OptiStruct結(jié)構(gòu)分析與工程應(yīng)用

OptiStruct結(jié)構(gòu)分析與工程應(yīng)用注：文檔因文字過長無法上傳而改用部分圖片文檔，原文檔電子全文字版，需要的請(qǐng)下載后聯(lián)系留言。目錄TOC\h\h第1章Altair及OptiStruct軟件介紹\h1.1Altair簡(jiǎn)介\h1.2AltairHyperWorks簡(jiǎn)介\h1.3OptiStruct發(fā)展歷史\h1.4OptiStruct功能介紹及特點(diǎn)\h1.5OptiStruct主要應(yīng)用行業(yè)\h第2章OptiStruct分析基礎(chǔ)\h2.1模型文件組成及基本格式\h2.2單元類型\h2.3材料類型\h2.4分析類型\h2.5OptiStruct計(jì)算提交\h2.6OptiStruct結(jié)果文件\h第3章結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分析\h3.1線性靜力學(xué)分析基本理論\h3.2線性屈曲分析基本理論\h3.3慣性釋放分析基本理論\h3.4線彈性材料\h3.5常用單元類型\h3.6約束及載荷\h3.7結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)實(shí)例\h第4章結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)\h4.1自由振動(dòng)\h4.2強(qiáng)迫振動(dòng)\h4.3多自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)\h第5章模態(tài)分析\h5.1實(shí)模態(tài)分析\h5.2特征值解法EIGRL/EIGRA\h5.3復(fù)模態(tài)分析EIGC\h5.4分析實(shí)例\h第6章瞬態(tài)響應(yīng)分析\h6.1瞬態(tài)激勵(lì)的形式\h6.2直接法瞬態(tài)響應(yīng)分析\h6.3模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析\h6.4卡片說明\h6.5輸出控制\h6.6實(shí)例：鐵塔的地震激勵(lì)響應(yīng)\h第7章頻率響應(yīng)分析\h7.1頻域激勵(lì)的形式\h7.2直接法頻率響應(yīng)分析\h7.3模態(tài)法頻率響應(yīng)分析\h7.4剩余模態(tài)\h7.5阻尼類型及頻變參數(shù)\h7.6卡片說明\h7.7輸出控制\h7.8實(shí)例：設(shè)備支架的偏心載荷響應(yīng)\h第8章隨機(jī)響應(yīng)分析\h8.1隨機(jī)過程及統(tǒng)計(jì)\h8.2隨機(jī)響應(yīng)分析\h8.3輸出控制\h8.4卡片說明\h8.4.2RANDPS卡片\h8.5實(shí)例：電池包的臺(tái)架隨機(jī)振動(dòng)\h第9章響應(yīng)譜分析\h9.1響應(yīng)譜分析的表達(dá)式\h9.2響應(yīng)譜曲線\h9.3峰值響應(yīng)的組合\h9.4卡片說明\h9.5實(shí)例：建筑物的沖擊響應(yīng)\h第10章超單元\h10.1基本概念及流程\h10.2模態(tài)綜合法超單元（CMS）\h10.3動(dòng)力分析超單元（CDS）\h10.4使用超單元\h10.5卡片說明\h10.6實(shí)例：聲振耦合超單元應(yīng)用\h第11章轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析\h11.1轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)基本概念\h11.2轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元建模\h11.3轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分析\h11.4實(shí)例：3D實(shí)體轉(zhuǎn)子分析\h第12章聲固耦合分析\h12.1聲腔建模\h12.2聲腔模態(tài)分析及實(shí)例\h12.3聲固耦合分析\h12.4吸聲單元\h12.5實(shí)例：整車聲固耦合頻響分析\h第13章NVH外聲場(chǎng)分析\h13.1EquivalentRadiatePower（ERP）\h13.2RadiatedSoundOutputAnalysis（RADSND）\h13.3無限元方法\h第14章NVH診斷分析與優(yōu)化\h14.1傳遞路徑貢獻(xiàn)量分析（TPA）\h14.2模態(tài)貢獻(xiàn)量分析（MPA）\h14.3節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)量分析（GPA）\h14.4面板貢獻(xiàn)量分析（PPA）\h14.5功率流分析\h14.6設(shè)計(jì)靈敏度分析（DSA）\h14.7峰值自動(dòng)篩選（PEAKOUT）\h14.8實(shí)例：整車NVH診斷優(yōu)化\h第15章結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)分析基礎(chǔ)\h15.1結(jié)構(gòu)非線性方程及求解方法\h15.2OptiStruct非線性分析通用卡片設(shè)置\h15.3OptiStruct非線性分析結(jié)果文件\h15.4實(shí)例：車頂抗雪壓能力分析\h第16章材料非線性分析\h16.1彈塑性材料\h16.2超彈性材料\h16.3黏彈性材料\h16.4黏膠材料\h16.5墊圈材料\h16.6非線性連接\h16.7材料非線性分析實(shí)例\h第17章幾何非線性分析\h17.1非線性屈曲分析\h17.2初始缺陷的引入\h17.3依賴于變形的載荷\h17.4卡片說明\h17.5實(shí)例：拱形結(jié)構(gòu)屈曲分析\h第18章接觸非線性分析\h18.1接觸離散\h18.2接觸約束的引入\h18.3接觸類型\h18.4其他接觸控制參數(shù)\h18.5接觸分析結(jié)果\h18.6接觸卡片\h18.7接觸分析實(shí)例\h第19章高級(jí)結(jié)構(gòu)非線性分析\h19.1連續(xù)工況分析\h19.2螺栓預(yù)緊分析\h19.3接觸及單元的激活與去除\h19.4重啟動(dòng)分析\h19.5非線性分析問題診斷及對(duì)策\(yùn)h第20章非線性隱式動(dòng)力學(xué)分析\h20.1隱式動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)\h20.2非線性瞬態(tài)分析中的阻尼\h20.3連續(xù)工況分析\h20.4隱式動(dòng)力學(xué)卡片設(shè)置\h20.5實(shí)例：撞擊車身隱式動(dòng)力學(xué)分析\h第21章疲勞分析理論基礎(chǔ)\h21.1疲勞破壞機(jī)理\h21.2疲勞分析基本術(shù)語\h21.3疲勞破壞影響因素\h21.4疲勞分析方法\h21.5SN疲勞曲線的獲得\h21.6雨流計(jì)數(shù)\h21.7疲勞損傷累積\h21.8比例加載與非比例加載\h第22章高周疲勞分析\h22.1SN曲線\h22.2疲勞載荷歷程\h22.3單軸疲勞\h22.4多軸疲勞\h22.5高周疲勞卡片\h22.6高周疲勞分析實(shí)例\h第23章低周疲勞分析\h23.1單調(diào)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線\h23.2循環(huán)載荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線\h23.3滯回曲線\h23.4應(yīng)變疲勞EN曲線\h23.5單軸疲勞分析\h23.6多軸疲勞分析\h23.7低周疲勞卡片\h23.8低周疲勞分析實(shí)例\h第24章焊接疲勞分析\h24.1焊點(diǎn)疲勞分析\h24.2焊縫疲勞分析\h24.3焊接疲勞分析實(shí)例\h第25章振動(dòng)疲勞分析\h25.1瞬態(tài)疲勞\h25.2掃頻疲勞\h25.3隨機(jī)振動(dòng)疲勞\h25.4振動(dòng)疲勞分析實(shí)例\h第26章高性能計(jì)算\h26.1高性能計(jì)算相關(guān)術(shù)語\h26.2硬件資源\h26.3軟件算法\h26.4內(nèi)存管理\h26.5HPC最佳實(shí)踐第1章Altair及OptiStruct軟件介紹1.1Altair簡(jiǎn)介Altair是一家全球技術(shù)公司，在產(chǎn)品開發(fā)、高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)智能領(lǐng)域提供軟件和云解決方案，自1985年成立以來一直致力于為企業(yè)的決策者和技術(shù)的執(zhí)行者開發(fā)用于仿真分析、優(yōu)化、信息可視化、流程自動(dòng)化和云計(jì)算的高端技術(shù)。Altair公司的總部位于美國密歇根州。2001年7月，Altair進(jìn)入中國，成立了全資子公司澳汰爾工程軟件（上海）有限公司，負(fù)責(zé)大中華區(qū)（包括中國大陸、香港、澳門、臺(tái)灣）的業(yè)務(wù)；于2006年3月成立北京分公司；2012年3月成立臺(tái)北分公司；2015年3月成立廣州分公司；2017年6月成立西安分公司。2017年11月，Altair公司在美國納斯達(dá)克成功上市。Altair為客戶提供全面的軟件平臺(tái)，包括CAE平臺(tái)AltairHyperWorksTM、創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)AltairSolidThinkingTM、數(shù)據(jù)智能平臺(tái)AltairKnowledgeWorksTM、物聯(lián)網(wǎng)解決方案AltairSmartWorksTM和高性能計(jì)算管理平臺(tái)AltairPBSWorksTM。除此以外，還有Altair合作伙伴聯(lián)盟APA，通過該聯(lián)盟可以免費(fèi)使用上百個(gè)其他專業(yè)軟件，且該聯(lián)盟的參與者還在不斷擴(kuò)大中。Altair公司的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1Altair產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖1.2AltairHyperWorks簡(jiǎn)介HyperWorks是較為完整的CAE建模、可視化、有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過程自動(dòng)化等領(lǐng)域的軟件平臺(tái)。HyperWorks涵蓋豐富的產(chǎn)品模塊，包括前后處理軟件、物理求解器及仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)軟件，主要模塊介紹如下。（1）前后處理軟件?AltairHyperMeshTM：目前較為流行的CAE前處理工具，可以快速建立高質(zhì)量的CAE模型。?AltairHyperviewTM：具有高效圖形驅(qū)動(dòng)的仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理可視化工具。?AltairHyperCrashTM：碰撞安全性分析的CAE前處理工具。?AltairHyperGraph2D/HyperGraph3D：海量仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理工具。?AltairSimLabTM：流程導(dǎo)向、基于特征的有限元建模軟件，能夠快速并準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜組件的工程行為。?AltairMotionViewTM：通用機(jī)械系統(tǒng)仿真前后處理軟件，同時(shí)也是圖形可視化工具，它擁有業(yè)界領(lǐng)先的柔體技術(shù)。（2）結(jié)構(gòu)求解器及優(yōu)化?AltairOptiStructTM：面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的有限元分析及優(yōu)化軟件，擁有全球領(lǐng)先的優(yōu)化技術(shù)，提供全面的優(yōu)化方法。?AltairHyperStudyTM：一個(gè)開放的多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)，以其強(qiáng)大的優(yōu)化引擎調(diào)用各類求解器，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多學(xué)科全面優(yōu)化。?AltairRADIOSSTM：快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)健的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，能夠進(jìn)行多種線性和非線性分析，廣泛應(yīng)用于汽車、重工、電子、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。?AltairHyperLifeTM：一個(gè)簡(jiǎn)單易用的疲勞仿真分析軟件，可以預(yù)測(cè)高周、低周、無限壽命、焊點(diǎn)、焊縫、掃頻、隨機(jī)振動(dòng)等疲勞壽命，幫助客戶快速解決產(chǎn)品耐久性問題。?AltairMotionSolveTM：多體動(dòng)力學(xué)求解器，支持運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、靜力求解、準(zhǔn)靜態(tài)求解、結(jié)構(gòu)動(dòng)力求解、線性化、特征值分析和狀態(tài)矩陣輸出等。（3）流體求解器?AltairAcuSolveTM：通用的基于有限元的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。?AltairnanoFluidXTM：基于粒子法（SPH）的流體動(dòng)力學(xué)仿真工具，用于預(yù)測(cè)在復(fù)雜幾何體中有復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)?？梢杂糜陬A(yù)測(cè)有旋轉(zhuǎn)軸和齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)潤滑并分析系統(tǒng)每個(gè)部件的力和力矩。采用GPU技術(shù)能夠?qū)φ鎸?shí)的幾何形狀進(jìn)行高性能仿真。?AltairultraFluidXTM：用于快速預(yù)測(cè)乘用車與商用車的空氣動(dòng)力特性的仿真工具，同時(shí)也可用于建筑物環(huán)境空氣動(dòng)力學(xué)的評(píng)估?；诟褡硬柶澛˙oltzmann）方法的前沿技術(shù)在進(jìn)行了GPU優(yōu)化后更是具有突出的高速計(jì)算性能優(yōu)勢(shì)。（4）電磁求解器?AltairFekoTM：全球領(lǐng)先的電磁場(chǎng)仿真工具，采用了多種頻域和時(shí)域技術(shù)。這些真正的混合求解技術(shù)能夠高效地分析天線設(shè)計(jì)、天線布局、電磁散射、雷達(dá)散射截面（RCS）和電磁兼容，包括電磁脈沖（EMP）、雷電效應(yīng)、高強(qiáng)度輻射場(chǎng)（HIRF）和輻射危害等相關(guān)的寬頻譜電磁問題。?AltairWinPropTM：電波傳播和無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃領(lǐng)域內(nèi)相對(duì)同類產(chǎn)品更加完備的工具套件，包括從衛(wèi)星到陸地、從郊區(qū)到市區(qū)、從室外到室內(nèi)的無線鏈路。WinProp創(chuàng)新性的電波傳播模型能夠在很短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成精確的分析。?AltairFluxTM：低頻電磁場(chǎng)和熱仿真分析軟件。Flux擁有開放、友好的交互界面，能夠簡(jiǎn)單、方便地與Altair其他軟件耦合，應(yīng)用于不同系統(tǒng)的多物理場(chǎng)分析，包括2D、3D以及斜槽模擬。（5）快速設(shè)計(jì)軟件?AltairSimSolidTM：無須進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分的快速結(jié)構(gòu)仿真軟件，可在幾秒到幾分鐘內(nèi)對(duì)未簡(jiǎn)化的原始CAD裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，提高設(shè)計(jì)師及分析人員的工作效率。SimSolid可在短時(shí)間內(nèi)分析特別復(fù)雜的零件和特大型裝配體，而使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析工具則可能會(huì)花費(fèi)數(shù)小時(shí)或數(shù)天，甚至不可能完成。?AltairInspireTM：使設(shè)計(jì)工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和建筑師快速、方便地探索和生成結(jié)構(gòu)的技術(shù)。Inspire采用先進(jìn)的優(yōu)化求解器AltairOptiStructTM，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)空間、材料屬性以及受力需求生成理想的形狀。該軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，并與現(xiàn)有的CAD工具協(xié)同工作，幫助用戶在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一時(shí)間就降低開發(fā)成本、時(shí)間、材料消耗和產(chǎn)品重量。（6）工藝仿真軟件?AltairInspireFormTM：金屬鈑金沖壓成型和液壓成型的仿真工具，讓用戶在設(shè)計(jì)之初就可以考慮其產(chǎn)品的沖壓成型性、工藝參數(shù)、材料利用率和成本，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。?AltairInspireExtrudeTM：三維金屬擠壓成型仿真軟件。金屬擠壓產(chǎn)品制造商希望以更低的成本得到更小的制造偏差、更好的表面質(zhì)量和更高的機(jī)械性能，AltairInspireExtrudeTM是專門為滿足這一日益增長的需求而開發(fā)的擠壓工藝仿真平臺(tái)。?AltairInspireCastTM：鑄造仿真工具，致力于讓鑄造仿真過程盡可能簡(jiǎn)單。軟件使用鑄造從業(yè)人員熟悉的行業(yè)術(shù)語，操作簡(jiǎn)便，功能強(qiáng)大，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，只需簡(jiǎn)單的幾次鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可完成一次鑄造仿真，詳細(xì)評(píng)估產(chǎn)品鑄造工藝的合理性。1.3OptiStruct發(fā)展歷史OptiStruct從1992年發(fā)布到現(xiàn)在，經(jīng)過了近30年的研發(fā)改進(jìn)和各大應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)踐考驗(yàn)，已經(jīng)成為功能非常強(qiáng)大、穩(wěn)定的具備全面求解及優(yōu)化功能的有限元軟件。OptiStruct初期研發(fā)的出發(fā)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)有限元的優(yōu)化技術(shù)，而結(jié)構(gòu)求解器是優(yōu)化的基礎(chǔ)。1992年Altair與Kikuchi合作進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)（最早的SIMP方法）的軟件開發(fā)，并發(fā)布了商業(yè)版。1994年Altair發(fā)布OptiStructV1.0，在之后的10年里，OptiStruct相繼發(fā)布了五個(gè)版本，結(jié)構(gòu)求解器主要集中在線性求解（如線性靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、慣性釋放分析）上，基于結(jié)構(gòu)分析開發(fā)了拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化等，并成功運(yùn)用到了福特、通用汽車的開發(fā)中。在第二個(gè)10年里，OptiStruct的開發(fā)集中在響應(yīng)譜分析、復(fù)模態(tài)分析、頻響分析、屈曲分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、超單元及線性瞬態(tài)分析等。結(jié)構(gòu)求解器的增強(qiáng)大大擴(kuò)充了OptiStruct的優(yōu)化功能，也一舉奠定了OptiStruct在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。之后，OptiStruct又大力發(fā)展非線性分析、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、復(fù)合材料、熱傳導(dǎo)、疲勞、多物理場(chǎng)、增材制造等相關(guān)領(lǐng)域，求解器功能涉及各個(gè)領(lǐng)域，功能更全面、更強(qiáng)大。OptiStruct優(yōu)化功能在更強(qiáng)勁的結(jié)構(gòu)求解器的帶動(dòng)下如虎添翼，除了解決一些常規(guī)問題外，又成功挑戰(zhàn)了一些前沿工程問題，比如非線性優(yōu)化、格柵優(yōu)化等。軟件功能快速開發(fā)來源于客戶需求，OptiStruct近年來的快速發(fā)展也從側(cè)面反映出它被工業(yè)界廣泛接受，充分運(yùn)用于各行各業(yè)。1.4OptiStruct功能介紹及特點(diǎn)OptiStruct可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷條件下的線性和非線性結(jié)構(gòu)問題，包括時(shí)域及頻域范圍內(nèi)的求解。作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，OptiStruct幫助設(shè)計(jì)者和工程師分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耐久性和NVH（噪聲、振動(dòng)和舒適度）特性，并快速研發(fā)出輕量化、具有創(chuàng)新性、性能良好的結(jié)構(gòu)。OptiStruct具備完整的結(jié)構(gòu)分析方案，具體如下。?線性準(zhǔn)靜態(tài)、線性屈曲、慣性釋放分析。?材料非線性分析，包括彈塑性、超彈性、黏彈性等。?幾何非線性分析，包括跟隨力、后屈曲分析等。?接觸非線性分析，包括螺栓預(yù)緊、過盈配合、大滑移、小滑移等。?線性及非線性瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)傳熱分析。?線性及非線性熱應(yīng)力分析。?正則模態(tài)/復(fù)模態(tài)分析（可帶預(yù)應(yīng)力）。?頻率響應(yīng)分析（模態(tài)法、直接法）。?瞬態(tài)響應(yīng)分析（模態(tài)法、直接法和傅里葉變換法）。?NVH分析（包括流固耦合）。?譜分析（隨機(jī)譜、響應(yīng)譜）。?疲勞分析。?超單元。?復(fù)合材料分析。?轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析等。OptiStruct擁有自動(dòng)化多級(jí)子結(jié)構(gòu)特征值求解器（AMSES），可以在不到一小時(shí)內(nèi)計(jì)算出百萬量級(jí)自由度模型的成千上萬階模態(tài)。OptiStruct提供了NVH分析中獨(dú)具特色的先進(jìn)功能，包括一步法傳遞路徑（TPA）技術(shù)、模型減縮技術(shù)、設(shè)計(jì)靈敏度和等效輻射功率（ERP）響應(yīng)等；提供了全面的非線性分析功能，包括非線性熱傳導(dǎo)分析，雙向耦合的熱接觸、熱應(yīng)力分析，幾何非線性分析，材料非線性分析，接觸非線性分析，非線性動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)分析，非線性分析連續(xù)工況，非線性分析重啟動(dòng)功能等。OptiStruct具備完整的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方案，具體如下。?拓?fù)鋬?yōu)化。?形貌優(yōu)化。?尺寸優(yōu)化。?形狀優(yōu)化。?自由尺寸優(yōu)化。?自由形狀優(yōu)化。這些方法可以對(duì)靜力、模態(tài)、屈曲、頻響等分析過程進(jìn)行優(yōu)化，其穩(wěn)健、高效的優(yōu)化算法允許在模型中定義上百萬個(gè)設(shè)計(jì)變量，支持常見的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、特征值、屈曲載荷因子、結(jié)構(gòu)柔度，以及各響應(yīng)量的組合等。此外，OptiStruct提供了豐富的參數(shù)設(shè)置，包括優(yōu)化求解參數(shù)和制造加工工藝參數(shù)等，以方便用戶對(duì)整個(gè)優(yōu)化過程進(jìn)行控制，確保優(yōu)化結(jié)果便于加工制造，提供具有工程實(shí)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.5OptiStruct主要應(yīng)用行業(yè)OptiStruct在工業(yè)界得到了廣泛的認(rèn)可，能夠無縫連接HyperMesh前處理軟件，正在為眾多行業(yè)提供高效的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化技術(shù)。OptiStruct已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各行各業(yè)，包括汽車、消費(fèi)電子、航空航天、土建、水利、核工業(yè)、船舶、國防等，部分用戶如圖1-2所示。圖1-2全球用戶第2章OptiStruct分析基礎(chǔ)本章作為學(xué)習(xí)OptiStruct結(jié)構(gòu)有限元求解器的基礎(chǔ)，講解模型文件的組成、卡片格式，簡(jiǎn)要介紹OptiStruct所具備的單元類型、材料類型、分析類型，以及在AltairHyperWorks平臺(tái)下提交OptiStruct模型進(jìn)行計(jì)算并查看結(jié)果的方法。2.1模型文件組成及基本格式2.1.1.fem文件組成OptiStruct是通用結(jié)構(gòu)有限元求解器，其模型文件擴(kuò)展名為.fem，該文件為ASCII文件，可通過文本編輯器打開。.fem文件中包含所有的模型信息，如果模型采用HyperMesh創(chuàng)建，則該文件中還包含HyperMesh中的Component名稱信息、焊點(diǎn)連接相關(guān)信息等，這些信息保留在$開頭的相關(guān)行內(nèi)。Opti-Struct在讀取.fem文件時(shí)，會(huì)跳過$開頭的行，而HyperMesh在讀入.fem文件時(shí)，會(huì)識(shí)別$開頭的行。.fem文件的內(nèi)容可分為三部分：I/O部分，Subcase部分以及BulkData部分，如圖2-1所示。下面分別介紹這三部分。圖2-1.fem文件組成1.I/O部分I/O部分用于分析或優(yōu)化的全局控制，包括結(jié)果輸出的類型、格式、頻率，運(yùn)行的類型（模型檢查、分析、超單元生成、優(yōu)化或者重啟動(dòng)），輸入/輸出及臨時(shí)文件的名稱和存放位置等。以線性靜力學(xué)分析為例，默認(rèn)只輸出位移和應(yīng)力，若要輸出應(yīng)變，需要在I/O部分指定輸出應(yīng)變文件的格式，可選擇的格式類型為H3D、OUTPUT2等。I/O部分還可以指定應(yīng)變類型，如Mises應(yīng)變或主應(yīng)變。以圖2-2為例，輸出了H3D、OUTPUT2以及PUNCH三種格式的所有類型的應(yīng)變。2.Subcase部分Subcase部分設(shè)置工況信息（也叫載荷步）。它決定在一個(gè)Subcase中使用哪些載荷和邊界條件，控制該工況的結(jié)果輸出類型、頻率、優(yōu)化的目標(biāo)和約束等。以圖2-3為例，分析類型為static，即線性靜力學(xué)分析，引用的約束卡片為1號(hào)loadcollector，載荷卡片為2號(hào)loadcollector。圖2-2輸出控制圖2-3載荷步定義3.BulkData字段BulkData部分開始于BEGINBULK字段，結(jié)束于ENDDATA字段，包含除了I/O和Subcase部分之外所有的有限元模型信息，比如求解控制參數(shù)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)及坐標(biāo)、單元編號(hào)和每個(gè)單元對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息、材料參數(shù)、截面屬性、坐標(biāo)系定義、詳細(xì)的約束及載荷定義等。所有這些信息沒有先后順序要求。相關(guān)信息的典型示例如圖2-4所示。圖2-4BulkData相關(guān)信息2.1.2.fem文件基本格式.fem文件中，$、//、#為注釋符號(hào)，以這幾個(gè)符號(hào)開頭的所在行為注釋行，都會(huì)被OptiStruct的讀取過程所忽略。.fem文件可分為長格式、短格式和自由格式三種，一行的默認(rèn)長度為80個(gè)字符。可通過SYSSETTING，CADLENGTH卡片修改每行的長度，但一般不建議修改。如果卡片信息中需要包含文件名信息（OUTFILE、RESTART、INCLUDE、LOADLIB、TMPDIR、EIGVNAME和ASSIGN），則該卡片每行最多可以有200個(gè)字符，或者將文件名放在引號(hào)（英文輸入法下的雙引號(hào)或者單引號(hào)）內(nèi)分布在多行。短格式中每個(gè)關(guān)鍵字占據(jù)8個(gè)字符，長格式中每個(gè)關(guān)鍵字占16個(gè)字符，自由格式中可用空格、逗號(hào)、左括號(hào)、右括號(hào)、等號(hào)中任意一個(gè)來分隔關(guān)鍵字，兩個(gè)連續(xù)逗號(hào)表示關(guān)鍵字為空，每行最多包含10個(gè)關(guān)鍵字。以表2-1中的GRID卡片為例，短格式中，GRID占據(jù)第1～8個(gè)字符，節(jié)點(diǎn)編號(hào)2占據(jù)第9～16個(gè)字符，X坐標(biāo)占據(jù)第17～24個(gè)字符，Y坐標(biāo)占據(jù)第25～32個(gè)字符，Z坐標(biāo)占據(jù)第33～40個(gè)字符。長格式每個(gè)字段占16個(gè)字符；自由格式字段之間用逗號(hào)分隔。需要注意的是，.fem文件中不支持使用?Tab?鍵輸入空格。表2-1GRID卡片格式.fem文件中，數(shù)值字段必須以數(shù)字或者“+”“-”開頭。整數(shù)項(xiàng)不能包含小數(shù)點(diǎn)或指數(shù)部分，并且必須在（-231，231）范圍內(nèi)。要求輸入實(shí)數(shù)的字段可以輸入整數(shù)代替，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為雙精度的實(shí)數(shù)。注意：除了標(biāo)題和文件名外的任何字段只要超過8位的字符就會(huì)被系統(tǒng)截除，并且沒有任何警告信息。除了用戶定義的標(biāo)題和文件名外的所有字符串都不區(qū)分大小寫。在不會(huì)導(dǎo)致混淆的情況下，較長的關(guān)鍵字可以使用其前4個(gè)字符代替（縮寫）。例如，以下3行是等效的：續(xù)行可通過最后字段的“,”符號(hào)識(shí)別，下面是一個(gè)有多個(gè)續(xù)行的卡片：文件路徑可以放在引號(hào)內(nèi)，以下是一個(gè)被分割在多行的文件路徑：該卡片等價(jià)于：INCLUDE"path/splitintomultiple/lines/filename.txt"。2.2單元類型有限元方法將復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)離散為一個(gè)個(gè)規(guī)則的單元，從而化繁為簡(jiǎn)，將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。OptiStruct提供了豐富的單元庫，包括0D、1D、2D和3D單元，適用于不同的分析場(chǎng)景。2.2.10D單元CELAS1、CELAS2、CELAS3和CELAS4用于定義彈簧單元。CELAS1和CELAS3的屬性是PELAS。CELAS2和CELAS4自帶屬性。在HyperMesh中可通過1D-springs進(jìn)行創(chuàng)建。CDAMP1、CDAMP2、CDAMP3和CDAMP4用于定義標(biāo)量阻尼單元。CDAMP1和CDAMP3的屬性是PDAMP。CDAMP2和CDAMP4自帶屬性。CMASS1、CMASS2、CMASS3和CMASS4用于定義質(zhì)量點(diǎn)。CMASS1和CMASS3的屬性是PMASS。CMASS2和CMASS4自帶屬性。CONM1和CONM2是集中質(zhì)量單元。CONM1在節(jié)點(diǎn)位置定義一個(gè)6×6質(zhì)量矩陣。CONM2在節(jié)點(diǎn)位置定義質(zhì)量和慣性屬性，若不指定慣性矩則表示分析中不考慮質(zhì)量單元慣性矩的影響。CVISC用于定義黏性阻尼，CVISC的屬性是PVISC。2.2.21D單元CBEAM為通用梁?jiǎn)卧?，能傳遞軸向力、橫向剪切力、彎矩、扭矩等載荷，其屬性卡片為PBEAM。CBAR為簡(jiǎn)化版梁?jiǎn)卧鄬?duì)CBEAM而言，不能考慮截面翹曲，其屬性卡片為PBAR。CBUSH為通用彈簧阻尼單元，對(duì)應(yīng)的屬性卡片為PBUSH。CBUSH彈簧單元有6個(gè)自由度，可分別指定6個(gè)方向的剛度和阻尼，功能更強(qiáng)大，若只使用1個(gè)方向的自由度，則相當(dāng)于CELAS1。每個(gè)方向都可以設(shè)置非線性剛度和阻尼。CBUSH1D為單向彈簧阻尼單元，相當(dāng)于只有一個(gè)方向上有剛度的CBUSH單元，可以設(shè)置非線性剛度和阻尼，其屬性卡片為PBUSH1D。CGAP為間隙單元，支持軸向和摩擦載荷，其屬性卡片為PGAP。CGAPG也為間隙單元，支持軸向和摩擦載荷，可用于連接曲面片（不需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接），其屬性卡片為PGAP。CROD為桿單元，只能傳遞軸向力和扭矩，其屬性卡片為PROD。CWELD為簡(jiǎn)單軸向梁?jiǎn)卧?，支持力和力矩，不需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，可用于連接曲面片，其屬性卡片為PWELD。2.2.32D單元當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)方向的尺寸時(shí)，可對(duì)實(shí)體結(jié)構(gòu)沿厚度抽取中面，采用二維單元來模擬三維結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。OptiStruct支持通用的2D殼單元，該單元可考慮薄膜應(yīng)變、面外彎曲及剪切，其單元類型有一階的三角形單元CTRIA3及四邊形單元CQUAD4，二階的三角形單元CTRIA6及四邊形單元CQUAD8，其相應(yīng)的屬性卡片為PSHELL。當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀、載荷及約束沿某個(gè)軸對(duì)稱時(shí)，軸向相關(guān)參數(shù)為零，殼單元可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱單元。OptiStruct的軸對(duì)稱單元為一階三角形單元CTAXI、二階三角形單元CTRIAX6、二階四邊形單元CQAXI，對(duì)應(yīng)屬性卡片為PAXI。當(dāng)單元的法向應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)，通用殼單元可退化為平面應(yīng)變單元，OptiStruct提供了一階三角形單元CTPSTN及四邊形單元CQPSTN，其屬性卡片為PPLANE。2.2.43D單元3D實(shí)體單元用于模擬厚板和實(shí)體結(jié)構(gòu)。通常無法用1D單元和2D單元簡(jiǎn)化的模型都需要使用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬。OptiStruct提供的一階及二階3D實(shí)體單元包括六面體單元（CHEXA）、三棱柱單元（CPENTA）、金字塔單元（CPYRA）和四面體單元（CTETRA），屬性都是PSOLID。2.3材料類型OptiStruct提供了多種材料模型，包括各向同性材料、橫觀各向同性材料、各向異性材料和各種非線性材料，簡(jiǎn)要介紹如下。?MAT1用于定義各向同性彈性材料，可用于模擬處于線彈性階段的鋼、鋁合金等材料。?MAT2用于定義各向異性材料，適用于殼單元，結(jié)合PSHELL、PCOMP和PCOMPG使用。?MAT3用于定義與溫度無關(guān)的各向異性線性材料，僅適用于軸對(duì)稱單元CTAXI和CQAXI及平面應(yīng)變單元CTPSTN和CQPSTN。?MAT4用于定義各向同性熱傳導(dǎo)參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、對(duì)流系數(shù)以及生熱率等參數(shù)。?MAT5用于定義各向異性熱傳導(dǎo)參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、對(duì)流系數(shù)以及生熱率等參數(shù)。?MAT8用于定義二維正交各向異性彈性材料，只能被PSHELL、PCOMP和PCOMPG引用。?MAT9用于定義三維各向異性彈性材料，可被PSOLID引用。?MAT10用于定義流固耦合（聲場(chǎng)）中的流體，只能被帶FCTN=PFLUID選項(xiàng)的PSOLID屬性引用。?MATHE用于定義非線性超彈性材料，包括MOONEY，MOOR，RPLOY，NEOH，YEOH，ABOYCE，OGDEN，F(xiàn)OAM本構(gòu)模型，可用于模擬橡膠等超彈性材料，只能被PSOLID引用。?MATVE為線性黏彈性材料，MATVP為非線性黏彈性材料，只能被PSOLID引用。?溫度相關(guān)的材料采用MATT1、MATT2、MATT8和MATT9定義，溫度相關(guān)屬性使用TABLEM1、TABLEM2、TABLEM3和TABLEM4定義，可用于模擬力學(xué)性能隨溫度變化的材料，比如楊氏模量隨溫度變化。?MATS1定義彈塑性材料，它是MAT1的擴(kuò)展。彈塑性材料的彈性屬性在MAT1中定義，塑性屬性在MATS1中定義。結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析中，常見的鋼、鋁合金等金屬材料可直接采用MAT1，若要考慮塑性階段，可使用MATS1設(shè)置塑性參數(shù)；電子、汽車以及家電等行業(yè)使用的各向同性的塑料也可以用MAT1和MATS1進(jìn)行模擬；木材屬于各向異性材料，可使用MAT9進(jìn)行模擬。NVH分析，如模態(tài)、頻響和隨機(jī)振動(dòng)分析等，因?yàn)槭蔷€性分析，采用MAT1即可。結(jié)構(gòu)傳熱分析中，可使用各向同性的MAT4和各向異性的MAT5模擬。金屬、塑料等材料的傳熱分析都可以用這兩種材料進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析，比如要計(jì)算各向同性的塑料件由室溫25℃升到50℃穩(wěn)定狀態(tài)下的熱應(yīng)力，可直接使用MAT1進(jìn)行模擬，但是需要在MAT1卡片中設(shè)置熱膨脹系數(shù)。如果溫度較高，則需要考慮溫度對(duì)楊氏模量的影響，需要采用MAT1結(jié)合MATT1進(jìn)行模擬；如果溫度進(jìn)一步提高，需要考慮金屬的高溫蠕變性能，需要采用MATVP進(jìn)行模擬。對(duì)于短纖注塑材料，纖維方向在每個(gè)位置都不相同，對(duì)于此類材料，首先需要進(jìn)行模流分析得到纖維流向，然后將模流分析模型中的纖維流向映射到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過多尺度分析軟件，計(jì)算給定纖維方向、組分及單胞結(jié)構(gòu)的材料曲線，最后結(jié)構(gòu)求解器結(jié)合多尺度分析軟件，完成結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、碰撞等分析。Altair提供了模流分析軟件InspireMold、多尺度分析軟件MultiScaleDesigner，OptiStruct通過用戶自定義材料MATUSR，結(jié)合MultiScaleDesigner，可對(duì)注塑材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)等分析。2.4分析類型OptiStruct是一款多學(xué)科有限元仿真軟件，涉及結(jié)構(gòu)分析、NVH分析、熱分析、聲學(xué)分析、疲勞分析以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析等，可用于汽車、消費(fèi)電子、家電、重工、船舶、航空航天等行業(yè)的結(jié)構(gòu)有限元仿真分析。具體分析類型如圖2-5所示。結(jié)構(gòu)分析用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在一定的載荷及約束下產(chǎn)生的變形及應(yīng)力，以評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性能。例如，對(duì)于不銹鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變；當(dāng)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞。機(jī)械行業(yè)都會(huì)用到這類分析。圖2-5OptiStruct分析類型NVH分析用于分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷下的相關(guān)性能，如模態(tài)分析可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率越高，其結(jié)構(gòu)剛度越大；頻響分析可得到不同頻率激勵(lì)下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移以及加速度響應(yīng)等。汽車行業(yè)可對(duì)整車進(jìn)行NVH分析，評(píng)估整車的舒適性，對(duì)于超標(biāo)的振動(dòng)、噪聲，可通過仿真改進(jìn)結(jié)構(gòu)，改善產(chǎn)品。熱分析可根據(jù)給定的熱邊界條件得到結(jié)構(gòu)中的傳熱過程以及終止?fàn)顟B(tài)下的熱分布情況，另外可分析因熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力。比如熱分析可用于模擬PCB板溫箱實(shí)驗(yàn)，得到PCB板在不同溫度下的熱應(yīng)力，判斷PCB板在實(shí)際使用過程中是否會(huì)因?yàn)闊釕?yīng)力而發(fā)生破壞。疲勞分析用于分析結(jié)構(gòu)在一定周期載荷下的壽命，如根據(jù)載荷歷程以及S-N曲線評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸壽命。聲學(xué)分析用于分析結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能，如汽車聲腔輻射分析。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)可用于轉(zhuǎn)動(dòng)部件的模態(tài)以及頻響分析等。2.5OptiStruct計(jì)算提交OptiStruct有三種計(jì)算提交方式：HyperMesh界面提交；OptiStruct任務(wù)管理器提交；通過腳本提交。2.5.1HyperMesh界面提交OptiStruct模型在HyperMesh中設(shè)置完成后，可直接通過Analysis面板中的OptiStruct按鈕激活任務(wù)提交面板。OptiStruct任務(wù)提交面板如圖2-6所示，需要給定HyperMesh模型的保存位置，設(shè)置.fem文件的導(dǎo)出選項(xiàng)、任務(wù)運(yùn)行選項(xiàng)、內(nèi)存設(shè)置選項(xiàng)及其他更多參數(shù)，如CPU數(shù)目等。需要指出的是，OptiStruct求解器讀取的是.fem文件，在HyperMesh中提交計(jì)算時(shí)，首先會(huì)導(dǎo)出.fem文件，然后調(diào)用OptiStruct讀取該文件進(jìn)行計(jì)算。模型文件的導(dǎo)出選項(xiàng)可以是用戶自定義部分模型、當(dāng)前顯示的模型或全部模型；任務(wù)運(yùn)行選項(xiàng)可以是分析、優(yōu)化、重啟動(dòng)、模型檢查等；內(nèi)存設(shè)置選項(xiàng)用于控制計(jì)算過程中的內(nèi)存分配策略；更多設(shè)置包括CPU數(shù)目的設(shè)置等，在后續(xù)的高性能計(jì)算章節(jié)會(huì)有詳細(xì)介紹。圖2-6OptiStruct任務(wù)提交面板2.5.2OptiStruct任務(wù)管理器提交若已經(jīng)創(chuàng)建好用于提交計(jì)算的.fem文件，亦可通過圖2-7所示的OptiStruct任務(wù)管理器提交計(jì)算，由“開始”菜單->Altair2020->OptiStruct2020打開該界面。在Inputfile（s）欄可同時(shí)選擇多個(gè).fem文件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)排隊(duì)依次提交計(jì)算。Options欄可設(shè)置不同的求解參數(shù)，如多核并行以及延遲提交計(jì)算等，可單擊“…”圖標(biāo)查看和設(shè)置相關(guān)選項(xiàng)。如Options欄參數(shù)設(shè)置為“-delay5”表示5秒之后提交計(jì)算，即延遲提交計(jì)算。若希望在具體的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算（比如當(dāng)天中午12點(diǎn)），則需要勾選圖2-7中的Scheduledelay選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖2-8所示。圖2-7OptiStruct任務(wù)管理器界面圖2-8設(shè)置計(jì)算時(shí)間點(diǎn)2.5.3通過腳本提交Windows系統(tǒng)下可通過DOS命令提交計(jì)算，首先找到OptiStruct求解器的腳本位置，一般在Hy-perWorks安裝目錄的這個(gè)位置：Altair\2020\hwsolvers\scripts\OptiStruct.bat；然后在DOS中切換到模型文件所在位置，用下面的命令提交計(jì)算即可。XXX\Altair\2020\hwsolvers\scripts\OptiStruct.bat“filename”-optionargument其中的option選項(xiàng)可通過-h命令查詢得到。XXX\Altair\2020\hwsolvers\scripts\OptiStruct.bat-hLinux系統(tǒng)下一般通過腳本提交計(jì)算。Linux系統(tǒng)提交命令如下，需指定OptiStruct安裝目錄和求解文件路徑（filename），最后的求解參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。<install＿dir>/altair/scripts/OptiStruct"filename"-optionargument2.6OptiStruct結(jié)果文件OptiStruct計(jì)算完成后，會(huì)產(chǎn)生一系列結(jié)果文件，默認(rèn)的結(jié)果文件有.h3d、.out、.stat以及.res文件，還可以根據(jù)需要設(shè)置輸出.pch、.op2等文件。.h3d文件中根據(jù)分析類型的不同，包含了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度、能量、模態(tài)頻率、振型、溫度、熱流等信息。線性/非線性靜力學(xué)分析默認(rèn)會(huì)輸出應(yīng)力和位移到h3d文件中，模態(tài)分析默認(rèn)輸出固有頻率和振型到.h3d文件中，頻響分析沒有默認(rèn)輸出項(xiàng)，需要指定輸出內(nèi)容。.h3d文件可通過HyperView打開查看結(jié)果。.out文件是文本文件，包含了模型信息以及求解過程的信息。模型信息包括圖2-9所示的節(jié)點(diǎn)總數(shù)、網(wǎng)格總數(shù)和模型自由度，圖2-10所示的模型計(jì)算所需要的內(nèi)存，圖2-11所示的模型計(jì)算所需要的硬盤空間，計(jì)算結(jié)束后可通過圖2-12查看整個(gè)模型的計(jì)算時(shí)長（ELAPSEDTIME）。需要指出的是，ELAPSEDTIME是計(jì)算時(shí)長，是從提交到計(jì)算完成的時(shí)間；而CPUTIME是所有CPU占用時(shí)間的總和，CPUTIME可能大于ELAPSEDTIME，甚至是很多倍，這取決于計(jì)算中所采用的CPU的核數(shù)。比如作業(yè)從提交到完成用了1000秒，每個(gè)CPU運(yùn)行的時(shí)間為800秒，用了8個(gè)CPU，那么ELAPSEDTIME就是1000秒，而CPUTIME為800×8=6400秒。圖2-9模型節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格信息圖2-10預(yù)估模型計(jì)算所需內(nèi)存圖2-11預(yù)估模型計(jì)算所需硬盤空間圖2-12模型計(jì)算時(shí)長.out文件還可以用于查看模型報(bào)錯(cuò)信息，有助于用戶調(diào)試模型。比如網(wǎng)格質(zhì)量太差、導(dǎo)致無法計(jì)算時(shí)，會(huì)報(bào)告圖2-13所示錯(cuò)誤；若沒有給component賦予材料屬性，會(huì)報(bào)大量圖2-14所示的錯(cuò)誤；若頻響分析中沒有設(shè)置輸出選項(xiàng)，會(huì)報(bào)告圖2-15所示錯(cuò)誤。圖2-13單元質(zhì)量報(bào)錯(cuò)圖2-14缺失材料屬性報(bào)錯(cuò).stat文件會(huì)記錄詳細(xì)的求解迭代信息，包括每個(gè)迭代步所需要的時(shí)間信息等；.res文件同時(shí)包含模型和計(jì)算結(jié)果信息，可用于在HyperMesh中查看結(jié)果，現(xiàn)在已基本不用；.pch為文本文件，可將用戶關(guān)注的節(jié)點(diǎn)、單元相關(guān)結(jié)果輸出到該文件，該文件可用文本編輯器打開，也可用HyperGraph打開。.op2文件包含模型信息和計(jì)算結(jié)果信息，可通過HyperView和HyperGraph查看。圖2-15頻響分析未設(shè)置輸出報(bào)錯(cuò)第3章結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)分析在有限元分析中，線性分析是最基本的分析類型，包括線性動(dòng)力學(xué)分析及線性靜力學(xué)分析。本章主要介紹線性分析中的線性靜力學(xué)、線性屈曲及慣性釋放這幾種分析類型，及在線性分析中所用到的材料、單元類型及約束與載荷，為后續(xù)的復(fù)雜分析類型提供基礎(chǔ)知識(shí)。3.1線性靜力學(xué)分析基本理論靜力學(xué)分析嚴(yán)格來說都是非線性分析，因?yàn)槠胶夥匠绦枰⒃谧冃魏蟮膸缀紊厦?。但是?dāng)采用線彈性材料，變形足夠小以至于平衡方程可直接建立在變形前幾何上時(shí)，此類分析可近似采用線性分析，即為線性靜力學(xué)分析。線性靜力學(xué)分析中，結(jié)構(gòu)需要求解的基本有限元方程為式中，K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣（各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚨慕M合），取決于結(jié)構(gòu)的幾何及材料參數(shù)，與位移無關(guān)；u為位移向量；F為作用在結(jié)構(gòu)上的載荷向量。該方程的本質(zhì)是外力和內(nèi)力在各個(gè)自由度上的平衡。該方程組只有在施加足夠約束時(shí)，剛度矩陣才是非奇異陣，才有唯一解。平衡方程可以通過直接法或迭代法求解，默認(rèn)情況下會(huì)調(diào)用直接法求解。直接求解法相對(duì)穩(wěn)健、準(zhǔn)確、高效，迭代法在實(shí)體結(jié)構(gòu)的求解速度方面有時(shí)候有一定的優(yōu)勢(shì)。線性方程的求解算法可通過SOLVTYP設(shè)置，在SUBCASE中引用生效。在求解完平衡方程后，可得到節(jié)點(diǎn)位移，通過幾何方程由節(jié)點(diǎn)位移求解應(yīng)變，通過材料本構(gòu)關(guān)系求解應(yīng)力。3.2線性屈曲分析基本理論屈曲是除強(qiáng)度、剛度外，工程中關(guān)心的又一個(gè)重要課題。屈曲有時(shí)也叫失穩(wěn)，指結(jié)構(gòu)在載荷不再增加的情況下繼續(xù)變形而喪失穩(wěn)定性的現(xiàn)象。屈曲問題主要發(fā)生在細(xì)長桿件或薄壁結(jié)構(gòu)中，比如汽車連桿和飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的屈曲破壞。屈曲又分為線性屈曲和非線性屈曲，本節(jié)只介紹OptiStruct的線性屈曲分析功能，即不考慮加載過程中幾何剛度的變化，也不考慮載荷作用方向的改變，后續(xù)的幾何非線性分析章節(jié)會(huì)介紹非線性屈曲。使用有限元方法求解結(jié)構(gòu)線性屈曲問題時(shí)，首先在結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)參考載荷Pref，然后通過線性靜力學(xué)分析得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力，該應(yīng)力用于幾何剛度矩陣KG的構(gòu)建，接著通過求解特征值問題得到屈曲因子，計(jì)算方程式為式中，K是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；λ是參考載荷的放大系數(shù)；x是與特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。如果該方程有n個(gè)自由度，那么就有n個(gè)特征值及特征向量。在工程實(shí)際中，往往關(guān)注低階的特征值，這是因?yàn)榈碗A特征值說明在較小載荷下結(jié)構(gòu)就發(fā)生了屈曲。由于只關(guān)注前幾階的特征值，可采用Lanczos方法進(jìn)行求解。在求解得到特征值后，通過下式可得到發(fā)生屈曲的臨界載荷。式中，Pref為參考載荷；λCr為參考載荷放大系數(shù)；PCr為屈曲載荷。為了進(jìn)行線性屈曲分析，需要在BulkData字段定義通過EIGRL卡片定義特征值提取階數(shù)。EIGRL卡片需要被SUBCASE字段的METHOD引用。另外，還需要通過SUBCASE字段的STATSUB引用靜態(tài)分析工況。屈曲分析忽略0維單元，如MPC、RBE3和CBUSH。它們可以在線性屈曲分析中使用，但不參與幾何剛度矩陣KG的構(gòu)建。默認(rèn)情況下，幾何剛度矩陣KG的構(gòu)建也不考慮剛性單元的影響。如果希望考慮剛性單元的影響，可以通過設(shè)置PARAMKGRGDYES來實(shí)現(xiàn)。另外，用戶可以通過SUBCASE字段的EXCLUDE指定幾何剛度矩陣KG構(gòu)建時(shí)需要忽略的單元，這樣可以只對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析。EXCLUDE指定的部分只是在構(gòu)建幾何剛度矩陣時(shí)被忽略，相當(dāng)于一個(gè)帶彈性邊界條件的分析。如果參考的靜態(tài)載荷工況使用了慣性釋放，則不能使用屈曲分析。因?yàn)樵谶@種情況下剛度矩陣是半正定的，屈曲分析會(huì)由于矩陣奇異而終止。3.3慣性釋放分析基本理論如果結(jié)構(gòu)不受任何外在約束，或者無法清楚地確定結(jié)構(gòu)所受的約束，則無法使用傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析方法求解。慣性釋放允許對(duì)無約束結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。慣性釋放針對(duì)的分析類型既可以是靜力學(xué)問題，也可以是頻響分析等動(dòng)力學(xué)問題。典型的應(yīng)用是飛行中的飛機(jī)、汽車懸架和空間的衛(wèi)星等，這些對(duì)象的特點(diǎn)是它們都處于靜力平衡狀態(tài)或者勻加速狀態(tài)，即它們的相對(duì)位移和應(yīng)力狀態(tài)都是穩(wěn)定的。慣性釋放分析的應(yīng)用范圍還包括已經(jīng)從多體動(dòng)力學(xué)分析中得到各連接部位的載荷，但找不到合適的約束點(diǎn)進(jìn)行約束的各種靜力學(xué)分析。慣性釋放分析的外載荷由一系列平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)加速度平衡。這些加速度組成體載荷，分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)上。這些載荷的向量和剛好使作用在結(jié)構(gòu)上的總載荷為0，從而保證了模型能夠進(jìn)行靜力學(xué)求解。OptiStruct慣性釋放可用于線性靜力學(xué)分析、非線性靜力學(xué)分析和模態(tài)法頻響分析。使用慣性釋放分析的靜力工況不能被線性屈曲分析引用。OptiStruct中有兩種方法可以進(jìn)行慣性釋放分析：①采用PARAM，INREL，-1進(jìn)行慣性釋放分析時(shí)，需要手動(dòng)設(shè)置虛擬約束SUPPORTi；②采用PARAM，INREL，-2進(jìn)行慣性釋放分析時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)施加虛擬約束。若設(shè)置PARAM，INREL，0，則與靜力學(xué)分析沒有本質(zhì)區(qū)別。推薦將INREL參數(shù)設(shè)置為-2。一般系統(tǒng)會(huì)將虛擬約束點(diǎn)設(shè)在結(jié)構(gòu)重心附近的位置。使用PARAM，INREL，-2進(jìn)行慣性釋放分析有以下好處：①可以為無約束結(jié)構(gòu)自動(dòng)添加虛擬支撐去除6個(gè)剛體自由度；②得到的位移結(jié)果具有一致性；③對(duì)于難以確定支撐位置的結(jié)構(gòu)，可以得到更精確的位移和應(yīng)力結(jié)果。與INREL=-1不同，使用INREL=-2時(shí)實(shí)際上沒有為結(jié)構(gòu)施加任何實(shí)際支撐，所以也就沒有強(qiáng)制位移零點(diǎn)。使用慣性釋放分析的注意事項(xiàng)如下。1）用于慣性釋放分析的模型應(yīng)具有質(zhì)量和慣量，這就需要對(duì)材料設(shè)置密度。對(duì)于一維單元（如BAR單元），在繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向上沒有慣量，這時(shí)可以使用附加的CONM2單元添加慣量。BEAM單元本身可以賦予慣量，所以不存在這個(gè)問題。2）INREL=-2推薦用于剛好具有6個(gè)剛體自由度的無約束結(jié)構(gòu)，這時(shí)不允許再添加任何額外的SUPPORTi項(xiàng)。3）如果結(jié)構(gòu)是部分約束的，也就是剛體自由度小于或等于6，這時(shí)推薦使用INREL=-1，并使用SUPPORTi去除其余的剛體自由度。4）對(duì)于具有6個(gè)以上剛體位移的結(jié)構(gòu)不推薦使用慣性釋放分析，這時(shí)如果使用INREL=-1將出錯(cuò)，因?yàn)镮NREL=-1時(shí)最多指定6個(gè)虛擬約束。使用INREL=-2也可能會(huì)出錯(cuò)或得到不可靠的結(jié)果。5）對(duì)于具有局部無質(zhì)量機(jī)構(gòu)的問題，INREL=-2可以給出有意義的結(jié)果，但是需要在計(jì)算完成后由用戶檢查結(jié)果是否可靠。6）當(dāng)使用INREL=-1進(jìn)行慣性釋放分析時(shí)，虛擬約束選取的點(diǎn)應(yīng)該可以給結(jié)構(gòu)以良好的支撐。如果結(jié)構(gòu)上沒有合適的點(diǎn)，可以考慮在空間上選取這樣的點(diǎn)，然后使用RBE3和結(jié)構(gòu)上的多個(gè)點(diǎn)相連。注意，由于不能直接對(duì)RBE3的從節(jié)點(diǎn)施加虛擬約束，所以需要先使用RBE3單元的UM項(xiàng)轉(zhuǎn)移從自由度。也可以使用RBE2進(jìn)行連接，這時(shí)可以直接在主節(jié)點(diǎn)上施加虛擬約束，其缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)連接的局部區(qū)域增加額外的剛度。7）如果希望自己指定一個(gè)位移的零點(diǎn)，應(yīng)使用INREL=-1進(jìn)行慣性釋放分析。3.4線彈性材料線彈性材料可分為各向同性線彈性材料和各向異性線彈性材料。各向同性材料是最基本，也是最常用的材料，金屬材料在進(jìn)入塑性前都是各向同性線彈性材料，OptiStruct可通過MAT1定義。MAT1卡片格式見表3-1。表3-1MAT1卡片其中，E為楊氏模量；G為剪切模量；NU為泊松比；RHO為密度；TREF為參考溫度；GE為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，在動(dòng)力學(xué)章節(jié)將詳細(xì)講解其用途；ST、SC、SS分別為受拉、受壓、受剪時(shí)的極限應(yīng)力，在復(fù)合材料的失效分析中會(huì)用到。材料在不同方向進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，不再表現(xiàn)出各向同性，而需要采用各向異性材料。工業(yè)應(yīng)用中最典型的是航空航天行業(yè)的預(yù)浸料復(fù)合材料、汽車內(nèi)飾板使用的短纖加強(qiáng)復(fù)合材料等。OptiStruct通過MAT8、MAT9、MAT9ORT定義各向異性材料。其中，MAT8用于2D單元的正交各向異性材料，可結(jié)合PCOMP、PCOMPG、PLY使用，其卡片格式見表3-2。表3-2MAT8卡片其中，E1、E2為材料坐標(biāo)系中1、2向的楊氏模量；NU12為1、2向之間的泊松比；G12、G13、G23分別為1、2向，1、3向，2、3向之間的剪切模量；RHO為材料的密度；A1、A2為1、2向的熱膨脹系數(shù)；TREF為參考溫度；XT、XC為材料1向抗拉、抗壓強(qiáng)度；YT、YC為材料2向抗拉、抗壓強(qiáng)度；S為面內(nèi)抗剪強(qiáng)度；F12為Tsai-Wu失效準(zhǔn)則中的系數(shù)；STRN表示XT、XC、YT、YC定義的是應(yīng)力還是應(yīng)變。MAT9及MAT9OR適用于3D單元，其中，MAT9卡片中需要直接指定材料屬性矩陣，定義相對(duì)復(fù)雜。MAT9卡片上的參數(shù)可通過其他軟件得到，比如說對(duì)于復(fù)雜的復(fù)合材料，可通過Altair的多尺度分析軟件MultiscaleDesigner生成。MAT9OR卡片中直接指定X、Y、Z三個(gè)方向的楊氏模量、泊松比以及剪切模量即可，定義相對(duì)簡(jiǎn)單。MAT9和MAT9OR兩個(gè)卡片的參數(shù)可通過一定的公式相互轉(zhuǎn)換。下面簡(jiǎn)單介紹MAT9ORT，其卡片格式見表3-3。表3-3MAT9OR卡片其中，E1、E2、E3分別為材料坐標(biāo)系下1、2、3向的楊氏模量；NU12、NU23、NU31分別為相應(yīng)兩個(gè)方向的泊松比；RHO為材料密度；G12、G23、G31分別為相應(yīng)兩個(gè)方向的剪切模量；A1、A2、A3分別為1、2、3方向的熱膨脹系數(shù)；TREF為參考溫度。需要指出的是，在復(fù)合材料分析中，材料坐標(biāo)非常重要，在HyperMesh中可通過1D->systems->materialorientation面板為單元指定局部坐標(biāo)系，如圖3-1所示，局部坐標(biāo)系的X、Y、Z三個(gè)方向即各向異性材料卡片中的1、2、3三個(gè)方向。更多關(guān)于復(fù)合材料分析及優(yōu)化的內(nèi)容，可參考Altair技術(shù)專家方獻(xiàn)軍、徐自立、熊春明編寫的《OptiStruct及HyperStudy優(yōu)化與工程應(yīng)用》（機(jī)械工業(yè)出版社）。圖3-1材料坐標(biāo)系設(shè)置3.5常用單元類型有限元分析中常用的單元類型有實(shí)體單元、殼單元、一維單元、軸對(duì)稱單元以及連接單元等。真實(shí)世界中幾乎所有的物體都是三維實(shí)體，對(duì)應(yīng)仿真分析中的實(shí)體單元。其他類型的單元都是對(duì)現(xiàn)實(shí)物體做了一定程度的簡(jiǎn)化，而簡(jiǎn)化的目的除了幫助理解力學(xué)本質(zhì)，更是在滿足一定精度的前提下提高仿真計(jì)算效率。例如，將薄殼板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維殼單元，將梁、桿以及桁架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一維單元，相比于實(shí)體單元，其網(wǎng)格、節(jié)點(diǎn)以及模型自由度數(shù)量顯著降低，但計(jì)算結(jié)果并沒有大的變化。3.5.1實(shí)體單元實(shí)體單元用于模擬厚板以及實(shí)體結(jié)構(gòu)。通常來說，三個(gè)方向的總體尺寸在同一個(gè)數(shù)量級(jí)的結(jié)構(gòu)建議使用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，即任意一個(gè)方向的尺寸與另外兩個(gè)方向的尺寸比值小于10。OptiStruct提供六面體單元（CHEXA）、三棱柱單元（CPENTA）、金字塔單元（CPYRA）以及四面體單元（CTETRA）四種實(shí)體單元，每種單元根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)的多少可以分為一階、二階單元。實(shí)體單元對(duì)應(yīng)的屬性卡片為PSOLID。需要指出的是，實(shí)體單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有3個(gè)移動(dòng)自由度，沒有旋轉(zhuǎn)自由度，因此無法直接對(duì)實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)制轉(zhuǎn)動(dòng)載荷。下面以CHEXA單元為例，介紹單元的卡片定義，其他單元卡片相似。CHEXA卡片格式見表3-4。表3-4CHEXA卡片其中，PID引用PSOLID；Gi為節(jié)點(diǎn)ID，當(dāng)只定義G1～G8時(shí)，該單元為一階單元，當(dāng)G1～G20全部定義時(shí)，該單元為二階單元；CORDM、CID/THETA、PHI用來定義復(fù)合材料的方向。PSOLID卡片定義見表3-5。表3-5PSOLID卡片其中，MID為材料IDCORDM為復(fù)合材料的材料坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)于一般分析，只需設(shè)置MID即可。EXPLICIT續(xù)行為OptiStruct顯式分析用，OptiStruct2020版本中已經(jīng)提供了顯式分析的beta版本，當(dāng)前這本書不會(huì)涉及這方面的內(nèi)容，續(xù)行在這里也就忽略了。需要指出的是，三棱柱和金字塔單元屬于過渡單元，模型中應(yīng)盡量減少這兩類單元的比例。六面體網(wǎng)格相比四面體網(wǎng)格計(jì)算精度更高，并且同樣網(wǎng)格尺寸下六面體網(wǎng)格數(shù)量比四面體網(wǎng)格數(shù)量少，計(jì)算效率也更高。但六面體網(wǎng)格劃分技巧性較高，前處理時(shí)間通常更長。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的部件，建議盡量劃分六面體網(wǎng)格；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，建議使用二階四面體，其精度與六面體網(wǎng)格近似，網(wǎng)格劃分容易，節(jié)省前處理時(shí)間。3.5.2殼單元?dú)卧糜谀M薄板結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)長寬方向的尺寸是厚度方向尺寸10倍以上。OptiStruct提供了一階三角形CTRIA3和四邊形CQUAD4單元，及二階三角形CTRIA6和四邊形CQUAD8單元。殼單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。殼單元可結(jié)合PSHELL進(jìn)行各向同性材料分析，也可結(jié)合PCOMP、PCOMPG進(jìn)行復(fù)合材料分析。下面以CQUAD4及PSHELL為例，簡(jiǎn)單介紹殼單元的使用。CQUAD4的卡片定義見表3-6。表3-6CQUAD4卡片其中，Gi為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；Theta/MCID為材料坐標(biāo)系；ZOFFS為中面偏移量。在網(wǎng)格劃分時(shí)，一般會(huì)提取幾何中面劃分網(wǎng)格，此時(shí)的網(wǎng)格幾何即為彎曲平面，但是有時(shí)候也直接取幾何的外表面劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的中面需要通過ZOFFS來定義。T1～T4為4個(gè)節(jié)點(diǎn)的厚度，不定義時(shí)認(rèn)為該單元是等厚度，如果定義了則表明該單元為變厚度。PSHELL的卡片定義見表3-7。表3-7PSHELL卡片其中，MID1用來定義面內(nèi)薄膜應(yīng)力材料屬性；MID2用來定義彎曲材料屬性；MID3用來定義面外剪切材料屬性，即考慮厚板的面外剪切變形；T為板厚。如果MID1=MID2=MID3，則考慮面外剪切，即厚板效應(yīng)；如果MID1=MID2，MID3為空，則不考慮厚板效應(yīng)，只計(jì)算面內(nèi)的薄膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力。殼體結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量使用四邊形網(wǎng)格，減少三角形網(wǎng)格的比例。四邊形網(wǎng)格精度相對(duì)更高，而且同樣網(wǎng)格尺寸下，四邊形網(wǎng)格數(shù)量明顯少于三角形網(wǎng)格，因此使用四邊形網(wǎng)格能減少自由度數(shù)，提高計(jì)算效率。汽車表面覆蓋件、客車輻射框架結(jié)構(gòu)、飛機(jī)表面覆蓋件以及船舶結(jié)構(gòu)部件多使用殼單元。3.5.31D單元有限元中會(huì)把常用的桿/梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為1D單元，從而簡(jiǎn)化模型，提高計(jì)算效率。OptiStruct中常用的1D單元有CBEAM、CBAR、CBUSH、CBUSH1D、CROD、CWELD以及CONROD等。1D單元通常呈線狀，只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以傳遞下列部分或全部載荷：①單元軸向力；②橫向剪力；③彎矩；④扭矩。表3-8是每種單元類型能支持的載荷類型。表3-81D單元支持的載荷類型其中，CBEAM、CBAR、CROD和CWELD單元需要指定截面形狀，OptiStruct提供各種標(biāo)準(zhǔn)截面庫，如工字梁、L形梁、空心圓管、空心方管以及T形梁等，如圖3-2所示。另外，HyperMesh中的HyperBeam工具支持手動(dòng)定義任意形狀的截面，也支持通過.csv文件導(dǎo)入截面數(shù)據(jù)。圖3-2OptiStruct標(biāo)準(zhǔn)梁截面3.5.4連接單元OptiStruct提供了豐富的連接單元，常用的連接單元有RBE2、RBE3、MPC，相關(guān)介紹如下。1.RBE2與RBE3單元RBE2和RBE3常用于零件連接、載荷及約束的施加，還可以用于模擬大質(zhì)量、基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)式連接。RBE2用于定義一個(gè)剛性單元，單元的獨(dú)立自由度由一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)指定，即主節(jié)點(diǎn)。而非獨(dú)立自由度則可以由任意多個(gè)節(jié)點(diǎn)指定，即從節(jié)點(diǎn)。使用RBE2單元連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)增加模型的剛度，在使用較多從節(jié)點(diǎn)的RBE2單元時(shí)需謹(jǐn)慎。RBE2卡片定義見表3-9。表3-9RBE2卡片其中，GN為主節(jié)點(diǎn)；GMi為從節(jié)點(diǎn)；CM為主、從節(jié)點(diǎn)間耦合的自由度。從節(jié)點(diǎn)的自由度由主節(jié)點(diǎn)的自由度決定，從節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)等于主節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)等于主節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)加上從節(jié)點(diǎn)沿著主節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致的平動(dòng)。RBE3單元只有一個(gè)從節(jié)點(diǎn)，但有多個(gè)主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)由主節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加權(quán)平均得到。從節(jié)點(diǎn)上不能施加單點(diǎn)約束SPC，也不能從屬于其他RBE/MPC單元。RBE3不是真正的剛性單元，如果使用正確，則不會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度增加。RBE3單元常用于施加載荷。RBE3的卡片定義見表3-10。表3-10RBE3卡片其中，REFGRID為從節(jié)點(diǎn)；REFC為主、從節(jié)點(diǎn)耦合的自由度；WTi/Ci/Gi分別為耦合自由度Ci上的主節(jié)點(diǎn)Gi及其在該自由度貢獻(xiàn)量的權(quán)重WTi。RBE2與RBE3的區(qū)別可通過圖3-3中的小模型予以展示。圖3-3a中，兩塊板通過RBE2連接，在RBE2的主節(jié)點(diǎn)施加載荷；圖3-3b中，兩塊板通過RBE3連接，在從節(jié)點(diǎn)上施加載荷。兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果如圖3-4所示，通過RBE2連接時(shí)，從節(jié)點(diǎn)之間沒有相對(duì)位移，直線還是保持直線；通過RBE3連接時(shí)，主節(jié)點(diǎn)之間明顯發(fā)生了相對(duì)位移，直線變成了弧線。RBE2模型的最大位移小于RBE3模型的最大位移，可見RBE2增加了模型的局部剛度。圖3-3RBE2、RBE3單元對(duì)比模型圖3-4RBE2、RBE3單元結(jié)果對(duì)比2.MPC單元RBE2及RBE3可定義主、從節(jié)點(diǎn)相應(yīng)自由度之間的耦合關(guān)系，比如主節(jié)點(diǎn)X向運(yùn)動(dòng)與從節(jié)點(diǎn)X向運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，并不能定義主節(jié)點(diǎn)平動(dòng)自由度與從節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度之間的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)自由度和另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度耦合的情況，比如汽車方向盤與橫拉桿之間的關(guān)系：方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，橫拉桿水平運(yùn)動(dòng)一定距離，從而調(diào)整兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向角。MPC用來定義任意節(jié)點(diǎn)任意自由度之間的耦合關(guān)系。MPC的卡片定義見表3-11。表3-11MPC卡片其中，G、C、A分別為多點(diǎn)約束涉及的節(jié)點(diǎn)、自由度及權(quán)重。所涉及的節(jié)點(diǎn)自由度uj滿足MPC連接可通過HyperMesh->Analysis->equations工具進(jìn)行創(chuàng)建，如圖3-5所示。圖3-5創(chuàng)建MPC連接基于上述基本連接單元，在HyperMesh中的1D->connector面板可創(chuàng)建貼合工程實(shí)際的連接關(guān)系，如焊點(diǎn)、焊縫、螺栓以及黏膠等連接方式。connector本質(zhì)上是將RBE、桿/梁?jiǎn)卧?、彈簧單元、殼單元以及?shí)體單元等組合起來模擬現(xiàn)實(shí)生活中的連接關(guān)系。焊點(diǎn)、焊縫以及螺栓連接廣泛用于汽車、船舶、航空航天以及重工等行業(yè)。汽車車身有上千個(gè)焊點(diǎn)，通常將焊點(diǎn)坐標(biāo)信息用.csv等文本格式記錄下來，然后使用HyperMesh進(jìn)行批量創(chuàng)建；車輛排氣管道以及船體多使用焊縫進(jìn)行連接，HyperMesh提供一維、二維以及三維單元模型焊縫；發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱一般使用螺栓連接箱體、箱蓋，HyperMesh提供多種螺栓連接類型，并支持一維以及三維螺栓預(yù)緊。消費(fèi)電子和家電行業(yè)因結(jié)構(gòu)緊湊而且塑料件非常多，黏膠連接使用較多。若黏膠只用于傳遞載荷，而不關(guān)心其受力情況，可直接使用HyperMesh中的簡(jiǎn)化版黏膠連接；若關(guān)心黏膠的受力情況，建議使用實(shí)體單元模擬黏膠，從而得到更準(zhǔn)確的受力情況。3.5.5軸對(duì)稱單元當(dāng)結(jié)構(gòu)、載荷及約束沿某個(gè)軸對(duì)稱時(shí)，由于周向相關(guān)應(yīng)變?yōu)?，3D模型可以簡(jiǎn)化為2D模型求解，即通過軸對(duì)稱單元進(jìn)行求解。以圖3-6中的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)為例，結(jié)構(gòu)繞Z軸對(duì)稱，假使載荷及約束也繞Z軸對(duì)稱，可取陰影部分的截面作為分析對(duì)象，采用軸對(duì)稱單元進(jìn)行求解，這樣可以避免采用3D結(jié)構(gòu)求解，大大提升了計(jì)算效率。OptiStruct提供四邊形單元CQAXI及三角形單元CTAXI，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)的不同，可采用一階單元或二階單元。軸對(duì)稱單元相應(yīng)的屬性卡片為PAXI。CQAXI卡片定義見表3-12，如果只定義了G1～G4，則為一階單元；如果定義了G1～G8，則為二階單元。需要指出的是，軸對(duì)稱分析中采用FORCE施加集中力時(shí)，其實(shí)質(zhì)是線載荷，即實(shí)際載荷除以該位置的周長。圖3-6軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)表3-12CQAXI卡片3.5.6平面應(yīng)變單元對(duì)于具有較長縱向軸（假定Z軸）的柱狀物體，其橫截面大小和形狀沿軸線長度保持不變，作用力與縱向軸垂直且沿縱向軸不變，約束沿著縱向軸不變，此時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)與Z向相關(guān)的應(yīng)變?yōu)榱悖擃悊栴}稱為平面應(yīng)變問題。平面應(yīng)變問題可以通過采用平面應(yīng)變單元將3D問題退化為2D問題，提升計(jì)算效率。OptiStruct提供了四邊形平面應(yīng)變單元CQPSTN和三角形平面應(yīng)變單元CTPSTN，其相應(yīng)的屬性卡片為PPLANE。以CQPSTN為例，其卡片定義見表3-13。表3-13CQPSTN卡片其中，PID引用PPLANE屬性卡片；Gi為節(jié)點(diǎn)ID。當(dāng)只定義G1～G4時(shí)，為一階單元；當(dāng)定義G1～G8時(shí)，為二階單元。3.6約束及載荷OptiStruct作為一款通用的有限元結(jié)構(gòu)求解器，支持各種類型的約束和載荷。目前支持的約束與載荷類型有固定約束、強(qiáng)制位移、集中力、離心力、壓強(qiáng)、溫度、轉(zhuǎn)矩以及重力等。3.6.1固定約束/強(qiáng)制位移固定約束用于模擬結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)線面上，比如房屋地基一般不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，機(jī)床安裝點(diǎn)不會(huì)相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)，懸臂梁固定端不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。固定約束一般施加到節(jié)點(diǎn)上，可以約束節(jié)點(diǎn)完全固定不動(dòng)，也可以約束節(jié)點(diǎn)的部分自由度。需要注意的是，實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)只有3個(gè)平移自由度，殼單元節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。OptiStruct使用SPC（單點(diǎn)約束）卡片來模擬固定約束，卡片格式見表3-14。表3-14SPC卡片其中，GID為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；C為約束的自由度，1～3為平移自由度，3～6為轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；D為該自由度上的位移，如果為0則為固定約束，如果不為0則為強(qiáng)制位移。HyperMesh中通過Analysis->constraints工具創(chuàng)建約束或強(qiáng)制位移。3.6.2集中力集中力是加載到一個(gè)節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)集上的力載荷，OptiStruct可通過FORCE、FORCE1、FORCE2卡片施加集中力?，F(xiàn)實(shí)生活中結(jié)構(gòu)都是沿著某條線或者某個(gè)面上受力，不存在絕對(duì)的一個(gè)點(diǎn)上受力的情況，因此有限元中通常也是將合力施加到一系列點(diǎn)上來模擬結(jié)構(gòu)受力情況。比如結(jié)構(gòu)受力面上有10個(gè)點(diǎn)，合力為250N，需要將合力除以10，分別加載到各個(gè)點(diǎn)上，即每個(gè)點(diǎn)上加載25N。也可以使用RBE3單元將受力點(diǎn)抓起來，然后將250N合力直接加載到RBE3中心點(diǎn)上。FORCE卡片格式見表3-15。表3-15FORCE卡片其中，GID為節(jié)點(diǎn)ID；GSETID為節(jié)點(diǎn)集ID；F為施加的載荷大??；N1、N2、N3為方向向量；CID為N1、N2、N3所定義的局部坐標(biāo)系，如果CID為空，則為全局坐標(biāo)系。需要注意的是，如果向量（N1,N2,N3）的幅值不為零，該幅值將會(huì)放縮載荷F值，即實(shí)際施加的載荷為3.6.3壓強(qiáng)現(xiàn)實(shí)生活中存在作用于表面的載荷，如水壩受到的水壓、飛機(jī)機(jī)翼上受到的氣壓。對(duì)于此類壓力，OptiStruct通過PLOAD、PLOAD1、PLOAD2以及PLOAD4卡片來施加。表3-16為最常用的PLOAD4卡片格式。表3-16PLOAD4卡片其中，EID為受壓力作用的單元編號(hào)；P1、P2、P3和P4表示面網(wǎng)格四個(gè)節(jié)點(diǎn)上的壓強(qiáng)大小，如果不設(shè)置P2、P3、P4，則默認(rèn)情況下P1=P2=P3=P4；（N1,N2,N3）為方向向量；CID為N1、N2、N3所在的局部坐標(biāo)系，如果為空，則為全局坐標(biāo)系。HyperMesh中通過Analysis->pressures工具來施加壓強(qiáng)載荷。3.6.4力矩在殼單元中，單元節(jié)點(diǎn)除了可以承受集中力外，還可以承受彎矩。前面已經(jīng)介紹，力可以通過FORCE、FORCE1、FORCE2卡片施加，而彎矩則需要通過MOMENT、MOMENT1、MOMENT2卡片施加。以MOMENT卡片為例，卡片格式見表3-17，其他兩個(gè)卡片的設(shè)置類似。表3-17MOMENT卡片其中，GID為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；GSETID為節(jié)點(diǎn)集編號(hào)；M為彎矩；（N1,N2,N3）組成一向量，表示力矩的方向。需要注意的是，如果（N1,N2,N3）不是單位向量，則該向量的幅值會(huì)縮放彎矩M。CID為N1、N2、N3所在的局部坐標(biāo)系，如果為空，則為全局坐標(biāo)系。3.6.5重力OptiStruct提供GRAV、ACCEL、ACCEL1和ACCEL2四種卡片來模擬重力。GRAV用于對(duì)整個(gè)模型施加加速度載荷；ACCEL用于對(duì)模型中所有節(jié)點(diǎn)施加加速度載荷，但不同位置可施加不同的加速度載荷；ACCEL1用于對(duì)特定的節(jié)點(diǎn)施加相同的加速度載荷；ACCEL2用于對(duì)特定節(jié)點(diǎn)集施加不同的加速度載荷。GRAV卡片見表3-18。表3-18GRAV卡片其中，G為施加的加速度；（N1,N2,N3）構(gòu)成一個(gè)向量，表示加速度的方向；CID為N1、N2、N3所在的局部坐標(biāo)系，如果為空則為全局坐標(biāo)系。ACCEL卡片見表3-19，ACCEL1及ACCEL2的卡片設(shè)置類似。表3-19ACCEL卡片其中，（N1,N2,N3）定義了加速度的方向；CID為N1、N2、N3所在的局部坐標(biāo)系，如果為空，則為全局坐標(biāo)系；DIR可為x、y、z，通過LOCi指定不同DIR方向LOCi處的節(jié)點(diǎn)，施加VALi的加速度值。位于LOC（i）及LOC（i+1）之間位置的節(jié)點(diǎn)，通過插值得到相應(yīng)的加速度值，如圖3-7所示。HyperMesh中可直接創(chuàng)建GRAV類型的loadcollector，ACCEL、ACCEL1和ACCEL2卡片可通過Analysis->accels工具創(chuàng)建。圖3-7不同位置的加速度示意圖3.6.6離心力電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)受到離心力作用，OptiStruct中提供RFORCE卡片來模擬離心力。在HyperMesh中直接創(chuàng)建類型為RFORCE的loadcollector即可創(chuàng)建離心力。RFORCE卡片格式見表3-20。表3-20RFORCE卡片格式其中，G為旋轉(zhuǎn)中心節(jié)點(diǎn)編號(hào)；（R1,R2,R3）為轉(zhuǎn)動(dòng)方向；CID為R1、R2、R3定義的局部坐標(biāo)系；A為轉(zhuǎn)速；IDRF為單元集；RACC為IDRF單元集的轉(zhuǎn)速縮放系數(shù)。3.6.7LOADADD在OptiStruct中，一個(gè)工況通常只能包含一個(gè)載荷卡片，但實(shí)際上一個(gè)工況中可能會(huì)包含數(shù)十種載荷，有兩種方法可解決該問題：①把幾十個(gè)載荷放在同一個(gè)loadcollector中；②將同一工況下的載荷放到一個(gè)類型為LOADADD的載荷集，即進(jìn)行載荷疊加。若載荷數(shù)量很多，建議使用LOADADD卡片進(jìn)行載荷疊加。LOADADD卡片可以關(guān)聯(lián)FORCE、MOMENT、FORCE1、MOMENT1、PLOAD、PLOAD1、PLOAD2、PLOAD4、RFORCE、DAREA、ACCEL、ACCEL1、ACCEL2、GRAV等卡片類型。LOADADD卡片在進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，可通過縮放系數(shù)對(duì)各載荷進(jìn)行比例縮放。LOADADD卡片見表3-21。表3-21LOADADD卡片格式其中，Si為一個(gè)載荷集；Li為Si載荷的縮放系數(shù)；S為載荷總的縮放系數(shù)。其關(guān)系可用式（3-6）表示。3.7結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)實(shí)例3.7.1實(shí)例：框架模型線性靜力學(xué)分析本節(jié)以一個(gè)框架模型為例，展示線性靜力學(xué)分析的整個(gè)過程?？蚣苣Ｐ腿鐖D3-8所示，約束前后板安裝點(diǎn)上的自由度，在右邊板的連