2上午几何有限元建模

1、2维板壳单元建模1飞机翼肋2飞机翼肋 本例中讨论的主题: PATRAN 2D 几何模型 2D 几何模型划分网格网格划分 NASTRAN 板单元和壳单元的定义 导入 CAD 几何模型 2D 实体模型中位面提取 载荷和约束 2D分析结果显示3案例分析:飞机翼肋问题描述进行一个翼肋的分析,这是一个轻型飞机机翼的一部分。 机翼翼肋与机翼的前后墙和机翼蒙皮连接。 在此特殊载荷条件中,力情况。翼肋承受剪切力,查看在重量减轻孔周围的应:Wing Rib4Front SparRear Spar案例分析: 飞机翼肋 翼肋 我们通过做下面假定来简化分析, 假定前墙给翼肋提供剪切力,后墙被有效地固定住。 载荷由评估

2、的气动载荷和惯性载荷决定。 几何模型通过忽略翼肋边缘的曲率变形而做了简化。5案例分析:飞机翼肋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:飞机翼肋 分析目标 确定在剪切载荷下翼肋的载荷水平。最大应力必须小于材料的屈服应力。 确定翼肋最大垂直位移。气动弹性学要求最大垂直位移不应超过0.100inch7创建几何模型 简单的PATRAN 曲面(绿色) 曲面是两个参变量的广义向量函数 曲面具有

3、以下特性: 一系列边界曲线 一个参数原点和两个参变量( 2) 曲面可以具有与曲线相同的曲率 显示线可以用来显示内部曲率1和8创建几何模型 简单曲面(绿色)具有3或者4个边 具有3个边的简单曲面其中一个边了 简单曲面可以使用Iso网格划分器(Mapped) 或者Paver格网格划分器划分网Simple SurfaceIsoMesh (mapped mesh)ElementsGeometry9创建几何模型 一般曲面(紫红色)具有多于4个的边, 或具有内部边界(孔) 也称为修整曲面 一般曲面只能使用Paver网格划分器划分网格 一般曲面可随意地分割成一些简单曲面,网格从而可以使用ISO网格划分器划分

4、General (Trimmed) SurfacePaver MeshElementsGeometry10创建几何模型几何面板11为翼肋的上部的半块板创建4个点创建几何模型使用点创建4条直线12创建几何模型在三个cutouts处创建点.13创建几何模型使用2D ArcAngles创建 180 度的曲线.14创建几何模型创建其他的曲线15创建几何模型在中心线4 与第一个剪切孔相交的地方，打断中心线416创建几何模型Repeat this for all the segments along the centerline17创建几何模型沿着半个翼板连接所有的元素创建一个 curve 2018创建几

5、何模型设置curve 20 为外边界曲线，19创建裁剪曲面。创建几何模型The Trimmed Surface is drawn in Magenta and the hatching is at an angle as we20have visualization linesswitched on创建几何模型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具有减轻孔的翼肋We now have two complex(22Magenta) surfaces.具有减轻孔的翼肋网格划分菜单在两个面上使用Paver划分网格单元使用Quad4类型全局边长设为1 inch23具有减轻孔的翼肋24对所有情况，全局边长1 都占优具有减轻孔的翼肋Equivalencing 之前的自由边25具有减轻孔的翼肋EquivalenceObject: All26具有减轻孔的翼肋27Equivalencing后的

7、自由边具有减轻孔的翼肋 Paver 网格划分器 用于所有曲面 剪切曲面 (紫红色) 简单面(绿色) 当划分曲面网格时, Paver由边开始逐渐向内扩展 增加 Paver能够识别硬点，以及关联于面上的曲线28具有减轻孔的翼肋 翼肋减轻孔模型 对于远离应力集中的区域，全度很好 孔周围网格密度很小，并且网格带很小（材料带状区域） 增加 Use Mesh on Mesh with hard bars and Washerparameteraround Holesmesh 沿孔周围可以使用hardbars和washer用meshonmesh的方法划分网格。29具有减轻孔的翼肋：单元在孔周围获得更好的单元

8、形状: Mesh on Mesh 方法 Washers Hard Bars Geometry 方法 在surface上怎讲硬线然后meshOR 使用curve打断surface然后meshNote: Breaking surface method will not be shown.30具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH31具有减轻孔的翼肋：MESHONMESHUse the Mesh Parameter: Washers around Holes32具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH返回Geometry创建同心曲线网格.33具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH通过定偏移量0.5 偏

9、移顶部边界右边的孔把重复数量改为 234具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH通过定偏移量0.5 偏移底部边界右边的孔把重复数量改为 2点击Reverse Direction 保证曲线创建在孔的外部35具有减轻孔的翼肋：MESHONMESHseed.单元总数量:Middle curve = 13 top, 13 bottom Right curve = 16 top, 16 bottom36在所有的同心曲线上创建mesh具有减轻孔的翼肋：MESHONMESHMesh the curves37具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH对右边和中间的孔使用Hard Bars进行Mesh on Mesh

10、通过框选hard bars.框选2D elements.38具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH使用hard bars网格质量有了很大，但是我们还希望能够获得更规则39的单元排列具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH把 mesh on mesh时用到的beam单元删除.使用 Beam Element 过滤选择40具有减轻孔的翼肋：MESHONMESH把mesh on mesh 后得到的新单元与所有surfaces进行关联。41具有减轻孔的翼肋42具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES点击 Draw DirectionVector返回Geometry 创建同心曲点击 Reverse

11、Direction 选择相反的径向方向.线进行网格.注意：方向向量可能显示在半圆的端点.43具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES通过定偏移量0.5 偏移顶部边界右边的孔把重复数量改为 244具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES通过定偏移量0.5 偏移底部边界右边的孔把重复数量改为 2点击Reverse Direction 保证曲线创建在孔的外部45具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES把curves与合适的surface进行关联，顶部的curves与surface 1，底部的curves与surface 2进行关联。46具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECU

12、RVES在所有curves上创建mesh seed.单元总数:Left hole= 10 top, 10 bottomMiddle hole= 13 top, 13 bottomRight hole= 16 top, 16 bottom47具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES对surface进行mesh.使用Paver 方法选择两个surfaces Use a value of 1”删除已存在的网格48具有减轻孔的翼肋:ASSOCIATECURVES49PAVER网格划分器 对于Paver网格划分器, 每个边的单元个数基于以下条件: Mesh Seeds 拓扑相关的区域的网格划分

13、沿边界的单元偶数 全局边长50PAVERIsoMesher比较网格划分器 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具有减轻孔的翼肋 完成翼肋的建模 创建材料属性 创建物理属性 施加载荷和边界条件 分析52创建材料属性 创建材料属性 设计者选用了铝7075-T73 材料属性为:作为结构材料. E = 10 x 106 n = 0.33 屈服强度= 50 抗剪强度= 65psiksiksi 属性输入参照之前例题.53创建材料属性属性面板创建一个具有线弹性和失效的各

15、向同性的材料本构模型参照之前的数据填写54创建单元属性 创建单元物理属性 在此我们使用薄壳单元类型。这是PATRAN “quad4”单元类型的一个具体应用 通过在单元属性菜单上选择薄壳单元定义这种单元 然后定义相关的物理属性: 厚度-.063in55创建单元属性属性菜单创建一个2D 壳单元属性,命名为rib_web连接材料输入厚度应用到两个曲面56创建单元属性 问题: 为什么要在曲面上使用单元物理属性?答: 这样作使得物理属性与曲面相关,即任何通过曲面网格划分生成的单元都具有这个物理属性 如果重新对曲面划分网格,产生的新的单元将自动具有这种物理属性.57二维单元 现在我们创建了quad4单元。

16、PATRAN的通称,它包括: 薄壳单元(此例中采用) 弯曲板单元 2D 实体单元 膜单元 剪切板单元的quad4单元是具有四个节点的单元 在创建单元物理属性时指定单元类型58二维单元 二维单元一览59二维单元很小,而另外两个方向 板是指一个方向 薄板是指厚度 对于线性分析,很大的结构单元与其它两个相比非常小(大概1/15)的结构单元MSC.Nastran板单元采用经典的薄板行为假定: 与厚度相比,中面变形很小 弯曲过程中,中面没有应变(中性)。(应用于横向载荷,对面内载荷不适用) 弯曲过程中,中面的法线保持为中面的法线不变60二维单元 板和壳单元(除了CQUADR和CTRIAR以外)在转动法向

17、自由度上没有刚度. CQUADR和CTRIAR板单元在转动法向自由度方向具有刚度.No stiffness in the drilling degrees of freedom or no rotational stiffness in the direction normal to the plate61二维单元 板和壳单元的常用参数 For V2001 PARAM, PARAM, PARAM, For V2004 PARAM, PARAM,K6ROT,K6ROT, SNORM,0.是所有线性求解序列的默认设置100.是所有非线性求解序列的默认设置.20.,是默认值and laterK6RO

18、T,SNORM,100.是所有求解序列的默认设置.20.,是默认值62二维单元 单元连通性由NASTRANCQUAD4卡定义,见我们所建的翼肋的单元1:.bdf file extract63CQUAD411122322CQUAD421232423CQUAD431342524CQUAD441452625CQUAD45156272612345678910CQUAD4EIDPIDGRID1GRID2GRID3GRID4THETAor MCIDZOFFSCQUAD411122322TFLAGT1T2T3T4二维单元64FieldContentsEID单元编号(大于0的整数)PIDPSHELL 或者PC

19、OMP 属性卡的编号G1,G2,G3,G4连接点的节点编号。(这些单元的所有内角必须小于180°)Theta材料属性方位角定义。如果为实数或者为空, 那么材料属性的方位角单位为度。如果是整数, 那么材料属性的x轴的方向沿着指定的坐标系统x 轴的 平面。T1,T2, T3,T4可选的附加卡。一旦使用, 描述单元节点G1到G4的膜厚度(小于等于0的实数,不全为零)。如果不使用, T1到T4的值设置为PSHELL卡的T值。ZOFFS从曲面的偏移, 由单元坐标系内的节点到单元参考面的距离定义。二维单元PSHELL卡定义的单元物理属性 由NASTRAN忽略其它项65$ Elements and

20、 Element Properties for region : rib_web$CQUAD411122322CQUAD421232423CQUAD431342524PSHELL11.0631112345678910PSHELLPIDMID1TMID212I/T3MID3TS/TNSMPSHELL11.0631112345678910Z1Z2MID4二维单元66FieldContentsPID属性编号(大于0的整数.)MID1薄膜行为的材料编号(大于0的整数或者为空)T板或者膜的厚度MID2弯曲行为的材料编号(大于0的整数或者为空, MID2 = -1表示平面变形) 注意: MID2的默认值不

21、包含弯曲刚度。对于大多数模型, MID2 不应为空12I/T3每长度的法向弯曲惯性(实数或者为空,默认值=1.0)。对于实体单元, 均匀平板,默认值就可以了.MID3横向剪切行为的材料编号(大于0的整数或者为空)TS/T横向剪切厚度除以薄膜厚度(默认= .833333).对于实体单元,均匀平板,默认值就可以了二维单元67FieldContentsNSM每面积的非结构质量(实数)Z1, Z2弯曲度的应力复原距离(实数, 默认Z1 = -1/2 厚度, Z2 = +1/2 厚度MID4定义膜变形和弯曲变形耦合度的材料编号二维单元 本例的NASTRAN输入文件的一部分显示连接卡、属性卡,和材料卡是怎

22、样连接在一起的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载荷和边界条件 施加载荷和边界条件 假定后梁完全固定 在前梁上作用每inch60lbs的垂直载荷69创建边界条件Loads/BCs创建一个边界条件并命名为fixed

23、70创建边界条件完成边界条件创建71单点约束 我们可以在PATRAN中看到这些约束,但是这些约束怎样写入到NASTRAN的bdf 文件中呢? 这要通过SPC来完成. 一个单点约束(SPC)是在选定节点施加的对一个或者多个运动分量的约束. 输入格式有两种, 只是方便程度不同而已: SPC SPC1-PATRAN不支持PATRAN支持72单点约束 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单点约束 SPC1 entry format:7412345678910SPC1SIDCG1G2G3G4G5G6SPC11123456122436485106G7G8G9G10G11G12G13G151152153154单点约束要求SPC 选择 这些约束通过工况 需要时才施加约束 对于每个子工况SUBCASE约束集可能不一样 注意：如果使用SPC作用和SPC1卡,除非在工况里面指定以外,否则不发生75单点约束 SPCs 在定义节点的输

25、入坐标(位移)系统里面指定。记住节点的输入坐标系统在GRID卡的域7中定义 这具有更好的使用优点，在后面章节会有示例 由于约束影响输出坐标系统的方向,使得它成为一个重要的错误源76单点约束 使用SPC包括: 支撑结构（施加约束） 通过抑制那些为满足对称或者称条件而必须设为0值的自由度,施加对称或者称边界条件 移除结构没有连接或者连接很弱的自由度 移除结构分析中没有使用的自由度(如,2D分析中的非面内自由度) 对节点施加0或者非0的强迫位移77单点约束 约束可以定义为:的，由GRID卡定义(PATRAN不支持) 用户选择的，在工况或者SPCD卡定义段由SPC=SID完成。在模型数据段由SPC,

26、SPC1, 自动，PARAM,AUTOSPC,YES 受约束点的反作用力(单点约束的限制力), SPCFORCES=ALL得到可以通过在工况中设置78分布载荷创建一个分布载荷,命名为force注意这是载荷长度的I在f1方向上施加-60 lbs / in.选择应用范围(右边)79分布载荷完成载荷创建80分布载荷谨慎进行。 施加分布载荷时要是一个工作载荷,或者 本例中, 总载荷= 60长度的载荷lbf/in x 22in (1320以边缘的方向为基础lbf)方向f1f2f3为参变量,f1f3yf2zx81FORCE输入卡 在PATRAN中可以看到这些载荷，但是这些载荷是怎样写入到NASTRAN的b

27、df文件中呢? 我们使用FORCE数据卡.82FORCE 选择节点21, 42, 63, 84, 105, 等输入卡 每个节点施加55.0 的载荷(共有24个节点,总载荷为1320 使用向量< 0. -1.0 0. >lbf)FORCE集给定一个编号，本例中为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输入卡 FORCE 输入卡格式 FORCE可用于任何坐标系，在此我们使用默认值0 注意，力的大小由矢量和力叠加8412345678910FORCESIDGIDCIDFX1Y1Z1FORCE12155.000.0-1.00.0FORCE输入卡 节点的FORCE应用由于数据重复看起来比较, 这对于NASTRAN的在QUAD4单元上的分布载荷,从运动学上来说等效于一个常量载

29、荷,是一个有用的方法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 .执行分析 现在完成了分析的前处理过程,下一步提交NASTRAN进行分析计算Post-P

30、rocessingPre-ProcessingSolverMSC NASTRAN86PATRANPATRAN执行分析Select LINEAR STATICanalysis87执行分析88Status window reports job progress读入分析结果 在NASTRAN完成分析以后,将结果重新到PATRAN中Post-ProcessingPre-ProcessingSolverMSC NASTRAN89PATRANPATRAN读入分析结果Attach in the xdb file90结果后处理 结果后处理 检查最大垂直方向的变形。 检查翼肋的张应力和剪切应力变形为0.100

31、inch. 张应力必须小于50 ksi (材料屈服强度) 剪切应力必须小于65ksi(材料的强度极限，使用1.5 的载荷因子)91结果后处理Plot the deformation92Max y disp= 0.148 in.结果后处理Plot the averaged xdirect stressesMax x stress = 22,400lbs/in293结果后处理Plot the averaged xy stressesMax absolute xy stress= 8,620 lbs/in294结果后处理绘制平均Von Mises应力图绘制非平均Von Mises应力图比较平均应力和

32、非平均应力。对于好的网格划分,这两个值应该很接近才对Max von Mistress = 21lbs/in295ses,700结果后处理默认的, PATRAN 对连接单元的节点的应力进行平均,并绘图显示这个平均应力取消平均选项, 可以显示真实的quad4单元的最大应力使用上述功能检查后墙连接点的上部的应力梯度96结果后处理标准的应力云图取消平均的云图在后梁顶点处的单元看起来具有比较陡的应力梯度。在这一处做局部应力水平结果时要否则这个梯度非常类似97结果后处理 2D单元的应力通过Z1和Z2两个位置计算。 Patran中默认显示Z2 位置的应力 对于这个例子，Z1位置的值和Z2位置的值是相同的，因为没有发生弯曲。98分析结果总结 最大变形为0.148超过所需的0.100 inch。如果包含翼肋柱头和墙的凸缘, 则期望变形在限制范围内 最大轴向应: 张应力= 22,400 psi 后墙上部 压应力= -22,500 psi 后墙下部 安全裕度>2 最大切应力: 切应力= 8,520 安全裕度&g