NX Advanced Simulation. Инженерный анализ

NX Advanced Simulation.
Инженерный анализ

Москва, 2023

Гончаров П. С., Артамонов И. А.,
Халитов Т. Ф., Денисихин С. В., Сотник Д. Е.

2-е издание, электронное

УДК
[62-112+624.01]:004.9NX Advanced Simulation
ББК
30.4с515
Г65

Г65
Гончаров, П. С.
NX Advanced Simulation. Инженерный анализ / П. С. Гончаров, И. А. Артамонов, 
Т. Ф. Халитов, С. В. Денисихин и др. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 505 с. — Москва : ДМК 
Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; 
экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-508-4
Книга будет интересна инженерам-конструкторам, которые работают с NX и хотят воспользоваться 
приложениями для инженерного анализа, и профессиональным инженерам-расчетчикам, 
использующим другие решения и желающим познакомиться с системой NX Advanced Simulation, 
а также сегодняшним пользователям системы, заинтересованным в повышении своей квалификации.

Книга сопровождается большим количеством примеров. Все модели, рассмотренные в книге, 
вы сможете найти на корпоративном сайте компании Siemens PLM Software по следующей 
ссылке: www.siemens.com/plm/ru/cae.

УДК [62-112+624.01]:004.9NX Advanced Simulation 
ББК 30.4с515

Электронное издание на основе печатного издания: NX Advanced Simulation. Инженерный анализ / П. С. Гончаров, 
И. А. Артамонов, Т. Ф. Халитов, С. В. Денисихин и др. — Москва : ДМК Пресс, 2012. — 504 с. — ISBN 978-5-
94074-841-0. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими 
бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических ошибок все 
равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В 
связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских 
прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-508-4
©  © Общество с ограниченной ответственностью 
«Сименс Индастри Софтвер», 2012
©  Оформление, Общество с ограниченной 
ответственностью «Сименс Индастри 
Софтвер», 2012
© Издание, ДМК Пресс, 2012

Посвящается Штеффену Бухвальду –
 учителю, партнеру и близкому человеку

Каждая книга, посвященная программе инженерного анализа (CAE), – это событие. 
Каждая книга, посвященная CAЕ, – это всегда титанический труд авторов: необходимо описывать 
тысячи функций сотен инструментов и десятки задач, где эти инструменты можно 
применять. Известно, что какой бы хороший и универсальный инструмент не попал к вам 
в руки, если к этому инструменту не прилагается понятная пошаговая инструкция, то инструмент 
становится практически бесполезным.
Мы уверены, что эта книга сможет вдохновить множество профессионалов – инженеров-
исследователей, прочнистов, аэродинамиков и многих-многих других – к освоению 
того богатейшего инструментария, который предоставляет нам пре/постпроцессор NX 
Advanced Simulation.

ОАО «Корпорация «ИРКУТ»
Хазин Л. М.,
Яшутин А. Г.,
отделение прочности КБ ИЦ 

Книга посвящена обзору возможностей системы NX в области автоматизации процессов 
инженерного анализа. Основное достоинство материала заключается в том, что в рамках 
одной книги авторам удалось подробно и последовательно описать процесс исследования 
сложных физических процессов: от выбора математического описания явления и подготовки 
вычислительной модели для расчета до анализа результатов. Краткое описание математических 
моделей физических явлений, а также используемых численных методов решения 
задач позволит читателям грамотно использовать инструменты системы NX в своей 
деятельности. Приведенные примеры решения задач из различных областей знаний удачно 
дополняют материал. Книга будет интересна студентам, аспирантам и специалистам по 
инженерному анализу.

ОАО «Новосибирское авиационное 
производственное объединение им. В. П. Чкалова» 
Слюняев А. Ю., 
кандидат физико-математических наук, 
начальник отдела внедрения САПР

NX Advanced Simulation является мощным инструментом, позволяющим решать широкий 
класс САЕ-задач. До издания этой книги процесс освоения NX Advanced Simulation 
осложнялся отсутствием специализированной литературы, которая могла бы облегчить 
первые шаги знакомства с САЕ-системой. Представленные в книге материалы позволяют 
специалистам самостоятельно изучать технические возможности модуля NX Advanced 
Simulation и начать применять его на практике, принося коммерческую пользу предприятиям, 
его использующим. Отдельно следует отметить, что в книге, в отличие от других 
подобных изданий, помимо технических возможностей описываются также методические 
подходы, применяемые в процессе моделирования, что является очень важной составляющей 
образования хорошего специалиста.

ООО «Сименс», Корпоративные Технологии 
Шевченко Д. В., 
эксперт-исследователь 

В книге достаточно подробно рассмотрены вопросы проведения инженерного анализа 
в приложении NX Advanced Simulation. Книга состоит из двух частей. В первой части 
рассмотрены общие вопросы, инструментарий, краткие теоретические сведения по проведению 
инженерного анализа в модуле NX Nastran. Приведены наглядные примеры применения 
команд и методика построения сеток, наложения ограничений, задания нагрузок, 
анализа результатов расчетов. Во второй части книги рассмотрены примеры различных 
видов анализа: модальный, тепловой, устойчивость и т. д.
Хочется отметить доступность изложения материала, многочисленные практические 
примеры использования приложения NX Advanced Simulation. Это первая в России подобная 
работа, посвященная современным численным методам инженерного анализа.

Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова 
Ельцов М. Ю., 
профессор кафедры механического оборудования

Книга содержит рекомендации и детальное описание подхода к созданию математических 
моделей на базе CAD данных (геометрии, полученной от конструктора) как для твердотельных 
деталей, так и деталей из листового металла. Несомненно, книга будет интересна 
как начинающему инженеру, так и опытному специалисту.
Представлены все аспекты разработки и моделирования конструкций от самых простых 
деталей, подверженных действию типовых нагрузок, до сложнейших сборок с мультидис-
циплинарным анализом. Изложены все современные технологии, применяемые высококвалифицированными 
инженерами во всем мире для анализа поведения конструкции и 
оценки ее характеристик в кратчайшие сроки.

Санкт-Петербургский политехнический университет
Михайлов А. А., 
начальник отдела лицензионного программного обеспечения 
НИИ материалов и технологий

Предисловие

6

Предисловие

Вы держите в руках первую книгу на русском языке, адресованную пользователям системы 
численного анализа NX Advanced Simulation. NX Advanced Simulation является полнофункцио-
нальной программной системой для выполнения мультифизичных расчетов инженерами различных 
специализаций – специалистами в области прочности и динамики, специалистами по 
анализу аэродинамических характеристик, внутренних и внешних течений жидкостей и газов, 
по анализу систем охлаждения, инженерами-экспериментаторами. Следует воспринимать данную 
книгу как практическое пособие, основанное на примерах и задачах, которое может пригодиться 
в повседневной работе как специалистам узкого профиля, так и тем, кто не использует 
NX Advanced Simulation в повседневной работе, но применяет систему NX для проектирования.

Использование численных методов при проектировании различных конструкций и машин 
продиктовано необходимостью постоянного повышения качества и надежности изделий, а также 
возможностью применения новых конструкционных материалов, если учитывать сложные 
усло вия работы современных изделий. Максимальный эффект от использования технологий 
численного инженерного анализа (CAE, Computer-Aided Engineering) достигается при их использовании, 
начиная с самых ранних стадий проектирования. При этом снижаются стоимость изделия, 
вероятность возникновения рисков и срок выпуска изделия на рынок. Исследования поведения 
конструкций можно также проводить и с помощью экспериментального подхода. Этот 
способ позволяет оценивать поведение конструкции при воздействии на нее различных внешних 
факторов. Однако он является дорогостоящим, требует больших временных затрат, а иногда 
и вовсе не может быть применим. Сегодня в процессе разработки высокотехнологичной конкурентоспособной 
продукции ведущие фирмы мира используют конечно-элементное (КЭ) моделирование, 
частично заменяя дорогостоящий натурный эксперимент более дешевым и рациональным 
вычислительным экспериментом. Ведь современный уровень компьютерной техники 
позволяет решать сложные задачи на мощных рабочих станциях и кластерах достаточно быстро. 
Важно также отметить, что при проведении реальных экспериментов, как правило, информацию 
можно получать лишь в десятках или сотнях точек. При численном моделировании таких точек 
может быть несколько сотен тысяч, а при необходимости – и больше.

Основная аудитория, к которой обращена данная книга, – это инженеры, конструкторы и расчетчики, 
которые открывают для себя систему численного инженерного анализа, а также те из 
них, кто хочет расширить свои знания и навыки применения NX Advanced Simulation. 

Книга состоит из двух частей. Первая часть посвящена описанию основных средств и инструментов 
для подготовки расчетной модели и анализа полученных результатов. Во второй части 
более подробно рассматриваются особенности выполнения основных видов инженерных анализов 
и практические примеры. Для знакомства с системой NX Advanced Simulation можно прочитать 
и первую, и вторую части книги. А для получения навыков решения частных прикладных 
задач можно сосредоточиться на второй части.

В первой главе описываются основные приемы работы с NX Advanced Simulation, приводится 
описание структуры расчетной модели и даются рекомендации по последовательностям действий 
при проведении расчетов. Также описываются основные типы расчетов, доступные в NX 
Advanced Simulation, и излагаются основы метода конечных элементов.

Предисловие

7

Вторая глава посвящена основным командам и приемам при проведении упрощения и изменения 
исходной геометрической модели с целью создания качественной расчетной модели. 
По дробно описываются команды синхронного моделирования в применении к расчетным моделям 
и другие команды идеализации.

Третья глава содержит описание команд и рекомендаций по подготовке конечно-элементных 
моделей с использованием различных типов конечных элементов. Детально рассматриваются 
инструменты редактирования полигональной геометрии, основные способы создания конечно-
элементной сетки, операции с элементами и узлами, приемы подготовки конечно-элементных 
моделей сборок. Также рассматриваются команды назначения физических свойств конструкциям, 
создания и хранения свойств материалов в библиотеке.

Типы нагрузок и ограничений на степени свободы, а также способы их приложения излагаются 
в четвертой главе.

В пятой главе подробно рассматриваются вопросы представления полученных результатов 
в пост процессоре. Наряду с контурными диаграммами также затрагиваются особенности создания 
графиков, анимированных диаграмм и представления результатов расчета в виде табличных 
данных.

Шестая глава первой части посвящена особенностям создания численных моделей изделий 
из композитных материалов. Здесь делается акцент на особенностях, которые необходимо учитывать 
при расчете композитных конструкций как в процессе разработки расчетной модели, так 
и при обработке результатов.

Основные типы расчетов конструкций описаны во второй части книги. Первая глава содержит 
описание и параметры при анализе поведения конструкций в рамках теории упругости, а также 
описание оптимизационного анализа. Анализ линейной и нелинейной потерь устойчивости 
разбирается во второй главе. Основы динамического анализа и его проведение в NX Advanced 
Simulation приводятся в третьей главе. Обзор основных типов нелинейностей, а также особенности 
их учета при решении статических и динамических задач приводятся в четвертой главе. 
Пятая глава содержит описание постановки и решения задачи комплексного теплообмена. Задачи 
вычислительной гидрогазодинамики, их постановка и решение описываются в шестой главе 
второй части.

Книга сопровождается большим количеством примеров. Все модели, рассмотренные в книге, 
вы сможете найти на корпоративном сайте компании Siemens PLM Software по следующей 
ссылке: www.siemens.com/plm/ru/cae.

Прежде чем начинать практическое изучение системы, скопируйте учебные файлы на жесткий 
диск вашего компьютера. 

Исторические корни NX Advanced Simulation

Основным решателем в NX Advanced Simulation является зарекомендовавший себя в течение 
многих лет конечно-элементный решатель Nastran. Nastran – это одна из первых вычислительных 
систем в мире. Происхождение Nastran (NASA STRuctural ANalysis) уходит корнями в середину 
прошлого столетия (1965 год), тогда как выпуск первой коммерческой версии кода решателя 

Предисловие

8

произошел в 1972 году. В 2003 году исходные коды, а также все интеллектуальные наработки по 
системе Nastran были приобретены компанией Siemens PLM Software. Таким образом, с 2003 года 
на рынке появилось решение NX Nastran. За последние годы компании Siemens PLM Software 
удалось существенно усовершенствовать и расширить NX Nastran.

Кроме решателя Nastran, в основу NX Advanced Simulation легли и другие решения численного 
анализа. Это решения I-Deas Master FEM, I-Deas Laminate Composites и I-Deas Advanced 
Durability, разрабатываемые с 1967 года компанией SDRC и принадлежащие на сегодняшний 
день компании Siemens PLM Software. Кроме того, это модули для анализа тепломассоперено-
са, с 1983 го да разрабатываемые компанией Maya Heat Transfer Technologies и впоследствии 
вошедшие в портфель решений Siemens PLM Software как NX Flow/Advanced Flow, NX Thermal/
Advanced Thermal, NX Space System Thermal, NX Electronic System Cooling. В 2011 году появилось 
решение NX Topology Optimization, в основу которого заложены алгоритмы Tosca, разработанные 
компанией FE Design. Технологии Adina легли в основу NX Nastran Advanced Nonlinear – модуля 
для анализа сложных статических и динамических нелинейных процессов. Компания Adina R&D 
была основана в 1986 году профессором Массачусетского технологического университета M.I.T. 
доктором K. J. Bathe. 

Таким образом, портфель САЕ-решений Siemens PLM Software объединил в себе большое 
коли чество современных, лучших в своем классе технологий, таких как технологии Nastran, 
Adina R&D, I-Deas CAE, Maya HTT, Tosca, Recurdyne. Из всех возможностей этих технологий компания 
Siemens PLM Software выделила лучшие для решения каждого класса задач, объединила 
их в едином решении и продолжает развивать и улучшать для анализа прикладных задач любой 
сложности. 

Глава 1. Начало работы с NX Advanced Simulation

Часть I. Современные 
инструменты инженерного 
анализа в NX CAE

Глава 1. Начало работы 
с NX Advanced Simulation

В этой главе содержится описание основных приемов и этапов выполнения численного инженерного 
анализа с использованием САЕ-системы NX Advanced Simulation. Данная глава позволит 
получить ответы на первые практические вопросы, которые возникают при работе с приложением. 
Кроме того, пользователь может ознакомиться с методом конечных элементов для задач 
динамики и прочности машин и конструкций. 

1.1. Процесс инженерного анализа в NX Advanced Simulation

Обычно для предварительной оценки прочности/работоспособности конструкции инженер-
конструктор применяет инженерные подходы, основанные на представлении конструкции в 
виде простых узлов и элементов, для которых существуют аналитические оценки поиска напряженно-
деформированного состояния. К таким оценкам можно отнести использование простейших 
формул для поиска напряжений в балках при их растяжении, изгибе или кручении, поиска 
относительного удлинения, моментов инерции, сил реакции и др. Инженер-конструктор вынужден 
работать с большим количеством специализированной литературы для поиска необходимых 
выражений и законов. Данные подходы имеют существенные ограничения при их применении 
к реальным сложным конструкциям и используются все меньше и меньше в современных высокотехнологичных 
производствах и конструкторских бюро. При использовании систем численного 
анализа инженер получает возможность моделировать конструкции и машины любой 
сложности с любой необходимой (рациональной) степенью детализации. У него появляется инструмент 
для анализа реального распределения напряжений и деформаций в конструкции. NX 
Advanced Simulation на базе промышленного решателя NX Nastran (и других решателей компании 
Siemens PLM Software) дает инженеру возможность работать с различными приложениями, 
оставаясь в единой среде проектирования NX. Причем масштабируемость модуля NX Advanced 
Simulation (NX Расширенная симуляция) позволяет решать как простые, так и самые сложные 
задачи из различных областей механики деформируемого твердого тела, механики жидкостей и 
газов, механики теплопереноса и др.

Основные шаги при выполнении инженерного анализа с помощью метода конечных элементов (
рисунок 1.1) – это: 

Часть I. Современные инструменты инженерного анализа в NX CAE

10

 •
создание идеализированной модели i-part. Этот этап соответствует переходу от реальной 
физической модели к измененной (упрощенной) математической модели. Очевидно, что 
математические модели имеют бесконечное число степеней свободы, что влечет за собой 
практическую нереализуемость решения поставленной задачи для сложной модели;
 •
создание дискретной модели FEM, что соответствует ограничению числа степеней свободы, 
то есть происходит дискретизация идеализированной модели;
 •
решение системы разрешающих уравнений, которые соответствуют выбранному типу 
анализа.

Рисунок 1.1. Схема выполнения инженерного анализа

Необходимо учитывать, что решение задачи численными методами не может являться абсолютно 
точным – каждый этап численного моделирования вносит определенную погрешность 
в результат расчета. Для минимизации погрешности расчета инженер должен уделять особое 
внимание двум этапам: идеализации и дискретизации. На этапе идеализации осуществляется 
переход к математической модели, что может внести существенную погрешность или даже кардинальную 
ошибку в результат. В свою очередь, на этапе дискретизации необходимо проверять 
сходимость численного решения. Под сходимостью понимается стремление результата численного 
решения к верному при увеличении числа степеней свободы. 

Кроме этого, занимаясь численным моделированием, необходимо помнить, что КЭ анализ – 
это всегда баланс опыта самого инженера, требуемой точности результата, мощности вычислительной 
техники, времени расчета, времени разработки расчетной модели. Обычно более детализированные 
и хорошо дискретизированные расчетные модели дают более точный результат, 
но требуют больше времени как на расчет, так и на подготовку. В свою очередь, качество и время 
подготовки расчетной модели могут напрямую влиять на снижение времени расчета. А опыт и 
знания инженера как основной определяющий фактор могут уравновесить и помочь достичь 
баланса при решении реальных задач.

1.2. Возможности модуля NX Advanced Simulation

NX Advanced Simulation – это многофункциональный модуль конечно-элементного моделирования 
с широкими возможностями визуализации результатов моделирования конструкций и их