在計(jì)算分析的過程中沒有考慮壓縮機(jī)的幾何模型，由于壓縮機(jī)是配管的振動(dòng)激勵(lì)源，所以在計(jì)算過程中必須考慮壓縮機(jī)的影響，本文在計(jì)算過程中通過試驗(yàn)采用三向加速度傳感器測試排氣管和回氣管處的振動(dòng)加速度，然后將測試的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行8階高通濾波，并通過積分將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為位移測試數(shù)據(jù).通過加載壓縮機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)來考慮壓縮機(jī)對(duì)配管的振動(dòng)影響，整個(gè)配管的簡化模型如圖3.1.1理想化幾何模型為了得到比較理想的網(wǎng)格質(zhì)量，最好在建模里面先利用分割面工具()將配管用基準(zhǔn)面將配管進(jìn)行剖分，剖分后的效果如圖2：利用模型理想化命令()，將模型進(jìn)行理想化，去掉一些可以忽略小特征，或者采用同步建模命令()來刪除不需要的特征，這對(duì)于從其它軟件導(dǎo)入NX的模型特別有效.由于配管的壁厚較薄，因此對(duì)整個(gè)四通閥組件在分析過程中可以考慮采用殼體單元.對(duì)四通閥組件中的配管采用偏置的方法抽中面()，其結(jié)果如圖4。從理想化模型的狀態(tài)回到有限元模型的狀態(tài)，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)中面沒有顯示，這時(shí)可以通過編輯有限元模型的幾何體選項(xiàng)將中面加入進(jìn)來。具體步驟如下：在仿真航器的有限元文件名上點(diǎn)右鍵，選擇編輯，在彈出的對(duì)話框中，選“選擇體”，如圖4，在圖形窗口中框選中所有體并確定。然后在仿真導(dǎo)航器的PolygonGeometry模型樹上將實(shí)體特征隱藏，只顯示中面特征。1.2有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分，分別對(duì)排氣管、回氣管低壓閥連接管等進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用2D的映射網(wǎng)格對(duì)配管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣可以得到高質(zhì)量的網(wǎng)格。對(duì)四通閥劃分網(wǎng)格時(shí)，先采用2D的映射網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)其個(gè)別面無法進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分的，再采用自動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。1.2.1修復(fù)小面引起的網(wǎng)格不連續(xù)在NX的機(jī)械布管里面進(jìn)行配管設(shè)計(jì)時(shí)，在U形彎的地方，結(jié)構(gòu)工程師在導(dǎo)圓角時(shí)通常會(huì)留下一個(gè)很小的直線段在那里，比如60的直線段，要導(dǎo)兩個(gè)R30的圓角，在NX機(jī)械部管里導(dǎo)不出來，結(jié)構(gòu)工程師通常會(huì)小于R30的值代替，比如R29.9，這樣就留下了一個(gè)0.2mm的直線段，在生成配管后，就產(chǎn)生了一個(gè)0.2mm寬的圓環(huán)面。在有限元建模畫網(wǎng)格時(shí)如果沒有選中那個(gè)小面，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)裂縫在那里，如果選中了這個(gè)小面，由于其尺寸很小，生成的網(wǎng)格質(zhì)量也會(huì)很差，所以在有限元里面需要將這小面及其相鄰的進(jìn)行合并，使用合并面命令()，將裂縫處的面合并更新網(wǎng)格后的效果如圖6。1.2.2為了得到較好的單元質(zhì)量，最好對(duì)配管進(jìn)行沿著配管的中心線逐段進(jìn)行剖分，同時(shí)在劃分網(wǎng)格時(shí)，同時(shí)在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量較差的局部設(shè)定網(wǎng)格種子，對(duì)其單元數(shù)或者單元的邊長進(jìn)行設(shè)定。其操作菜單如圖7。1.2.3對(duì)單元的形狀進(jìn)行檢查，可以檢查出形狀較差的網(wǎng)格，并以指定的顏色標(biāo)示出失效的單元，同時(shí)也可以列表統(tǒng)計(jì)出形狀較差單元的個(gè)數(shù)。如果單元形狀較差的個(gè)數(shù)較多，會(huì)造成計(jì)算結(jié)果不收斂，無法得到計(jì)算結(jié)果。圖8為單元形狀檢查的操作路徑，圖9為單元形狀檢查的結(jié)果。1.2.4對(duì)單元的法向進(jìn)行檢查，如圖10。對(duì)四通閥組件，在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，通常采用殼體單元，在使用殼體單元時(shí)，一定要使整個(gè)四通閥組件的單元的法向一致，單元的法向應(yīng)都向外或者都向內(nèi)，否則在進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析計(jì)算時(shí)會(huì)造成計(jì)算不收斂。對(duì)法向不一致的單元，要利用法向反向使其一致。1.2.5在劃分有限元網(wǎng)格后，要對(duì)重復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，如果存在重復(fù)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)附近的單元是裂開的，沒有合并在一起，需要對(duì)該重復(fù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并。在本文分析的案例的模型中沒有重復(fù)節(jié)點(diǎn)存在，圖11是另外一個(gè)模型中有重復(fù)節(jié)點(diǎn)的情形，在這里只是為了說明該問題而特意列舉出來.1.2.6在排氣口和回氣管及壓縮機(jī)的連接處創(chuàng)建RBE2剛性單元，以便在進(jìn)行頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)分析時(shí)施加振動(dòng)加速度或者位移等強(qiáng)迫振動(dòng)激勵(lì)。具體操作步驟如下：利用建立節(jié)點(diǎn)命令在()先在配管的端部的圓心處建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再點(diǎn)擊圖標(biāo)()，彈出如下的對(duì)話框，形心節(jié)點(diǎn)選擇剛剛建立的節(jié)點(diǎn)，分支節(jié)點(diǎn)選擇形心對(duì)應(yīng)的邊。如圖12。1.2.7在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，通常會(huì)對(duì)四通閥進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕瑸榱吮ＷC四通閥的有限元網(wǎng)格的質(zhì)量屬性及實(shí)際一致，以保證計(jì)算的四通閥組件模態(tài)和及實(shí)際情況更吻合，需要進(jìn)行對(duì)其質(zhì)量屬性進(jìn)行檢查。在NX5.0高級(jí)仿真里面，劃分網(wǎng)格后在下拉菜單上點(diǎn)擊：信息――高級(jí)仿真――實(shí)體屬性檢查可以查詢網(wǎng)格的質(zhì)量屬性。在NX6.0高級(jí)仿真里面，直接在仿真導(dǎo)航器的模型樹上，在要查詢網(wǎng)格的模型樹上點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵選擇實(shí)體屬性，就可以查詢到網(wǎng)格的質(zhì)量屬性。操作菜單見圖13，圖14為四通閥組件劃分有限元網(wǎng)格后的有限元模型。本文在分析過程中，網(wǎng)格的材料屬性為銅：彈性模量=1.23×E11Pa，泊松比=0.34，密度=8.94×E3Kg/m3。2配管的模態(tài)分析仿真2.1新建一個(gè)仿真首先新建一個(gè)仿真，在仿真導(dǎo)航器上有限元模型文件名上點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，選擇新建仿真，在彈出的創(chuàng)建解算方案中，求解器選擇NXNASTRAN，解算方案類型選擇SEMODES103–響應(yīng)仿真。操作菜單如圖15。2.2定義配管的焊口連接處的接觸對(duì)整個(gè)四通閥組件，在配管的焊接處，需要定義定義粘合接觸，具體操作菜單如圖162.3加載模態(tài)邊界條件在進(jìn)行固有模態(tài)分析時(shí)，將排氣管、回氣管、低壓管和冷凝器接管等端部施加固定約束。在排氣管和回氣管的端部圓心處(形心節(jié)點(diǎn)處)施加強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)約束，如圖17。圖18為整個(gè)四通閥組件加載的邊界條件.在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，NXNASTRAN會(huì)默認(rèn)為在加載強(qiáng)迫約束的地方，排氣管和回氣管端面是固定的.通過計(jì)算得到的配管的模態(tài)振型結(jié)果可以看出.2.4模態(tài)求解設(shè)置在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，選中Subcase-Dynamics點(diǎn)右鍵，激活，再選擇編輯解算步驟，設(shè)置輸出需求(位移、應(yīng)力等)，操作菜單見如圖20。同時(shí)還要設(shè)定求解輸出的模態(tài)階數(shù)和求解參數(shù)，指定NXNASTRAN求解器的路徑和求解時(shí)占用內(nèi)存的大小。在NX6.0中默認(rèn)的內(nèi)存大小為400MB，最好把它調(diào)到1000MB或者以上，如果不修改內(nèi)存值，NASTRAN會(huì)無法啟動(dòng)。操作菜單見圖21。計(jì)算結(jié)束后，雙擊Results進(jìn)入后處理界面，即可以讀取各階模態(tài)的振動(dòng)頻率和振型結(jié)果。為了不顯示配管的網(wǎng)格，只顯示配管的變形后的特征，可以點(diǎn)擊命令()。在彈出的對(duì)話框中，選擇邊和面，在邊的選項(xiàng)里面，選擇特征。圖22和23為第1階模態(tài)回氣振型和第4階模態(tài)排氣的振型.其振動(dòng)的形式及實(shí)際測試樣機(jī)的結(jié)果也一致.2.5預(yù)應(yīng)力模態(tài)如果要考慮冷媒壓力(不考率壓力脈動(dòng))對(duì)配管模態(tài)的影響，需要計(jì)算預(yù)應(yīng)力模態(tài)，這時(shí)應(yīng)先激活Subcase-Dynamic設(shè)定好輸出需求和輸出的模態(tài)階數(shù)后，再激活Subcase-StressStiffening，再右鍵點(diǎn)loads在配管壁面上施加壓力載荷，施加載荷時(shí)要主要壓力的方向，應(yīng)是向外的。操作菜單見圖24。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)冷媒壓力對(duì)配管的模態(tài)的影響不大，在0.5HZ左右，因?yàn)閴毫κ茄刂涔軆?nèi)表面的法線方向，而配管本身的剛度在這個(gè)方向是比較大的，所以靜壓力對(duì)配管的模態(tài)影響不大。3瞬態(tài)應(yīng)分析在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)或者頻率響應(yīng)分析，在仿真導(dǎo)航器的模型數(shù)上用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)sim文件，在彈出的菜單中選擇新建結(jié)算方案過程，然后選擇響應(yīng)仿真。操作菜單界面如圖25。3.1設(shè)置阻尼參數(shù)在新建的ResponseSimulation里面雙擊NormalModes，然后將展開響應(yīng)仿真局部放大圖窗口。操作菜單如圖26。有阻尼情況下，振幅隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律衰減，阻尼越大，振幅衰減的越快，振動(dòng)耗散得也越快。粘性阻尼及速度成正比，結(jié)構(gòu)阻尼及位移成正比。在瞬態(tài)響應(yīng)分析中，結(jié)構(gòu)阻尼(Hysteretic)必須轉(zhuǎn)化為等效的粘性阻尼(Viscous)。在響應(yīng)仿真局部放大圖中，點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵選擇一階模態(tài)，可以對(duì)其模態(tài)的阻尼因子進(jìn)行編輯。操作菜單如圖27。對(duì)阻尼因子編輯后，DampedFrequency會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修改，如圖28。有阻尼固有頻率及固有頻率的關(guān)系：，其中為有阻尼頻率，為固有頻率。在仿真導(dǎo)航器中右鍵點(diǎn)擊ResponseSimulation，選擇新建事件，在彈出的菜單中選擇瞬態(tài)或者頻率，如圖29。如果選擇瞬態(tài)，在加載振動(dòng)的激勵(lì)函數(shù)時(shí)，激勵(lì)函數(shù)是隨時(shí)間變化的加速度、速度或者位移函數(shù)。3.2AFU函數(shù)屬性設(shè)置在施加強(qiáng)迫激勵(lì)前，要先在XY函數(shù)導(dǎo)航器里面把振動(dòng)的激勵(lì)測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來，振動(dòng)激勵(lì)測試數(shù)據(jù)在導(dǎo)入之前，必須先將其轉(zhuǎn)化為NXNASTRAN所支持的數(shù)據(jù)格式文件，其支持的數(shù)據(jù)文件格式有：csv、mat、rsp、dac和unv。在XY函數(shù)導(dǎo)航器中，在AssociatedAFU上點(diǎn)右鍵新建一個(gè)文件如huiqi_x，然后在文件名上點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，選擇導(dǎo)入，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)的格式和數(shù)據(jù)屬性。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)，點(diǎn)擊選項(xiàng)，彈出如下的對(duì)話框：函數(shù)類型為時(shí)間，間距為等間距，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度或者位移，如圖31。如果沒有正確的設(shè)置，在加載激勵(lì)時(shí)，將無法把數(shù)據(jù)加載到激勵(lì)位置的節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)也無法對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，將時(shí)域的測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域。3.3激勵(lì)測試數(shù)據(jù)的處理測試數(shù)據(jù)的處理非常重要.在導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)前，需要對(duì)測試的加速激勵(lì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，如果沒有經(jīng)過濾波，加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過積分后會(huì)一直往上漂。圖32是沒有經(jīng)過濾波的加速度數(shù)據(jù)經(jīng)過積分后得到的時(shí)間速-度曲線。圖33為加速數(shù)據(jù)經(jīng)過8階高通濾波和積分后得到回氣x方向的時(shí)間――位移曲線，由于剛開始的測試數(shù)據(jù)沒完全穩(wěn)定，所以取了5～10s比較穩(wěn)定的測試數(shù)據(jù)。為了及有限元計(jì)算模型中的單位一致，將位移的單位為轉(zhuǎn)化為mm，3.4施加振動(dòng)位移激勵(lì)在仿真導(dǎo)航器的Excitation上點(diǎn)右鍵新建激勵(lì)，選擇平移節(jié)點(diǎn)的，操作路徑如圖34，然后在彈出的圖35所示的窗口中指定激勵(lì)的節(jié)點(diǎn)，并通過函數(shù)管理器來指定X、Y和Z方向的位移激勵(lì)。圖36為XY函數(shù)管理器，窗口里面顯示的時(shí)間――位移函數(shù)是前面事先定義好的。所有函數(shù)的數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和時(shí)間長度必須是一樣的，否則加載激勵(lì)時(shí)，會(huì)提示數(shù)據(jù)不一致，不能加載激勵(lì)。3.5求解評(píng)估響應(yīng)結(jié)果3.5.1在完成前面所有的準(zhǔn)備工作后，就可以對(duì)四通閥組件進(jìn)行響應(yīng)評(píng)估求解了。如圖37和38，選擇評(píng)估云圖結(jié)果――響應(yīng)，可以輸出位移、速度、加速度和應(yīng)力的結(jié)果，在圖38中，可以選擇從激勵(lì)函數(shù)曲線上選擇求解振動(dòng)激勵(lì)峰值時(shí)刻點(diǎn)，也可以指定求解一段時(shí)間內(nèi)來對(duì)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行求解，如果是指定一段時(shí)間，通常指定的時(shí)間長度為10～20個(gè)周期，如果設(shè)定的求解時(shí)周期較大，計(jì)算結(jié)果文件會(huì)較大，求解時(shí)間也會(huì)較長。在圖38中，選擇的是指定激勵(lì)的時(shí)刻點(diǎn)，圖39為從激勵(lì)函數(shù)中指定求解的時(shí)刻點(diǎn)。在后處理中分別讀取各個(gè)峰值點(diǎn)時(shí)刻的位移和應(yīng)力云圖，讀取應(yīng)力結(jié)果時(shí)通常是選擇讀取VonMises應(yīng)力的值，在大致了解哪個(gè)地方應(yīng)力比較大后，可以通過評(píng)估節(jié)點(diǎn)的函數(shù)響應(yīng)來查看在整個(gè)激勵(lì)時(shí)間內(nèi)的所關(guān)心的應(yīng)力較大處的應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。從圖40～47可以看出，在配管拐彎的地方應(yīng)力都會(huì)比直線段的配管處的應(yīng)力要大，而且內(nèi)側(cè)的應(yīng)力要比外側(cè)的應(yīng)力要大.從圖中可以看出配管的應(yīng)力隨時(shí)間不斷變化，配管的應(yīng)力最大在6MPa左右，配管的應(yīng)力值比較小，說明該方案設(shè)計(jì)的配管是比較安全的.圖48和49為配管在兩時(shí)刻點(diǎn)的振動(dòng)幅值云圖，從圖中可以看出，在回氣管的U形彎處，配管的振動(dòng)較大，為250μm左右，這及實(shí)際也測試樣機(jī)的結(jié)果也較為一致，因?yàn)閴嚎s機(jī)儲(chǔ)液管的本身的振動(dòng)較大，反應(yīng)在振動(dòng)激勵(lì)上，就是壓縮機(jī)回氣口處的振動(dòng)激勵(lì)本身較大，所以在改處的振動(dòng)也要大一些.3.5.2評(píng)估函數(shù)響應(yīng)評(píng)估節(jié)點(diǎn)函數(shù)響應(yīng)，其操作路徑如圖50?？梢暂敵龅慕Y(jié)果為位移、速度和加速度，可以在圖51的菜單中的結(jié)果欄進(jìn)行選擇，同時(shí)定要指定響應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的位移和加速度通常是計(jì)算所關(guān)心的內(nèi)容。為了得到節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化的結(jié)果，在評(píng)估函數(shù)響應(yīng)分析時(shí)，選擇基本的，如圖52所示，參照前面評(píng)估云圖結(jié)果分析的應(yīng)力場分布的結(jié)果，選擇應(yīng)力較大的位置進(jìn)行求解，得到該節(jié)點(diǎn)處在整個(gè)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)間段范圍內(nèi)的結(jié)果。圖53～63為配管各彎位處內(nèi)外側(cè)節(jié)點(diǎn)Vonmise應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線，從應(yīng)力曲線可以看出，在5～10秒內(nèi)整個(gè)四通閥組件的應(yīng)力在8MPa以內(nèi)，應(yīng)力較小遠(yuǎn)低于銅管的屈服強(qiáng)度65MPa。說明該設(shè)計(jì)的應(yīng)力設(shè)計(jì)案是可靠的。4.頻率響應(yīng)分析為了分析配管在給的振動(dòng)激勵(lì)頻率的響應(yīng)情況，需要進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，其操作菜單如圖64，在新建事件的類型中選擇頻率。進(jìn)行頻率響應(yīng)分析時(shí)，加載的振動(dòng)激勵(lì)函數(shù)為位移隨頻率變化的函數(shù)，因此需要將振動(dòng)激勵(lì)的時(shí)域函數(shù)轉(zhuǎn)化為頻域，通過點(diǎn)擊工具欄的圖標(biāo)()，在彈出的菜單中選擇time->Spectr