2上午幾何有限元建模

1、2維板殼單元建模1飛機翼肋2飛機翼肋 本例中討論的主題: PATRAN 2D 幾何模型 2D 幾何模型劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分 NASTRAN 板單元和殼單元的定義 導入 CAD 幾何模型 2D 實體模型中位面提取 載荷和約束 2D分析結(jié)果顯示3案例分析:飛機翼肋問題描述進行一個翼肋的分析,這是一個輕型飛機機翼的一部分。 機翼翼肋與機翼的前后墻和機翼蒙皮連接。 在此特殊載荷條件中,力情況。翼肋承受剪切力,查看在重量減輕孔周圍的應(yīng):Wing Rib4Front SparRear Spar案例分析: 飛機翼肋 翼肋 我們通過做下面假定來簡化分析, 假定前墻給翼肋提供剪切力,后墻被有效地固定住。 載荷由評估

2、的氣動載荷和慣性載荷決定。 幾何模型通過忽略翼肋邊緣的曲率變形而做了簡化。5案例分析:飛機翼肋Xt=0 063”Loading60 lbf/inFullyFixedCenterlineR=5”R=4”R=3”18”22”X10”20”31”40”7075 T73 AluminumE = 10.0 x 106 lb/in2n = 0.336案例分析:飛機翼肋 分析目標 確定在剪切載荷下翼肋的載荷水平。最大應(yīng)力必須小于材料的屈服應(yīng)力。 確定翼肋最大垂直位移。氣動彈性學要求最大垂直位移不應(yīng)超過0.100inch7創(chuàng)建幾何模型 簡單的PATRAN 曲面(綠色) 曲面是兩個參變量的廣義向量函數(shù) 曲面具有

3、以下特性: 一系列邊界曲線 一個參數(shù)原點和兩個參變量( 2) 曲面可以具有與曲線相同的曲率 顯示線可以用來顯示內(nèi)部曲率1和8創(chuàng)建幾何模型 簡單曲面(綠色)具有3或者4個邊 具有3個邊的簡單曲面其中一個邊了 簡單曲面可以使用Iso網(wǎng)格劃分器(Mapped) 或者Paver格網(wǎng)格劃分器劃分網(wǎng)Simple SurfaceIsoMesh (mapped mesh)ElementsGeometry9創(chuàng)建幾何模型 一般曲面(紫紅色)具有多于4個的邊, 或具有內(nèi)部邊界(孔) 也稱為修整曲面 一般曲面只能使用Paver網(wǎng)格劃分器劃分網(wǎng)格 一般曲面可隨意地分割成一些簡單曲面,網(wǎng)格從而可以使用ISO網(wǎng)格劃分器劃分

4、General (Trimmed) SurfacePaver MeshElementsGeometry10創(chuàng)建幾何模型幾何面板11為翼肋的上部的半塊板創(chuàng)建4個點創(chuàng)建幾何模型使用點創(chuàng)建4條直線12創(chuàng)建幾何模型在三個cutouts處創(chuàng)建點.13創(chuàng)建幾何模型使用2D ArcAngles創(chuàng)建 180 度的曲線.14創(chuàng)建幾何模型創(chuàng)建其他的曲線15創(chuàng)建幾何模型在中心線4 與第一個剪切孔相交的地方，打斷中心線416創(chuàng)建幾何模型Repeat this for all the segments along the centerline17創(chuàng)建幾何模型沿著半個翼板連接所有的元素創(chuàng)建一個 curve 2018創(chuàng)建幾

5、何模型設(shè)置curve 20 為外邊界曲線，19創(chuàng)建裁剪曲面。創(chuàng)建幾何模型The Trimmed Surface is drawn in Magenta and the hatching is at an angle as we20have visualization linesswitched on創(chuàng)建幾何模型The Mirror reflection Plane is set up using: Coord 0.2 Coordinate System 0Th y=21 Direction 2 (the y axis)e Offset is 0.0 so the Plane lies on 0

6、.0Reverse the new surface so that subsequent meshing keeps consistent orientation具有減輕孔的翼肋We now have two complex(22Magenta) surfaces.具有減輕孔的翼肋網(wǎng)格劃分菜單在兩個面上使用Paver劃分網(wǎng)格單元使用Quad4類型全局邊長設(shè)為1 inch23具有減輕孔的翼肋24對所有情況，全局邊長1 都占優(yōu)具有減輕孔的翼肋Equivalencing 之前的自由邊25具有減輕孔的翼肋EquivalenceObject: All26具有減輕孔的翼肋27Equivalencing后的

7、自由邊具有減輕孔的翼肋 Paver 網(wǎng)格劃分器 用于所有曲面 剪切曲面 (紫紅色) 簡單面(綠色) 當劃分曲面網(wǎng)格時, Paver由邊開始逐漸向內(nèi)擴展 增加 Paver能夠識別硬點，以及關(guān)聯(lián)于面上的曲線28具有減輕孔的翼肋 翼肋減輕孔模型 對于遠離應(yīng)力集中的區(qū)域，全度很好 孔周圍網(wǎng)格密度很小，并且網(wǎng)格帶很?。ú牧蠋顓^(qū)域） 增加 Use Mesh on Mesh with hard bars and Washerparameteraround Holesmesh 沿孔周圍可以使用hardbars和washer用meshonmesh的方法劃分網(wǎng)格。29具有減輕孔的翼肋：單元在孔周圍獲得更好的單元

8、形狀: Mesh on Mesh 方法 Washers Hard Bars Geometry 方法 在surface上怎講硬線然后meshOR 使用curve打斷surface然后meshNote: Breaking surface method will not be shown.30具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH31具有減輕孔的翼肋：MESHONMESHUse the Mesh Parameter: Washers around Holes32具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH返回Geometry創(chuàng)建同心曲線網(wǎng)格.33具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH通過定偏移量0.5 偏

9、移頂部邊界右邊的孔把重復(fù)數(shù)量改為 234具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH通過定偏移量0.5 偏移底部邊界右邊的孔把重復(fù)數(shù)量改為 2點擊Reverse Direction 保證曲線創(chuàng)建在孔的外部35具有減輕孔的翼肋：MESHONMESHseed.單元總數(shù)量:Middle curve = 13 top, 13 bottom Right curve = 16 top, 16 bottom36在所有的同心曲線上創(chuàng)建mesh具有減輕孔的翼肋：MESHONMESHMesh the curves37具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH對右邊和中間的孔使用Hard Bars進行Mesh on Mesh

10、通過框選hard bars.框選2D elements.38具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH使用hard bars網(wǎng)格質(zhì)量有了很大，但是我們還希望能夠獲得更規(guī)則39的單元排列具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH把 mesh on mesh時用到的beam單元刪除.使用 Beam Element 過濾選擇40具有減輕孔的翼肋：MESHONMESH把mesh on mesh 后得到的新單元與所有surfaces進行關(guān)聯(lián)。41具有減輕孔的翼肋42具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES點擊 Draw DirectionVector返回Geometry 創(chuàng)建同心曲點擊 Reverse

11、Direction 選擇相反的徑向方向.線進行網(wǎng)格.注意：方向向量可能顯示在半圓的端點.43具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES通過定偏移量0.5 偏移頂部邊界右邊的孔把重復(fù)數(shù)量改為 244具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES通過定偏移量0.5 偏移底部邊界右邊的孔把重復(fù)數(shù)量改為 2點擊Reverse Direction 保證曲線創(chuàng)建在孔的外部45具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES把curves與合適的surface進行關(guān)聯(lián)，頂部的curves與surface 1，底部的curves與surface 2進行關(guān)聯(lián)。46具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECU

12、RVES在所有curves上創(chuàng)建mesh seed.單元總數(shù):Left hole= 10 top, 10 bottomMiddle hole= 13 top, 13 bottomRight hole= 16 top, 16 bottom47具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES對surface進行mesh.使用Paver 方法選擇兩個surfaces Use a value of 1”刪除已存在的網(wǎng)格48具有減輕孔的翼肋:ASSOCIATECURVES49PAVER網(wǎng)格劃分器 對于Paver網(wǎng)格劃分器, 每個邊的單元個數(shù)基于以下條件: Mesh Seeds 拓撲相關(guān)的區(qū)域的網(wǎng)格劃分

13、沿邊界的單元偶數(shù) 全局邊長50PAVERIsoMesher比較網(wǎng)格劃分器 Paver和51IsoMeshPaverHigh Degree of User-ControlLimited User-ControlSelection of smoothing algorithms“Pac Man” AlgorithmSurface must be 3 or 4 sidedAny SurfaceIf not, must decomposeCan mesh arbitrary n-sided surfacesWill not mesh to interiorhard geometryCan mesh t

14、o interior hardgeometryMixed-element mesh can be generated by both algorithms (Quad/Tri)Both methods will match adjacent mesh具有減輕孔的翼肋 完成翼肋的建模 創(chuàng)建材料屬性 創(chuàng)建物理屬性 施加載荷和邊界條件 分析52創(chuàng)建材料屬性 創(chuàng)建材料屬性 設(shè)計者選用了鋁7075-T73 材料屬性為:作為結(jié)構(gòu)材料. E = 10 x 106 n = 0.33 屈服強度= 50 抗剪強度= 65psiksiksi 屬性輸入?yún)⒄罩袄}.53創(chuàng)建材料屬性屬性面板創(chuàng)建一個具有線彈性和失效的各

15、向同性的材料本構(gòu)模型參照之前的數(shù)據(jù)填寫54創(chuàng)建單元屬性 創(chuàng)建單元物理屬性 在此我們使用薄殼單元類型。這是PATRAN “quad4”單元類型的一個具體應(yīng)用 通過在單元屬性菜單上選擇薄殼單元定義這種單元 然后定義相關(guān)的物理屬性: 厚度-.063in55創(chuàng)建單元屬性屬性菜單創(chuàng)建一個2D 殼單元屬性,命名為rib_web連接材料輸入厚度應(yīng)用到兩個曲面56創(chuàng)建單元屬性 問題: 為什么要在曲面上使用單元物理屬性?答: 這樣作使得物理屬性與曲面相關(guān),即任何通過曲面網(wǎng)格劃分生成的單元都具有這個物理屬性 如果重新對曲面劃分網(wǎng)格,產(chǎn)生的新的單元將自動具有這種物理屬性.57二維單元 現(xiàn)在我們創(chuàng)建了quad4單元。

16、PATRAN的通稱,它包括: 薄殼單元(此例中采用) 彎曲板單元 2D 實體單元 膜單元 剪切板單元的quad4單元是具有四個節(jié)點的單元 在創(chuàng)建單元物理屬性時指定單元類型58二維單元 二維單元一覽59二維單元很小,而另外兩個方向 板是指一個方向 薄板是指厚度 對于線性分析,很大的結(jié)構(gòu)單元與其它兩個相比非常小(大概1/15)的結(jié)構(gòu)單元MSC.Nastran板單元采用經(jīng)典的薄板行為假定: 與厚度相比,中面變形很小 彎曲過程中,中面沒有應(yīng)變(中性)。(應(yīng)用于橫向載荷,對面內(nèi)載荷不適用) 彎曲過程中,中面的法線保持為中面的法線不變60二維單元 板和殼單元(除了CQUADR和CTRIAR以外)在轉(zhuǎn)動法向

17、自由度上沒有剛度. CQUADR和CTRIAR板單元在轉(zhuǎn)動法向自由度方向具有剛度.No stiffness in the drilling degrees of freedom or no rotational stiffness in the direction normal to the plate61二維單元 板和殼單元的常用參數(shù) For V2001 PARAM, PARAM, PARAM, For V2004 PARAM, PARAM,K6ROT,K6ROT, SNORM,0.是所有線性求解序列的默認設(shè)置100.是所有非線性求解序列的默認設(shè)置.20.,是默認值and laterK6RO

18、T,SNORM,100.是所有求解序列的默認設(shè)置.20.,是默認值62二維單元 單元連通性由NASTRANCQUAD4卡定義,見我們所建的翼肋的單元1:.bdf file extract63CQUAD411122322CQUAD421232423CQUAD431342524CQUAD441452625CQUAD45156272612345678910CQUAD4EIDPIDGRID1GRID2GRID3GRID4THETAor MCIDZOFFSCQUAD411122322TFLAGT1T2T3T4二維單元64FieldContentsEID單元編號(大于0的整數(shù))PIDPSHELL 或者PC

19、OMP 屬性卡的編號G1,G2,G3,G4連接點的節(jié)點編號。(這些單元的所有內(nèi)角必須小于180°)Theta材料屬性方位角定義。如果為實數(shù)或者為空, 那么材料屬性的方位角單位為度。如果是整數(shù), 那么材料屬性的x軸的方向沿著指定的坐標系統(tǒng)x 軸的 平面。T1,T2, T3,T4可選的附加卡。一旦使用, 描述單元節(jié)點G1到G4的膜厚度(小于等于0的實數(shù),不全為零)。如果不使用, T1到T4的值設(shè)置為PSHELL卡的T值。ZOFFS從曲面的偏移, 由單元坐標系內(nèi)的節(jié)點到單元參考面的距離定義。二維單元PSHELL卡定義的單元物理屬性 由NASTRAN忽略其它項65$ Elements and

20、 Element Properties for region : rib_web$CQUAD411122322CQUAD421232423CQUAD431342524PSHELL11.0631112345678910PSHELLPIDMID1TMID212I/T3MID3TS/TNSMPSHELL11.0631112345678910Z1Z2MID4二維單元66FieldContentsPID屬性編號(大于0的整數(shù).)MID1薄膜行為的材料編號(大于0的整數(shù)或者為空)T板或者膜的厚度MID2彎曲行為的材料編號(大于0的整數(shù)或者為空, MID2 = -1表示平面變形) 注意: MID2的默認值不

21、包含彎曲剛度。對于大多數(shù)模型, MID2 不應(yīng)為空12I/T3每長度的法向彎曲慣性(實數(shù)或者為空,默認值=1.0)。對于實體單元, 均勻平板,默認值就可以了.MID3橫向剪切行為的材料編號(大于0的整數(shù)或者為空)TS/T橫向剪切厚度除以薄膜厚度(默認= .833333).對于實體單元,均勻平板,默認值就可以了二維單元67FieldContentsNSM每面積的非結(jié)構(gòu)質(zhì)量(實數(shù))Z1, Z2彎曲度的應(yīng)力復(fù)原距離(實數(shù), 默認Z1 = -1/2 厚度, Z2 = +1/2 厚度MID4定義膜變形和彎曲變形耦合度的材料編號二維單元 本例的NASTRAN輸入文件的一部分顯示連接卡、屬性卡,和材料卡是怎

22、樣連接在一起的68$ Referenced Material Records$ Material Record : aluminum$ Description of Material : Date: 09-Oct-00Time: 11:49:27 MAT111.+7.33$ Elements and Element Properties for region : rib_webPSHELL11.06311CQUAD411122322載荷和邊界條件 施加載荷和邊界條件 假定后梁完全固定 在前梁上作用每inch60lbs的垂直載荷69創(chuàng)建邊界條件Loads/BCs創(chuàng)建一個邊界條件并命名為fixed

23、70創(chuàng)建邊界條件完成邊界條件創(chuàng)建71單點約束 我們可以在PATRAN中看到這些約束,但是這些約束怎樣寫入到NASTRAN的bdf 文件中呢? 這要通過SPC來完成. 一個單點約束(SPC)是在選定節(jié)點施加的對一個或者多個運動分量的約束. 輸入格式有兩種, 只是方便程度不同而已: SPC SPC1-PATRAN不支持PATRAN支持72單點約束 Grids 1, 22, 43, 153, 154 are selected DOF 123456 are selected The SPC set is given a SET ID number 1 in this case.73$ Displace

24、ment Constraints of Load Set : fixedSPC11123456 122436485106127149150151152153154單點約束 SPC1 entry format:7412345678910SPC1SIDCG1G2G3G4G5G6SPC11123456122436485106G7G8G9G10G11G12G13G151152153154單點約束要求SPC 選擇 這些約束通過工況 需要時才施加約束 對于每個子工況SUBCASE約束集可能不一樣 注意：如果使用SPC作用和SPC1卡,除非在工況里面指定以外,否則不發(fā)生75單點約束 SPCs 在定義節(jié)點的輸

25、入坐標(位移)系統(tǒng)里面指定。記住節(jié)點的輸入坐標系統(tǒng)在GRID卡的域7中定義 這具有更好的使用優(yōu)點，在后面章節(jié)會有示例 由于約束影響輸出坐標系統(tǒng)的方向,使得它成為一個重要的錯誤源76單點約束 使用SPC包括: 支撐結(jié)構(gòu)（施加約束） 通過抑制那些為滿足對稱或者稱條件而必須設(shè)為0值的自由度,施加對稱或者稱邊界條件 移除結(jié)構(gòu)沒有連接或者連接很弱的自由度 移除結(jié)構(gòu)分析中沒有使用的自由度(如,2D分析中的非面內(nèi)自由度) 對節(jié)點施加0或者非0的強迫位移77單點約束 約束可以定義為:的，由GRID卡定義(PATRAN不支持) 用戶選擇的，在工況或者SPCD卡定義段由SPC=SID完成。在模型數(shù)據(jù)段由SPC,

26、SPC1, 自動，PARAM,AUTOSPC,YES 受約束點的反作用力(單點約束的限制力), SPCFORCES=ALL得到可以通過在工況中設(shè)置78分布載荷創(chuàng)建一個分布載荷,命名為force注意這是載荷長度的I在f1方向上施加-60 lbs / in.選擇應(yīng)用范圍(右邊)79分布載荷完成載荷創(chuàng)建80分布載荷謹慎進行。 施加分布載荷時要是一個工作載荷,或者 本例中, 總載荷= 60長度的載荷lbf/in x 22in (1320以邊緣的方向為基礎(chǔ)lbf)方向f1f2f3為參變量,f1f3yf2zx81FORCE輸入卡 在PATRAN中可以看到這些載荷，但是這些載荷是怎樣寫入到NASTRAN的b

27、df文件中呢? 我們使用FORCE數(shù)據(jù)卡.82FORCE 選擇節(jié)點21, 42, 63, 84, 105, 等輸入卡 每個節(jié)點施加55.0 的載荷(共有24個節(jié)點,總載荷為1320 使用向量< 0. -1.0 0. >lbf)FORCE集給定一個編號，本例中為1* Rounding error , 54.9999 caused by translator83$ Distributed Loads of Load Set : forceFORCE12155.0000 0.-1.0.FORCE14255.0000 0.-1.0.FORCE14254.9999 0.-1.0.FORCE1

28、6354.9999 0.-1.0.FORCE16354.9999 0.-1.0.FORCE18454.9999 0.-1.0.FORCE18455.0000 0.-1.0.FORCE110555.0000 0.-1.0.FORCE輸入卡 FORCE 輸入卡格式 FORCE可用于任何坐標系，在此我們使用默認值0 注意，力的大小由矢量和力疊加8412345678910FORCESIDGIDCIDFX1Y1Z1FORCE12155.000.0-1.00.0FORCE輸入卡 節(jié)點的FORCE應(yīng)用由于數(shù)據(jù)重復(fù)看起來比較, 這對于NASTRAN的在QUAD4單元上的分布載荷,從運動學上來說等效于一個常量載

29、荷,是一個有用的方法122221Uniform 1085$ Distributed Loads of Load Set : forceFORCE12155.0000 0.-1.0.FORCE14255.0000 0.-1.0.FORCE14254.9999 0.-1.0.FORCE16354.9999 0.-1.0.FORCE16354.9999 0.-1.0.FORCE18454.9999 0.-1.0.FORCE18455.0000 0.-1.0.FORCE110555.0000 0.-1.0.etc .執(zhí)行分析 現(xiàn)在完成了分析的前處理過程,下一步提交NASTRAN進行分析計算Post-P

30、rocessingPre-ProcessingSolverMSC NASTRAN86PATRANPATRAN執(zhí)行分析Select LINEAR STATICanalysis87執(zhí)行分析88Status window reports job progress讀入分析結(jié)果 在NASTRAN完成分析以后,將結(jié)果重新到PATRAN中Post-ProcessingPre-ProcessingSolverMSC NASTRAN89PATRANPATRAN讀入分析結(jié)果Attach in the xdb file90結(jié)果后處理 結(jié)果后處理 檢查最大垂直方向的變形。 檢查翼肋的張應(yīng)力和剪切應(yīng)力變形為0.100

31、inch. 張應(yīng)力必須小于50 ksi (材料屈服強度) 剪切應(yīng)力必須小于65ksi(材料的強度極限，使用1.5 的載荷因子)91結(jié)果后處理Plot the deformation92Max y disp= 0.148 in.結(jié)果后處理Plot the averaged xdirect stressesMax x stress = 22,400lbs/in293結(jié)果后處理Plot the averaged xy stressesMax absolute xy stress= 8,620 lbs/in294結(jié)果后處理繪制平均Von Mises應(yīng)力圖繪制非平均Von Mises應(yīng)力圖比較平均應(yīng)力和

32、非平均應(yīng)力。對于好的網(wǎng)格劃分,這兩個值應(yīng)該很接近才對Max von Mistress = 21lbs/in295ses,700結(jié)果后處理默認的, PATRAN 對連接單元的節(jié)點的應(yīng)力進行平均,并繪圖顯示這個平均應(yīng)力取消平均選項, 可以顯示真實的quad4單元的最大應(yīng)力使用上述功能檢查后墻連接點的上部的應(yīng)力梯度96結(jié)果后處理標準的應(yīng)力云圖取消平均的云圖在后梁頂點處的單元看起來具有比較陡的應(yīng)力梯度。在這一處做局部應(yīng)力水平結(jié)果時要否則這個梯度非常類似97結(jié)果后處理 2D單元的應(yīng)力通過Z1和Z2兩個位置計算。 Patran中默認顯示Z2 位置的應(yīng)力 對于這個例子，Z1位置的值和Z2位置的值是相同的，因為沒有發(fā)生彎曲。98分析結(jié)果總結(jié) 最大變形為0.148超過所需的0.100 inch。如果包含翼肋柱頭和墻的凸緣, 則期望變形在限制范圍內(nèi) 最大軸向應(yīng): 張應(yīng)力= 22,400 psi 后墻上部 壓應(yīng)力= -22,500 psi 后墻下部 安全裕度>2 最大切應(yīng)力: 切應(yīng)力= 8,520 安全裕度&g