西工大课程设计论文_机翼的模态分析与颤振分析

1、目 录一、软件介绍11.1 MSC.Patran介绍11.2 MSC.Nastran1二、翼板的模态分析32.1 建立几何模型的文件名32.2 创建几何模型32.3 划分有限元网格42.4 设置边界条件42.5定义材料属性52.6 定义单元属性52.7 进行分析62.8 查看分析结果62.8.1显示模态云图72.8.2显示模态变形图72.8.3同时显示模态云图及变形图8三、平板颤振分析83.1结构建模93.2气动建模103.2.1设定气动参考坐标系103.2.2气动建模网格划分103.3参数设置103.3.1参考弦长等参数设定103.3.2减缩频率等参数设定113.4耦合分析113.4.1生成

2、样条113.4.2应用样条113.4.3设定工况、分析123.5结果分析12四、总结13五、参考文献14一、软件介绍1.1 MSC.Patran介绍MSC.Patran(后称Patran)是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发，是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。使用Patran，可以帮助产品开发用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。Patran拥有良好的用户界面，既容易使用又方便记忆。P

3、atran作为一个优秀的前后处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性，具体表现在：1.模型处理智能化。为了节约宝贵的时间，减少重复建模，消除由此带来的不必要的错误，Patran应用直接几何访问技术（DGA），能够使用户直接从一些世界先导的CAD/CAM系统中获取几何模型，甚至参数和特征。此外, Patran还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，以使用户更灵活的完成模型准备。Patran允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、材料和单元特性, 并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息，以最大限度地减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。2.自动有限元建模。Patran的新产品中不

4、断增加了很多更灵活更方便的智能化工具，同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能，使用户快速完成他们想做的工作。同时也提供手动和其它有限元建模方法，以满足不同的需求。3.分析的集成。Patran提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在Patran中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断，进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。4.用户可自主开发新的功能。用户可将Patran作为自己的前后置处理器，并利用

5、其强大的PCL（Patran Command Language）语言和编程函数库，把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入Patran的框架系统， 或单独使用或与其它系统联合使用。这样，Patran又成为用户二次开发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。5.分析结果的可视化处理。Patran丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的分析结果，从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场的竞争力。Patran能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。1.2 MSC.NastranMSC.Nastran（后称Nastran）

6、是由MSC.Software公司推出的一个大型结构有限元分析软件，具有很高的软件可靠性、品质优秀，得到有限元界的肯定，众多大公司和工业行业都用Nastran的计算结果作为标准代替其他质量规范。Nastran具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性。使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择，则和获取最佳的应用系统。此外，Nastran还为用户提供了强大的开发工具DMAP语言。针对实际工程应用, Nastran中有近70余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足Nastran各种分析功能的需要, 且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后, Nas

7、tran即可进行分析, 如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等等。此外, Nastran的新版本中还增加了更为完善的梁单元库, 同时新的基于P单元技术的界面单元的引入, 可有效地处理网格划分的不连续性（如实体单元与板壳单元的连接）, 并自动地进行MPC约束。Nastran的RSSCON连接单元可将壳-实体自动连接, 使组合结构的建模更加方便。Nastran的具体功能有：1.静力分析。Nastran的静力分析功能支持全范围的材料模式，包括各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。主要的分析类型除常规的静力计算外，还包括惯性释放静力分析，即考虑结构的惯性作用，计算无约束

8、自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应；非线性静力分析，即几何大变形非线性、塑性和蠕变等材料非线性及考虑接触状态的边界非线性等。2.动力学分析。结构动力学分析是Nastran的主要强项之一。不同于静力分析，结构动力学分析常用来确定时间或频率变化对整个结构或部件的影响，同时还要考虑各种阻尼和惯性效应的作用。Nastran动力学分析功能包括正则模态分析、复特征值分析、频率及瞬间响应分析、随机响应分析、冲击谱分析、动力灵敏度分析、声学分析等。振动中小以及超大型问题不同的解题规模 ，用户可选择Nastran不同的动力学方法加以求解、Nastran不但可以求解部件和装配件的频率响应函数，而且具

9、有频率响应装配功能，通过频响函数装配，可以由部件或子系统的频响函数得到整个装配件的频率响应函数，从而研究系统各部件之间的耦合关系，确定振动和噪声的传递路径，为减振降噪提供工程指导。3.空气动力弹性及颤振分析。高速行驶的飞行器和受高速气流作用的结构在空气动力和气流扰动的作用下会产生变形和弹性振动，进而会引起附加的气动力，而附加气动力又使机构产生附加的变形和运动。气动弹性力学就是研究空气动力、弹性力学和惯性力之间的相互作用以及由此引起的对飞行器设计影响的一门边缘学科。颤振现象的本质是气动弹性动不稳定性现象。气动弹性问题涉及气动、惯性及结构间的相互作用，飞机、直升机、导弹乃至高耸的电视塔、烟囱等都需

10、要气动弹性方面的计算。Nastran的气动弹性分析功能主要包括静态气弹分析、动态气弹分析、颤振分析、气弹优化等。除此之外，Nastran还能用来进行屈曲分析、热分析、流固耦合分析、多级超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析、转子动力学特性分析、概率有限元分析等。本文应用MSC.Patran2008和MSC.Nastran2007，完成了两个实例，一个是某一翼板的模态分析，另一个是平板的颤振分析，包括平板的模态分析以及求解颤振速度和颤振频率。二、翼板的模态分析模态分析是用来求解结构的自然频率和振型，模态分析可以计算正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力和应力，并可同时考虑刚体模态，考

11、虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析等。模态分析的步骤如下：（1）创建或者读入几何模型。（2）划分有限单元网格。（3）创建边界条件。（4）创建材料属性。（5）创建单元属性。（6）定义模态分析类型。（7）分析求解。（8）查看求解结果。现用MSC.Patran和MSC.Nastran完成以下实例。对一翼板进行模态分析，翼板如图2-1所示，其材料属性如下：弹性模量为20e10Pa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，该板一端固定。分析问题求解如下。图2-1 几何模型示意图2.1 建立几何模型的文件名选择菜单File>New，输入文件名model，单击OK创建数据文件model.db。选择分

12、析代码MSC.Nastran，选择分析类型为Structure。2.2 创建几何模型单击 应用工具按钮，Create>Point>XYZ，在Point Coordinates List中一次放入0,0,0，2,0,0，2.3,0.2,0，1.9,0.45,0，1,0.25,0以建立5个点。Create>Curve>Point，Option：2 Point，在Point 1和Point 2、Point 1和 Point 5之间建立两条直线。Create>Curve>Spline，Option：B-Spline，B-Spline Parameters：4，Ord

13、er：Interpolation，在Point List中输入Point 2:5，单击Apply建立样条曲线。Create>Surface>Edge，Option：3 Edge，依次选择曲线1,3,2，单击Apply建立横截面。Create>Solid>Extrude，在Translation Vector中输入<0,0,10>，单击Apply建立立体模型，如图2-2所示。图2-2 建立的立体模型2.3 划分有限元网格单击 应用工具按钮，开始创建有限元模型，选择Action>Create，Object>Mesh，Type>Surface，E

14、lem Shape选择Tet，Mesher选择TetMesh，Topology选择Tet10，在Input List中选择实体Solid 1，在Global Edge Length框中输入值为0.2，单击Apply，完成划分有限元网格，创建爱你完成的有限元网格模型如图2-3所示。图2-3 划分网格后的模型2.4 设置边界条件单击 应用工具按钮，选择Action>Create，Object>Displacement，Type>Nodal。在New Set Name选项中输入SPC，单击Input data按钮，输入Translates<0 0 0>和Rotation

15、s<0 0 0>，单击OK。单击Select Application Region按钮，在Geometry Filter选项中选择FEM，选择模型的一侧所有面的节点，单击Add、OK、Apply按钮，完成创建。施加边界条件的有限元模型如图2-4所示。图2-4 施加边界条件后的模型2.5定义材料属性单击 应用工具按钮，选择Action>Create，Object>Isotropic，Method>Manual Input。Material Name：elastic，单击打开Input Properties按钮对应的面板，在Elastic Modulus中输入20e1

16、0，在Poisson Ratio中输入0.3，在Density中输入7.8e3，单击OK、Apply，完成材料的创建，如图2-5所示。图2-5 定义材料常数2.6 定义单元属性单击 应用工具按钮，选择Action>Create，Object>3D，Type>Solid。在Property Set Name中输入Solid，打开Input Properties按钮对应的面板，在Mat Prop Name中选择Elastic，单击OK；在Select Application Region选项框，选择视图中所有的实体单元，如图2-6所示，点击Add、OK、Apply。图2-6 定义

17、单元属性2.7 进行分析单击 应用工具按钮，选择Action>Analyze，Object>Entire Model，Method>Full Run。打开Solution Type按钮，选择求解类型为Normal Modes，单击OK。在Subcases>Output Requests中可以定义所需输出的数据类型，这里采用预设，即XBD和Print。单击Apply，弹出Nastran计算对话框，开始计算。2.8 查看分析结果1.读取计算结果。单击 应用工具按钮，选择Action>Access Results，Object>Attach XBD，Method&

18、gt;Result Entities。单击Select Results File按钮，选择model.xdb，单击OK、Apply。2.单击 应用工具按钮，在菜单栏显示出得到该翼板的前10阶固有模态频率，如图2-7所示。图2-7 翼板前10阶固有模态频率2.8.1显示模态云图选择Action>Create，Object>Quick plot。在Select Result Cases中选择Default，Al：Mode 1：Fred.=3.1947，在Select Fringe Result选项中选择Eigenvectors Translational，在Quantity选项中选择M

19、agnitude，单击Apply按钮，翼板第一阶模态的云图就显示出来了，如图2-8所示。图2-8 一阶模态云图2.8.2显示模态变形图选择Action>Create，Object>Quick plot。在Select Result Cases中选择Default，Al：Mode 2：Fred.=14.346，在Select Deformation Result选项中选择Eigenvectors Translational，单击Apply按钮，翼板第二阶模态的变形图就显示出来了，如图2-9所示。图2-9 二阶模态变形图2.8.3同时显示模态云图及变形图选择Action>Crea

20、te，Object>Quick plot。在Select Result Cases中选择Default，Al：Mode 3：Fred.=19.562，在Select Fringe Result选项中选择Eigenvectors Translational，在Quantity选项中选择Magnitude，在Select Deformation Result选项中选择Eigenvectors Translational，单击Apply按钮，翼板第三阶模态的云图及变形图就显示出来了，如图2-10所示。图2-10 三阶模态的云图及变形图三、平板颤振分析颤振模型的建立包括结构建模和气动建模。结构模

21、型一般为梁式、板式甚至实体结构动力学有限元模型，模拟刚度和重量分布，即弹性和惯性特性。气动模型则将翼面简化为升力面，机身、外挂简化为旋转体。应用Doublet-Lattice 或 ZONA51升力面理论计算简谐气动力，使用样条技术连接结构模型和气动模型，将非定常气动力与结构运动耦合起来；再应用模态降阶技术，在广义坐标下仅对少数低阶模态进行颤振计算（pk法等），就可以求解出颤振速度和频率等颤振特性。MSC.Flds在Patran之上集成了FlightLoads菜单，用以建立气动模型并设定工况，进行气动弹性分析。MSC.Flds进行颤振分析主要步骤有：（1）MSC.Flds 2005结构建模；（2

22、）MSC.Flds 2005气动建模设定气动参考坐标系，气动建模网格划分；（3）MSC.Flds 2005参数设置参考弦长等参数设定，减缩频率等参数设定；（4）MSC.Flds 2005耦合分析生成样条，应用样条，设定工况、分析；（5）提交Nastran分析；（6）分析结果文件。现用MSC.Flds2008和MSC.Nastran2007完成以下实例。有一正方形平板，尺寸为0.254mX0.254m，弹性模量6.8947e10Pa，剪切模量2.6518e10Pa，泊松比0.3，密度2643.4kg/m3，板厚0.002m，一侧边固定。进行颤振分析。3.1结构建模创建新文件flutter，选An

23、alysis Type为Structure。用坐标创建平面，Vector Coordinates List <0.254, 0.254, 0>。进行有限元划分，展向网格数为10，弦向网格数为4，如图3-1所示。图3-1 划分网格后的网格设置材料属性，材料名：mat_1，Elastic Modulus = 6.8947e10，Poisson Ratio =0.3，Shear Modulus = 2.6518e10，Density =2643.4。设置单元属性，单元名：plate，输入参数，材料选择mat_1，厚度0.1，选择应用区域为整个平面。施加约束seta，Translation

24、s 为<0, 0, 0>，Rotations 为<0, 0, 0>，作用区域为有限元节点Node 1:45:11，即左侧边5个节点。图3-2 施加约束后的模型进行模态分析，Solution Type选择NORMAL MODES。读取计算结果，点击Result按钮，查看模型的前10阶固有频率。进行后处理，可显示各阶模态的变形图和云图。图3-3显示了各阶模态固有频率和第一阶模态变形图。图3-3 各阶模态固有频率和第一阶模态变形图3.2气动建模切换MSC.Flds模态，在Preference中选择Analysis，将Analysis Type由Structure改为Aeroe

25、lasticity。3.2.1设定气动参考坐标系在Flight Loads Dynamic中选择Option，Basic Aero Coord Frame中使Coord为0，保证该坐标系X轴正向为顺气流方向。3.2.2气动建模网格划分单击Geometry工具按钮，创建气动模型，为使其与结构模型有区别，将坐标原点定在0.01, 0.01, 0.01处，其各边长不变。在Aero Modeling>Flat Plate Aero Modeling中选择升力面来划分网格。展向网格数为10，弦向网格数为4。3.3参数设置3.3.1参考弦长等参数设定选择Aerodynamic>Global D

26、ata，使用全模型，参考弦长和展向长度均为0.254，单位改为kg/m3，使用参考大气密度1.226。3.3.2减缩频率等参数设定选择Aerodynamic>Unsteady Aerodynamics，设置MK Pair，命名为MK-Flutter单击Mach Frequency Pairs，设置马赫数和减缩频率，马赫数为0.5，减缩频率选择Dimensional，根据平板的固有模态，将Fmin设置为其第一阶固有频率26.369Hz，Fmax设置为其第五阶固有频率219.26Hz，假设 Vmax=300， Vmin=100，取Number=10，可以假设出k在0.071.75之间。设置如下图3-4所示。图3-4 MK Pair的设置3.4耦合分析3.4.1生成样条选择Aeroelasticity<Aero-Structure Coupling，常见平面样条，选择Infinite Plate，选择结构模型和气动模型。3.4.2应用样条选择Aeroelasticity<Aer