研究了利用 UG 高级仿真模块进行整机结构件受力分析的方法和步骤，探讨了分析的关键问题和注意事项。结果表明，
采用整机进行传动机构结构件受力有限元分析，边界条件设置简单、准确，载荷加载方便，结构件之间载荷传递和相互
约束由系统完成，分析结果可靠性增加。采用 UG 高级仿真功能进行传动机构有限元分析的关键问题是传动机构边界约
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机械 2010 年第 11 期 总第 37 卷
基于 UG 的传动机构有限元 分析方法研究
程永奇 1，张贵成 2，孙友松 1，张鹏 1，胡建国 1，方雅 1
（1.广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006；2.广东锻压机床厂有限公司，广东 顺德 528300）
摘要：为了简化有限元分析边界条件设置并增加其准确性，提高分析结果的可靠性，以某型号伺服压力机传动机构为例，
2.3 划分网格
在完成材料属性设定后，进行网格划分，也可 以先划分网格后设定材料。对于结构件有限元分析， 选用 3D 网格划分方法，点击工具栏中“3D 四面体 网格”按钮，弹出“3D 网格”对话框（图 5），首 先选中要划分网格的结构件，然后选择类型为 “CTETRA(10)”即 10 节点四面体单元，设定全局 单元大小，可点击图 5 中圈出的“自动检查大小” 图标由系统自动计算设定，其它设置选项可选用默 认值，最后点击“确定”按钮，完成结构件网格设 计。重复以上步骤，完成其它结构件网格划分后， 即完成了传动机构的网格划分，如图 6 所示。完成 网格划分后，为了保证网格划分的正确性，可点击 工具栏“有限元模型检查”图标，进行模型检查。
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收稿日期：2010－08－09 基金项目：2009 年粤港关键领域重点突破项目（2009Z019） 作者简介：程永奇（1980－），河南南阳人，博士，主要研究方向为塑性成形技术、成形装备等。
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元分析主要集中在对单个零件的分析，包括用户手 册和各种相关教程，对其均有详细介绍，但对传动 机构的整体有限元分析鲜有介绍[1~4]。本文以某型号 伺服压力机传动机构为例，研究采用 UG 高级仿真 模块进行装配结构静力学有限元分析的方法，并以 UG NX 5.0 版本为例，具体介绍传动机构有限元分 析方法和步骤，探讨复杂载荷条件下结构件有限元 分析的新方法，以期为利用 UG 高级仿真功能进行 传动机构乃至整机结构件有限元分析提供参考。
显然，对于该类传动机构，从整体而言，其受 力输入与输出十分清晰、明确，但对于其中各结构
图 2 新建 FEM 和仿真模型
2 边界条件设定
2.1 加载载荷与约束
完成新建模型后，根据传动机构实际受力与约 束情况，加载载荷与约束。如前所述，对于图 1 中 所示传动机构，其载荷为在曲柄上施加驱动扭矩 T， 在滑块上施加一反作用力 F，两者之间的关系可利 用 UG 运动仿真模块，进行动力学分析获得[5]。上 圆柱销固定在机身上，因此其约束可定义为固定， 曲柄定义为绕轴旋转约束，滑块定义为沿导轨上下 滑动约束。
(1.Faculty of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2.Guangdong Metal forming Machine Works Co., LTD. Shunde 528300, China)
约束对话框
传动机构模型
图 5 3D 网格划分 图 6 传动机构网格划分模型
2.2 指定材料属性
完成载荷和约束添加后，在仿真导航器中双击 fem 文件，进行有限元网格属性设置。首先，点击 工具栏“材料属性”按钮，弹出“材料”对话框， 可在其中自行定义材料属性，也可调用 UG 材料库 提供的材料属性，这里选用材料库提供的 IRON_ CAST_G60，然后选中传动机构各结构件，点击“确 定”按钮，完成材料属性设定。
图 7 曲面接触网格设定
设定接触网格后，在仿真导航器中，展开曲面 接触项，逐一选择所设定的接触，点右键选择“编 辑属性…”项（图 8），弹出“单元属性”对话框 （图 9），定义接触网格单元的矢量方向，以及接 触类型、摩擦系数等参数。在该设置中，还应同时 检查接触面设置的正确性，这是 UG 高级仿真传动 机构有限元分析的另一关键问题。
2.4 接触网格设定
对机构进行分析时，设定各结构件之间网格接 触情况至关重要。点击工具栏“曲面接触网格”按 钮，弹出“曲面接触网格”对话框（图 7），可依 次选择来源面和目标面逐一进行手动设置，也可勾 选“自动创建接触对”选项，并设定捕捉距离后由 系统自动设定网格接触情况。
图 3 用户自定义结构件 图 4 加载载荷与约束后的
Abstract：In order to simplify the setting of boundary conditions and to increase the accuracy for finite element analysis, the method and the procedure of finite element analysis for transmission mechanism used the function of advanced simulation in UG was studied, which could enhance the reliability of the results. And the key questions and the attentions were also discussed for finite element analysis, which took the transmission mechanism of servo press as the example. The results indicated that the setting of boundary conditions could be simplified and the accurate load could be applied. Furthermore, the load transmission among of the structural parts could be performed by the software of finite element analysis, which could increase the reliability of the analysis results. The settings of boundary conditions on constraints of geometry and contact pairs of grids among of structural parts were the critical factors for the finite element analysis of transmission mechanism using the UG advanced simulation function. Key words：transmission mechanism；structural components；finite element analysis；UG
件，尤其是图 1 中所示的连杆，在考虑摩擦的情况 下，受力状态极其复杂，从而导致对单个结构件有 限元分析时，难以加载受力条件。因此，采用整体 结构有限元分析，可简化各结构件载荷加载条件， 同时，还可保证受力条件加载的准确、可靠，能有 效提高有限元分析结果的可靠性。
1.2 有限元模型建立
完成传动机构装配模型制备后，进入 UG 高级 仿真模块。具体步骤为：进入 UG，打开所建装配 模型文件，进入高级仿真，在仿真导航器中，选中 装配文件后，点击鼠标右键，然后选择弹出菜单“新 建 FEM 和仿真…”选项（图 2），在弹出“新建 FEM 和仿真”对话框中，可进行求解器和分析类型的配 置，本研究中采用 NX NASTRAN 求解器并只做传 动机构结构静力学分析，因此，采用各默认选项， 点击“确定”按钮，弹出“创建解法”对话框，选 择结算方案类型为“SESTATIC 101－多约束”，然 后点击“确定”按钮，即完成新建 FEM 和仿真模型。
图 8 曲面接触网格 图 9 曲面接触网格单元属性
属性编辑
设置对话框
3 分析求解与后处理
完成传动机构有限元分析前处理设置后，即可
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进行有限元分析求解和后处理。UG 高级仿真模块 提供了强大的后处理功能，能对有限元分析结果进 行图形化显示和动画模拟，提供输出等值线图、云 图、动态仿真和数据输出等功能，可进行结构件位 移、应力、应变等的分析。图 10 给出了传动机构应 力和应变云图，从图中可以分析出结构件应力、应 变等情况，从而为传动机构结构件的设计和优化提 供参考和指导。
除上述约束外，因考虑到在传动机构工作过程 中，沿圆柱销轴向，各结构件相互制约，无轴向移
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动，因此，还需限定上肘杆、连杆和下肘杆的沿轴 向的自由度，其定义方式需采用“用户定义的约束” 来实现，如图 3 所示。对于上述三个结构件，若无 轴向约束，则在其分析结果会出现结构件沿轴向滑 动的情况，这是传动机构有限元分析的关键问题之 一。完成载荷和约束设置后的传动机构有限元模型 如图 4 所示。
1 有限元模型
1.1 装配模型准备
对于单个结构件进行有限元分析，只需将结构 件模型导入有限元分析模块即可，而对于由多个零 件组成的传动机构，要进行有限元分析，首先需要 进行机构装配模型的准备。该传动机构主要由曲柄、 连杆、上肘杆、下肘杆、滑块以及连接圆柱销组成， 其中曲柄和上圆柱销与机身相连，滑块在机身轨道 内滑动，根据其装配结构和运动关系，在 UG 装配 模块下完成传动机构的装配，如图 1 所示。