NX Master FEM热分析教程

目 录

第1部分 NX Master FEM基础篇 1

第1章 NX Master FEM入门 1

1.1 概述 1

1.2 NX Master FEM 是什么 1

1.3 NX Master FEM TMG简介 2

1.4 什么是NX Master FEM TMG 2

1.5 NX Master FEM TMG能做什么 2

1.6 TMG模拟流程图 3

1.7 TMG与 NX Master FEM ESC的

接口 3

1.8 NX Master FEM ESC简介 4

1.9 什么是NX Master FEM ESC 4

1.10 ESC模拟流程图 4

1.11 使用NX Master FEM 启动表 5

1.12 使用鼠标选择实体 6

1.13 选择图标或菜单 6

1.14 通用图标 7

1.15 使用表格 8

1.16 借助动态导航器创建几何图形 8

1.17 通过截面创建实体 8

1.18 使用不同的视图模式 9

1.19 使用功能键实现动态显示 10

1.20 使用选择过滤器 10

1.21 组织工作 11

1.22 在获取帮助前先寻找线索 11

1.23 使用快速跟踪 12

1.24 使用指南学习NX Master FEM 12

1.25 在线指导：快速提示 13

第2章 零件设计基础 14

2.1 概述 14

2.2 一些定义 14

2.3 基本零件设计概览 15

2.4 为什么要创建零件 15

2.5 使用工作平面 16

2.6 在平面上绘图 17

2.7 使用三步造型法 17

2.8 画草图和标尺寸 18

2.9 动态导航器如何帮助绘图 18

2.10 控制几何约束 19

2.11 控制动态导航器 19

2.12 添加和删除约束 20

2.13 添加约束 20

2.14 添加尺寸 20

2.15 修改尺寸 21

2.16 在一定位置上绘图 22

2.17 拉伸截面 22

2.18 拉伸特征 23

2.19 为零件输入名称和编号 23

2.20 什么是历史树 24

2.21 访问零件的历史 25

2.22 使用历史访问表 25

2.23 显示选择对象的规则 26

2.24 使用选择过滤器 27

2.25 使用区域选项 27

2.26 修改尺寸的外观 28

2.27 预选和后选 28

2.28 如何更简单地从图形窗口中选

择实体 29

2.29 在线指导：画草图和加约束 29

2.30 在线指导：拉伸和旋转特征 30

第3章 网格划分简介 31

3.1 概述 31

3.2 使用有限元分析法 31

3.3 有限元是什么 31

3.4 区域离散化 32

3.5 控制容积方法 32

3.6 有限差分的公式 33

3.7 创建有限元模型 33

3.8 单元类型 34

3.9 指定零件的材料 34

3.10 材料类型 34

3.11 定义材料性质 36

3.12 创建材料 36

3.13 物理性质表 36

3.14 创建物理性质表 37

3.15 修改物理性质 38

3.16 自由网格划分概览 39

3.17 创建自由网格 39

3.18 自由划分表面网格 40

3.19 网格划分预览 40

3.20 什么是组 41

3.21 使用几何图形组 42

3.22 创建和显示组 42

3.23 选择需要的单元 43

第4章 后处理简介 44

4.1 概述 44

4.2 后处理概览 44

4.3 加载结果 45

4.4 选择数据结果 45

4.5 用温度等值线评估结果 46

4.6 对所需的单元进行后处理 47

4.7 创建显示模板 47

4.8 TMG结果数据集 48

第5章 创建零件 49

5.1 概述 49

5.2 调整和拖动 49

5.3 处理未被全约束的几何图形 49

5.4 使用拉伸选项 50

5.5 旋转零件 51

5.6 选择旋转选项 51

5.7 什么是构造操作 52

5.8 引入相关性 53

5.9 相关性的类型 54

5.10 倒棱角 54

5.11 使用零件目录 54

5.12 使用阵列 55

5.13 创建矩形阵列 56

5.14 创建环形阵列 56

5.15 创建特征阵列 57

5.16 具有可变参数的阵列 57

5.17 添加参考平面 58

第6章 零件修改与管理 59

6.1 概述 59

6.2 修改尺寸 59

6.3 修改特征参数 60

6.4 修改截面 61

6.5 删除特征 61

6.6 重现逐步更新过程 62

6.7 更新有限元模型 63

6.8 在工作台和抽屉之间迅速移动零件 63

6.9 删除零件 64

6.10 复制零件 64

6.11 复制与零件相关的有限元模型 64

6.12 在线指导：修改特征 65

第7章 使用NX Master FEM Library

和FE Studies 66

7.1 概述 66

7.2 使用各种数据存储器 66

7.3 什么是项目 66

7.4 什么是模型文件 67

7.5 什么是抽屉 67

7.6 模型文件和零件库的区别是什么 68

7.7 为何要使用零件库 68

7.8 给零件命名并将其保留在工作台上 68

7.9 与工作组内其他成员共享零件 68

7.10 把零件放进库中的选项 69

7.11 从库中取出零件 70

7.12 什么是FE STUDY 71

7.13 FE Studies管理 71

7.14 替换材料和物理性质 71

7.15 替换整个模型中的性质 72

7.16 替换模型的部分性质 73

7.17 检查当前FE Study的性质 74

7.18 使用FE Studies 74

7.19 当前FE Study设置 74

7.20 FE Studies的优选项 75

7.21 选择结果 75

第8章 为有限元模型准备零件 77

8.1 概述 77

8.2 为有限元模型准备零件过程概览 77

8.3 抑制特征 77

8.4 创建表面 79

8.5 修整表面 79

8.6 检查表面的自由边 79

8.7 缝补表面 80

8.8 零件分区 80

8.9 用Extrude命令为零件分区 81

8.10 轴对称模型 81

8.11 创建轴对称线框模型 82

8.12 把线框附着在零件上 82

第9章 网格划分 83

9.1 概述 83

9.2 权衡模型规模和求解时间 83

9.3 用自由网格划分实体单元 84

9.4 指定局部单元的尺寸 84

9.5 单元信息 85

9.6 映射网格划分和自由网格划分 85

9.7 使用映射网格划分 86

9.8 在表面上定义映射网格划分 86

9.9 在多于四条边的面上进行映射

网格划分 87

9.10 在体中定义映射网格划分 87

9.11 为体设置映射网格划分的选项 88

9.12 对N面体进行网格划分 89

9.13 删除网格 89

9.14 使用梁单元网格 90

9.15 创建梁截面 91

9.16 用自由网格划分定义梁单元 91

9.17 在单元上定义梁截面 91

9.18 生成梁单元网格 93

第10章 网格质量检查 94

10.1 概述 94

10.2 质量检查概览 94

10.3 壳单元网格的质量检查 94

10.4 检查变形和拉伸 95

10.5 检查变形和拉伸的四边形壳单元 95

10.6 检查扭曲 96

10.7 检查重合节点 97

10.8 检查重合单元 98

10.9 检查单元的自由边 98

10.10 检查单元法线的一致性 98

10.11 检查变形和拉伸的四面体 99

10.12 “门铰链”单元 100

第11章 高级网格划分 101

11.1 概述 101

11.2 辅助建模技术概览 101

11.3 通过拉伸生成单元 101

11.4 修改单元属性 102

11.5 修改网格划分定义 103

11.6 修改单元的物理性质 103

11.7 修改单元的材料性质 103

11.8 随温度变化的材料性质 104

11.9 创建物性随温度变化的材料 104

11.10 正交各向异性材料 106

11.11 定义正交各向异性材料 106

11.12 正交各向异性材料的方向矢量 107

11.13 辐射表面的性质 108

11.14 单元显示选项 108

11.15 将两个FE模型合并 108

第12章 后处理 110

12.1 概述 110

12.2 显示设置 110

12.3 设置计算范围 111

12.4 单元显示 111

12.5 设置数据范围 111

12.6 利用探针显示模型中特定点

的结果 112

12.7 数据评估 113

12.8 结果的动画显示 114

12.9 显示箭头图 114

12.10 结果的曲线图 115

12.11 选择要画曲线图的实体 115

12.12 创建图形文件 116

第13章 NX Master FEM 结果显示器 117

13.1 概述 117

13.2 创建显示 117

13.3 显示设置 118

13.4 选择结果 118

13.5 将结果写入电子数据表 119

13.6 色条 120

13.7 等值线、单元及箭头显示 121

13.8 显示模式 121

13.9 定义剖面 122

13.10 ISO光标显示 123

13.11 结果的动画显示 123

13.12 显示的优选项 124

13.13 打印结果 124

第14章 组和显示 126

14.1 概述 126

14.2 创建选项 126

14.3 选择想要的单元 126

14.4 显示选项 127

14.5 显示相邻实体 127

14.6 在组表中操作组 128

14.7 使用快速过滤器 128

14.8 选择组 129

14.9 使用布尔组 129

第2部分 TMG热分析篇 131

第15章 NX Master FEM TMG简介 131

15.1 概述 131

15.2 TMG任务栏 131

15.3 实体管理 132

15.4 基于实体绘制几何图形 133

15.5 通用的单元选择方法 134

15.6 与辐射相关的实体的单元选择 134

15.7 热传导建模 134

15.8 施加边界条件 135

15.9 热边界条件 135

15.10 热负荷边界条件 136

15.11 单元热流密度 136

15.12 对流和辐射边界条件 137

15.13 电压和电流边界条件 137

15.14 珀耳帖制冷器边界条件 138

15.15 恒温器 139

15.16 创建表格定义因变量 139

15.17 其他因变量边界条件 140

15.18 对流边界条件 141

15.19 辐射边界条件 141

15.20 模型的求解 141

15.21 检查结果 141

第16章 图元 143

16.1 概述 143

16.2 图元概览 143

16.3 创建图元 143

16.4 设置图元的位置 144

16.5 指定点和参数 145

16.6 合并点以模拟热传导 145

16.7 利用热耦合模拟热传导 146

16.8 利用Solid from Shell 技术为

图元划分网格 146

16.9 输入和输出图元 147

第17章 热耦合 148

17.1 概述 148

17.2 什么是热耦合 148

17.3 使用热耦合 148

17.4 理解热耦合 149

17.5 理解热耦合：主单元的选择 149

17.6 理解热耦合：特殊形状 150

17.7 理解热耦合：消除板内假导热 150

17.8 理解热耦合：网格尺寸 151

17.9 创建热耦合 151

17.10 热耦合的单元类型 152

17.11 热耦合类型 152

17.12 热耦合的性质 153

17.13 变化的热耦合 153

17.14 非几何单元 154

17.15 创建非几何单元 154

17.16 使用非几何单元 154

17.17 特殊的非几何单元 155

17.18 热耦合例1：粘接连结 155

17.19 热耦合例2：电路板插槽 155

17.20 热耦合例3：螺栓接口 156

17.21 热耦合例4：蜂窝结构板上

的多层辐射隔热 157

17.22 热耦合总结 158

第18章 热传导建模 159

18.1 概述 159

18.2 TMG热传导求解法 159

18.3 用CG法计算的温度结果 159

18.4 单元CG法的优点 160

18.5 单元CG和单元变形 160

18.6 多层壳单元 161

第19章 使用求解器 162

19.1 概述 162

19.2 TMG求解器概览 162

19.3 模拟设置 162

19.4 稳态分析的参数设置 164

19.5 使用稳态分析参数 164

19.6 瞬态分析的概念 165

19.7 瞬态分析的参数设置 165

19.8 使用瞬态分析参数 165

19.9 瞬态积分控制方法 167

19.10 周期性收敛 167

19.11 求解方法 167

19.12 Jacobi求解器选项 169

19.13 求解器高级选项 169

19.14 流动选项 170

19.15 初始条件 170

19.16 创建初始温度 171

19.17 使用再次计算控制 171

19.18 确定RCmin的技巧 172

19.19 瞬态分析总结 173

第20章 结果 174

20.1 概述 174

20.2 结果数据类型的选项 174

20.3 验证结果 175

20.4 生成单元或组报告 176

20.5 生成单元报告 176

20.6 生成组报告 176

20.7 结果报告器 177

第21章 辐射 179

21.1 概述 179

21.2 辐射概览 179

21.3 辐射建模 179

21.4 适用于辐射的单元类型 180

21.5 发射率和逆侧发射率 181

21.6 显示单元的正侧 182

21.7 选择用于辐射的单元 182

21.8 辐射理论简介 183

21.9 理解黑体视角系数 183

21.10 阴影检查 184

21.11 单元子划分 185

21.12 Hemicube算法 185

21.13 创建辐射模型 185

21.14 腔体 186

21.15 创建辐射请求 186

21.16 辐射请求类型 187

21.17 腔体辐射请求 187

21.18 封闭空间 188

21.19 简化辐射矩阵 189

21.20 检查辐射计算：视角系数的和 189

21.21 控制辐射计算的精度 190

21.22 误差判据 191

21.23 固定子划分 191

21.24 辐射传热 192

21.25 奥本海姆辐射算法 192

21.26 哥布哈特方法 193

21.27 创建逆侧实体 194

21.28 理解逆侧 194

21.29 单元辐射开关 195

21.30 阴影检测的技巧 196

21.31 辐射总结 196

第22章 已定义的辐射源和环境加热 197

22.1 概述 197

22.2 TMG辐射的两种形式 197

22.3 建立已定义的辐射源或环境

加热模型 198

22.4 辐射加热概念 198

22.5 创建辐射热源 199

22.6 白天太阳能加热的概念 199

22.7 创建白天太阳能加热 200

22.8 定义太阳辐射密度 200

22.9 定义其他作用 201

22.10 确定模型的朝向 201

22.11 定义恒定的太阳位置 203

22.12 定义变化的太阳矢量 203

22.13 光线跟踪 204

22.14 从辐射计算中取消单元 204

22.15 辐射加热总结 205

第23章 卫星及轨道分析 206

23.1 概述 206

23.2 轨道加热的概念 206

23.3 参考矢量 207

23.4 轨道术语 207

23.5 创建轨道 208

23.6 轨道类型选择 209

23.7 轨道类型定义 209

23.8 行星和太阳的特征 210

23.9 轨道参数 210

23.10 卫星的姿势 211

23.11 旋转和自旋卫星 211

23.12 计算位置 213

23.13 轨道显示 213

23.14 激活轨道 214

23.15 Orbit/ Attitude Modeling分析

的细节 214

23.16 机械运动效果建模 215

23.17 定义连接 215

23.18 连接参数 216

第24章 管道流动网路 217

24.1 概述 217

24.2 管道流动概览 217

24.3 理解管道流动 217

24.4 为管道流动建模创建曲线 218

24.5 创建梁截面 219

24.6 为管道流动网路创建梁单元网格 219

24.7 风扇/泵实体 220

24.8 进/出口实体 221

24.9 管道性质 222

24.10 压头损失替代 222

24.11 管道摩擦 223

24.12 流动截面替代 223

24.13 锥形过渡段 223

24.14 对边界层影响建模 224

24.15 流体网络基础 224

24.16 管道单元 225

24.17 选择流动模型的结果 225

24.18 流动模型的求解器选项 225

24.19 检查流动模型的结果 226

24.20 闭循环建模技巧 227

24.21 多种流体建模技巧 227

第25章 对流 228

25.1 概述 228

25.2 流体网络概览 228

25.3 受迫对流 228

25.4 创建受迫对流耦合 229

25.5 受迫对流耦合细节 229

25.6 自然对流 230

25.7 创建自然对流耦合 231

25.8 自然对流耦合的细节 231

25.9 环境条件 232

25.10 流体网络/对流总结 232

第26章 NX Master FEM边界条件任务：

数据边和数据面 234

26.1 概述 234

26.2 使用边界条件任务 234

26.3 传热边界条件概览 234

26.4 边界条件任务与TMG边界条件 236

26.5 定义传热边界条件 236

26.6 传热边界条件一览表 237

26.7 创建基于几何图形的边界条件 237

26.8 创建辐射边界条件 237

26.9 创建其他边界条件 238

26.10 创建边界条件集 239

26.11 理解边界条件集 239

26.12 在TMG热分析中使用边界

条件集 240

26.13 什么是数据实体 241

26.14 数据实体的图形显示 241

26.15 用函数创建数据边 242

26.16 用数据边定义边上的变量负荷 242

26.17 用函数定义数据面 243

26.18 用函数创建数据面 244

26.19 用结果集创建数据面 244

26.20 用数据面定义面上的变量负荷 245

26.21 按比例绘负荷图 245

26.22 修改数据边 246

26.23 修改数据面 246

26.24 在线指南：使用数据边和数

据面 247

26.25 节省时间的特殊技巧 248

第3部分 电子系统冷却（ESC）篇 249

第27章 NX Master FEM ESC简介 249

27.1 概述 249

27.2 ESC任务 249

27.3 ESC边界条件概览 250

27.4 定义边界条件 251

27.5 流动边界条件的网格划分 252

27.6 ESC实体管理 252

第28章 流动建模 254

28.1 概述 254

28.2 流体流动与热传导/辐射建模 254

28.3 流动表面 255

28.4 使用流动表面为对流换热建模 255

28.5 为流动表面定义表面性质 255

28.6 理解表面对流性质 256

28.7 创建流动表面 257

28.8 流动表面例1：PC主板 258

28.9 流动表面例2：实体零件的对流 258

28.10 流动表面例3：自旋和平移

壁面 259

28.11 为流体流动创建网格 259

28.12 流体网格的大小 260

28.13 壳单元网格与流体网格的匹配 260

28.14 在流动表面周围进行网格划分 261

28.15 非平面流动表面 261

28.16 流体区域的网格划分技术 261

28.17 自由网格划分概览 263

28.18 映射网格划分概览 263

28.19 投影和拉伸网格划分概览 264

28.20 连接流体网格 264

28.21 节省时间的特殊技巧 266

第29章 流动边界条件 267

29.1 概述 267

29.2 创建外部风扇和通风孔 267

29.3 创建内部风扇 268

29.4 创建循环风扇 268

29.5 风扇漩涡效应模拟 269

29.6 为风扇或通风孔的百叶窗建模 270

29.7 施加在风扇和通风孔上的其他

边界条件 271

29.8 在风扇目录中选择风扇 271

29.9 定义风扇曲线 272

29.10 将风扇曲线用作边界条件 273

29.11 对内部屏建模 273

29.12 创建流动的体积障碍物 274

29.13 流动障碍物周围的流体网格

划分 275

29.14 对称建模 275

29.15 设置环境条件 276

29.16 模拟自然对流 277

第30章 热建模 278

30.1 概述 278

30.2 为模拟热传导创建网格 278

30.3 用三维单元对实体零件建模 279

30.4 用二维和一维单元对零件建模 279

30.5 热传导网格划分技巧 279

30.6 门铰链单元 280

30.7 创建热边界条件 281

30.8 使用低维单元施加边界条件 281

30.9 从腔体箱的传热 282

30.10 电压和电流边界条件 283

30.11 珀耳帖致冷器边界条件 283

30.12 数据制表 284

30.13 热耦合 285

第31章 结果生成和后处理 286

31.1 概述 286

31.2 生成结果 286

31.3 结果的类型 287

31.4 单元和节点上的热数据 288

31.5 节点上的流体数据 289

31.6 守恒和修正的流动结果 289

31.7 显示等值线图 290

31.8 设置数据范围 290

31.9 使用探针显示模型结果 290

31.10 使用探针显示模型数据 291

31.11 显示单元判据图 292

31.12 理解箭头选项 292

31.13 设置计算区域 292

31.14 使用Keep Previous 293

31.15 显示矢量路径 294

31.16 创建矢量路径 294

31.17 结果的动画显示 294

31.18 保存图 296

31.19 节省时间的技巧 296

第32章 辅助网格划分技术 300

32.1 概述 300

32.2 辅助网格划分技术概览 300

32.3 设置工作平面 301

32.4 创建节点 301

32.5 复制节点 301

32.6 手动创建单元 302

32.7 修改单元属性 303

32.8 实体单元的表面覆盖 303

32.9 定义材料的方向性 303

第33章 模型求解 305

33.1 概述 305

33.2 求解过程概览 305

33.3 设置求解器控制 306

33.4 设置流动求解器选项 307

33.5 选择流动求解器的时间步长 307

33.6 选择粘性模型 308

33.7 设置热求解器选项 308

33.8 设置耦合收敛选项 308

33.9 顺序求解和并行求解 309

33.10 求解器高级选项 310

33.11 指定运行目录 310

33.12 设置初始条件 311

33.13 再次求解 312

33.14 在批处理模式下运行求解器 312

33.15 使用求解监视器 313

33.16 监视流动求解的收敛 313

33.17 监视耦合收敛 314

33.18 监视求解状态 314

33.19 监视风扇的收敛 316

33.20 终止和暂停求解器 316

33.21 理解模型总结信息 317

33.22 理解流动求解器信息 318

33.23 理解热求解器信息 318

33.24 理解求解总结信息 319

33.25 查看信息和收敛图 320

第34章 高级主题 321

34.1 概述 321

34.2 旋转参照系 321

34.3 周期性边界条件 322

34.4 湍流建模 322

34.5 FTV湍流模型 323

34.6 混合长度模型 323

34.7 K-E湍流模型 324

34.8 设置粘性模型的长度尺度 324

34.9 设置L和V尺度 325

34.10 为K-E湍流模型选择入口

湍流尺度 325

34.11 选择自然对流的物理时间步长 326

34.12 封闭箱体内的自然对流问题 327

34.13 设置松弛因子 327

34.14 设置平流求解格式 328

34.15 其他信息来源 329

第35章 瞬态分析 330

35.1 概述 330

35.2 定义瞬态分析的材料性质 330

35.3 瞬态分析的概念 331

35.4 瞬态边界条件 331

35.5 瞬态分析求解器控制 332

35.6 流动求解器的瞬态和稳态选项 333

35.7 流动求解器的瞬态选项 333

35.8 流动求解器的瞬态选项：时间

步长 334

35.9 流动求解器的瞬态选项：结果

输出 334

35.10 热求解器的瞬态选项 335

35.11 再次计算 335

35.12 初始条件 337

35.13 随时间变化的环境条件 338

35.14 风扇关闭 338

35.15 安全孔 339

第36章 常见问题及其解决 341

36.1 概述 341

36.2 从简单着手 341

36.3 使用模型检查 341

36.4 使用参考实体 342

36.5 检查单元属性 342

36.6 检查网格质量 343

36.7 检查单元法线的一致性 343

36.8 显示ESC边界条件 343

36.9 删除与边界条件相关的单元 344

36.10 检查流动表面周围的网格 345

36.11 创建处理过的流动模型 345

36.12 注意非物理情况的出现 346

36.13 检查质量、动量和能量守恒 346

NX Master FEM的热分析模块TMG和ESC可用于解决复杂传热问题。本书首先介绍NX Master FEM基本功能的使用和有限元分析的过程和手段；其次介绍TMG模块，TMG模块使用先进的有限差分技术对热模型进行高效数值求解，可模拟非线性和瞬态问题、辐射和传导、流体流动、相变和自然对流、受迫对流、卫星轨道和太阳加热、发动机本体的导热、轨道卫星的传导和辐射、带翅片的散热器的对流冷却、半导体材料的辐射加热和熔解及其他问题；最后介绍ESC模块，它是为模拟电子系统中三维空气流动和传热行为而设计的，可模拟单独元件、多芯片模块、散热片、PC主板、完整的电子系统。ESC结合了强大的CFD和先进的热求解技术。本书适用于热工、航空航天及电子系统设计专业的本科生、研究生及从事相关专业的工程师和研究人员。