na基础培训3days1下午维建模

1、1维梁单元建模1空间站桁架结构 本例题的主要内容: 第1部分: 建模 介绍几何建模 转换几何模型 使用Groups组合模型 网格 坐标系 第2部分: 1维有限元实体 MSC NASTRAN CBAR 单元 定义1维有限元单元属性 第3部分: 分析和结果 多工况 数据后处理2案例分析: 空间站桁架结构 问题描述 空间站桁架结构段的初步设计已经完成。桁架结构附带了许多用于导航, 通讯,和散热的关键部件。这个桁架段将通过航天飞机发射并安装到其它的桁架段上。现在需要分析这个桁架段能否承受的起发射和在轨条件. 分析目标 确定桁架杆件在载荷下的应力水平。最大应力必须小于材料的屈服应力3第1部分:建模 在这

2、部门我们讲学习: 使用Patran进行几何建模 几何模型的类型 每种几何类型的网格划分选项 使用Groups管理模型 Patran and MSC Nastran中的坐 MSC Nastran 中网格点 PatranandMSCNastran中的等效术语4案例分析:空间站桁架结构 空间站桁架结构分析入门: 一般的模型，直接使用有限元单元建模比较复杂。比较常用的方法是先创建或是导入几何模型，然后根据几何模型生成有限元网格。5PATRAN中创建的几何点(青色) 点是一个0维的CAD实体。表示空间的一个位置。 Patran 在创建曲线,曲面,和实体时自动创建点 几何点在顶点处创建, 例如. surf

3、ace 的顶点 (“corners”) 实体的创建不是一定需要从点开始，例如， 有点创建曲面YZ9YXXZ6PATRAN中创建的几何曲线（黄色） 曲线是单独参变量 1的广义向量函数。具有多种数学形式:P2x1x1)P( x1)(X,Y,Z) = function 曲线具有: 两个点5Zx1ZYP1 参变量坐标（x1），值从P1点位0.0到P2点位1.0 为曲线划分网格生成Bar单元XYXBarElement7Patran中创建简单曲面(绿色)有两种类型的曲面：P2 简单曲面 绿色 复杂曲面 (广义剪切面)xP12x2 紫红色简单曲面是两个参变量x1,x2的广义向量函数：xx1112(X,Y,Z

4、) = function (x ,x )12P(x1,x2)一个简单曲面具有： 3到4限制边界 一个参变量起点,和参变量坐标,其值为0到1之间P3P4ZZY具有3个可见边的简单曲面的第四条边掉了XYX8划分一个简单曲面 简单曲面划分网格生成2维单元三角形网格Tria mesh四边形网格Quad mesh9Patran中创建复杂曲面(紫红色) 复杂或者广义剪切曲面(紫红色)具有多于4个的边, 没定义参变量(x1, x2 没有使用)或者具有内部挖孔 是一个“剪切”出来的参数曲面外部边界内部边界10划分一个复杂曲面 复杂曲面划分网格生成2维单元四边形网格Quadmesh三角形网格TriaMesh11

5、PATRAN中创建的简单体（） 有两种类型的体: 简单体 复杂体 简单体P (x1, x2, x3)白色P6PP57 三个参变量 x1, 简单体具有: 4到6个限制面x2, x3 的向量函数P8x3P2x2 参变量起点和坐标，其值为0到1 具有4到5个可见面的简单体有一些面P3掉了P1x1P412简单体的网格划分 划分简单体网格生成体单元HexmeshWedgemeshTet mesh13Patran中创建复杂体(白色) 复杂体 具有任意数目的定义体边界的面。称为边界表示体(Boundary Representation solid, 即B-Rep体) 复杂体有基于Patran本身的B-Rep

6、体或者parasolid格式的B-Rep体14划分一个复杂体 划分B-rep体网格生成体单元四面体单元Tet mesh15拓扑体 拓扑体是基本几何体的子分量面顶点体边 所有的拓扑体都可以用鼠标选择运行MSC.PATRAN函数。例如Solid 1.4 指体1的编号为4的面,这是一个曲面Surface 2.3指曲面2的编号为3的边,这是一个曲线16创建太空站几何模型17创建一个分组创建一个bulkheads 的分组18创建点输入7个位置点19XYZ1081.200020-81.20003030.67564.74040-30.67564.7405030.675-64.74060-30.675-64.

7、7407000Input 7 point locations创建曲线为一个隔框创建12条曲线20曲线5个隔框21X=100X=100X=120X=100X=100完成隔框的几何模型删掉不需要的线和点22创建一个新的分组创建一个分组longerons.分组是管理模型的有效工具.23创建纵梁几何模型为纵梁创建几何模型24创建一个新的分组创建新的分 diagonal.25创建斜梁的几何模型创建斜梁的几何模型26划分网格对桁架几何模型划分网格,生成节点和单元。 有两种单元大小的方法网格或者全局边长27创建一个新的分组创建一个新的分组 FEM28设置网格在最大间隔的4隔斜杆件上设置每个曲线的网格密度为每

8、个曲线12隔单元29划分桁架几何模型网格使用全局边长为20in 划分网格30划分结果比较粗糙的由全局边长的全局网格比较好的由网格的网格31等效化模型等效化模型合并重复节点32PATRAN中的坐用于创建和转换几何模型 坐33PATRAN中的坐同时也可以用于定义载荷方向和边界条件 坐34PATRAN中的坐也可以用于定义节点的分析坐标 坐35PATRAN中的坐 由三种类型的坐 直角坐 圆柱形坐 球坐 有许多种方法可以创建坐36MSCNASTRAN坐 MSC Nastran 坐用于 定义节点的空间位置 确定每个节点位移矢量的方向 MSC Nastran的坐 基础坐: 隐含定义参考直角坐（坐0）。这个系

9、统的 局部坐基础坐用户通过指定节点位置分量来定义。自定义坐。每个局部坐标必须直接或者间接地与相关。下面是六种局部坐: Rectangular Rectangular Cylindrical Cylindrical Spherical SphericalCORD1RCORD2R CORD1C CORD2C CORD1SCORD2S37MSCMSC Nastran 具备坐NASTRAN:坐 CORD1R, CORD1C,一个局部坐 CORD2R, CORD2C,和 CORD1S 卡通过。三个已有的节点ID号来定义和 CORD2S 卡通过指定三个点的矢量分量来定义一个局部坐。这种方式常用字Patra

10、n中。 所有的角坐标的输入。与这些坐相关的所有的转动角位移的都使用弧度。:38MSCNASTRAN直角局部坐直角坐(X, Y, Z)Point A Point B Point C Point P=局部坐的原点Z轴方向的参考点x-z 平面的参考点局部直角坐内定义的点(ux, uy, uz)= P点位置的位移分量39MSCNASTRAN圆柱坐(R, q, Z)原柱局部坐Point A Point B Point C Point P=局部坐的原点z 轴方向的参考点x-z平面的参考点局部直角坐内定义的点(Ur, Uq, Uz) = P点位置的位移分量40MSCNASTRAN球坐(R, q, f)球局部

11、坐Point A Point B Point C Point P=局部坐的原点Z轴方向的参考点X-Z平面的参考点局部直角坐标系内定义的点(Ur, Uq, Uf) = P点位置的位移分量41MSCNASTRAN坐标系输入卡42显示坐0十字形符号表示坐的原点00 通常在视窗坐的左下方显示43创建一个直角坐Point 23创建一个直角坐标系统用于后面定义载荷方向Point 1744Point 16节点 节点用于定义: 几何结构 结构自由度 施加约束或者载荷点的位置 待机算的输出量的位置45自由度 每个节点具有六个方向的移动能力，这称为自由度(DOF).6DOF1 DOF2 DOF3 DOF4 DOF

12、5DOF6=T1 T2T3=u1 u2 u3q1q2q3=translation in direction 1 translation in direction 2translation in direction 33R1 = R2 =R3 =rotation in direction 1 rotation in direction 2rotation in direction 3215446自由度 对每个节点，所有的六个自由度必须: 在三中考虑，即使求解的问题是1维或2维 所有没有使用的自由度必须受到约束63215447Nastran节点卡片 Nastran节点卡片FieldContents

13、ID节点编号CP编号(大于等于0的整数,或者为空; 默认为基础坐标系)定义节点位置的坐X1, X2, X3在坐CP中的节点位置(实数)CD定义节点位移,自由度, 约束, 和求解向量的坐编号 (大于等于0的整数或者为空; 默认为).基础坐PS与节点相关的单点约束 (数字1-6的任何一个,不含空格)不推荐使用此方法约束结构.SEID超单元 ID48Nastran节点卡片(续) 每个节点输入卡参照两个坐 域3的坐 域3的坐 位移方向,用于局部节点。称为位置坐.后者用于定义给定节点的用于建立节点位移坐,自由度,约束,和求解向量.49节点位移坐标系 节点位移坐标系 节点位移坐也称为输出坐,这是因为所有的

14、节点运算结果(位移,节点力等)的产生和输出都在这个坐内进行，global coordinate 所有位移坐system.的称为全局坐50节点坐标实例 节点10和20位于机身上，如下图所示，节点输入卡使用坐5定义两个节点的位置，使用坐0定义节点的位移。Basic coordinate system 0Coordinate System 5 (cylindrical)51节点坐标实例如果关注机身径向和切向的位移和力，可以将域7的坐由0改为5。Coordinate System 5 (cylindrical)Basic coordinate system 052局部坐标系在约束和载荷中的应用CS可以

15、适用于定义约束或者定义载荷等等LocalCONSTRAINTSRIGID ELEMENTS间距SPRINGSForce53在PATRAN中创建一个节点 在PATRAN中创建节点有两种方法: 直接创建节点 划分几何模型网格Equivalent to grid point in MSC NastranEquivalent to the displacement coordinate system in MSC NastranEquivalent to the positional coordinate system in MSC Nastran54NASTRAN和PATRAN术语 NASTRAN和

16、PATRAN的等效术语:55NASTRANPATRANGrid PointsNodesBasic Coordinate SystemGlobal Coordinate SystemGlobal Coordinate SystemNoneDisplacement Coordinate SystemAnalysis Coordinate SystemPositional Coordinate SystemReference Coordinate SystemEXERCISE Perform Workshop 3 “Coordinate Systems” in your exercise workb

17、ook.56第2部分:学到:1D有限元单元 在这部分MSC Nastran中1D单元的类型为模型选择合适的单元MSC Nastran CBAR 单元Bar 的偏移单元坐一维单元属性的定义Bar and Beam 单元的方向单元横截面的显示手动输入截面属性57创建材料属性 返回例题。创建材料属性。 在桁架结构中选择铝板7075-T7351和棒料. 材料属性如下:E = 10 x 106n = 0.3拉伸屈服强度=psi45ksi58创建材料属性创建材料属性 al_707559创建材料属性输入材料属性60桁架中的载荷路径 考虑组合桁架中的载荷路径 由于负载方式的桁架件必须承受轴向和横向载荷。剪弯矩

18、在杆件中转化为桁架连接点之间的某个位置上的横向载荷，如下所示。必须选择能承受剪切弯矩的单元类型。PM61常用1-D单元 下面是Nastran中最常见的一维单元: ROD BAR BEAM铰接杆单元(4 DOFs)柱状梁单元(12 DOFs)具有弯曲的直梁单元(14DOFs)62单元选择 一维单元的选择方针: 一般来说，要选择能够给出正确载荷路径的最简单的单元。更复杂一些的单元也可以达到目的，但是可能会同时给出很多并不需要输出信息. 如果在单元中只传递轴向或者扭荷，选择CROD或者CONROD单元最好。 如果要在单元中传递剪切和力矩，使用CBAR单元式最简的单元。 若有以下，使用CBEAM而不是

19、CBAR单元: 变截面 中性轴和剪不重合 横截面上的扭矩对扭转刚度的作用比较大 重心和剪不重合 锥形对于横剪刚度的影响（剪切减缓）比较大63单元选择 对于本例的问题，由于CBAR单元可传递剪切弯曲力矩，所以使用CBAR。 CBEAM具有一些我们这里不需要的多余的功能。在下一章中将演示使用CBEAM单元。64CBAR单元 CBAR 单元的一般特点 连接两个节点 表达式来源于经典梁理论（板部分在变形下保持板形状） 包含可选的挠性横剪力 中性轴可以从节点处偏移（会隐性创建一个刚体连接） 主惯性矩轴不需要与单元轴一致 铰接标记能力用于表示开口结合杆，铰接，球头节等65CBAR单元 CBAR的局限性:

20、只用于直的，等截面杆件(如，其单元属性不沿着长度方向改变). 剪和中性轴必须重合（因此不推荐对槽型或者角截面行建模）. 忽略横截面弯矩的影响. 位移分量: 每个端点具有6个自由度. 力分量: 轴力P 扭矩 T 两个垂直方向的弯曲力矩M1 and M2 两个垂直方向的剪切力 V1 and V266CBAR单元 CBAR单元输入卡:67CBAR单元 CBAR单元输入:68CBAR单元 CBAR 单元坐 由方位矢量V定义 方向输入横截面属性 定向输出 定向铰接标记应力s:xzz69xCBAR单元CBAR Element Coordinate System70CBAR单元CBAR Element Co

21、ordinate System with Offsets71CBAR单元 接下来的两个例子可用于定义CBAR单元坐X1,X2,X3）。方位矢量V（G0或者如果用CBAR单元表示机身上的长桁，使用G0方法定义少一些。方位矢量V的输入会坐Example 172CBAR单元Example 2使用CBAR单元定义上面三角架模型的方位矢量，使用矢量分量（X1,X2,X3）定义比较方便。这是因为三角架的每个腿的方位都是的。73CBAR单元 CBAR 偏移量 CBAR单元的端点可以从节点(GA,GB)通过在CBAR卡上指定偏移向量的分量 WA和 WB进行偏移。 偏移向量使用连接节点和单元一端的刚体连接处理。

22、 单元坐的定义与杆单元端点的偏移量有关。74CBAR单元Bar偏移的例子加强件加强件的质心偏移量节点薄板75CBAR单元 TheOFFT fieldOFFT是描述怎样偏移和解释方位矢量分量的字符代码。默认（输入字符GGG或者空白），偏移向量在节点A和B的位移坐标系统中测量出来，并且方位矢量在节点A的位移坐中测量出来。如下面表格所示，偏移向量可以在 在相对节点A和B的偏移坐中测量出来，并且方位矢量可以在基本系统中测量出来。76CBAR单元TheOFFTfield(Cont.)77CBAR单元 CBAR 铰链标志 用户指定传递0 在单元坐力矩的杆单元的任意端的自由度。铰接标志PA和PB内指定，在可

23、选的CBAR附加卡的域2和3中定义。78例子: 在CBAR单元的此端定义旋转自由度创建一个铰接连接CBAR单元 CBAR单元卡属性:79CBAR单元CBARElementPropertiesentry(Cont.)80CBAR单元CBARElementPropertiesentry(Cont.)81CBAR单元82CBAR单元83CBAR单元ShearFactorK84CBAR单元85CBAR 可选的CBAR单元属性卡:单元86CBARtypes单元PBARLcross-section87CBARtypes单元PBARLcross-section88CBAR单元PBARLcross-secti

24、ontypes89CBAR单元PBARLcross-sectiontypes90CBAR内力矩单元BAR单元内91CBAR内力矩单元BAR单元的内92创建单元属性创建CBAR单元的属性CBARCBENDCBEAM93创建单元属性 对空间站桁架结构段，有两种截面: 纵梁和舱壁杆件承受比较大的轴向料。弯曲载荷，使用大型I型截面材 斜构件承受较小的载荷，使用小型的I型截面材料。94创建单元属性Heavy Section6” x 6”Tf = 0.500 in Tw = 0.25 inLight Section 6” x 6”Tf = 0.375 in Tw = 0.190 in95创建单元属性选择显

25、示分组longerons 和bulkheads96创建单元属性为分组 longerons 和 bulkheads创建属性选择之前创建的材料输入方向向量97创建单元属性从梁单元库选择截面形状98创建单元属性创建I-beam的名称以及形状99创建单元属性点击 Calculate / Display计算剖面属性100创建单元属性点击 OK 确定剖面形状101创建单元属性点击 OK to 确定单元的物理属性102创建单元属性选择分组longerons 和bulkheads 中的所有曲线点击 Add 把曲线application region box中，然后选择 apply103添加到创建单元属性 检查

26、CBAR截面的方向正确性很重要。 一旦在BEAM库中使用了横截面形状，patran就有了足够的信息显示3D的截面形状。104创建单元属性Display - Loads/BC/Elem. Props105创建单元属性Change from 1D line display to 3D Display106创建单元属性Post the FEM group107创建单元属性108The CB displAR elements are now ayed as 3D members创建单元属性Zoom in to vthat the I-b are orientcorrectly109erify eams

27、 ed创建单元属性Shade the I-beamsShaded Hidden LineWireframe110创建单元属性AxisAxisThe beam is shown withorientation = <0 0 1>.Note that the Axis-2 is aligned with the basic z- direction.111<0 0 1>创建单元属性AxisAxisIf the beams had been defined with orientation =<0 1 0> they would be oriented as sh

28、ownNote the difference: the Axis-2 is aligned with the basic y-direction instead of z-dir.112<0 1 0>创建单元属性显示分组diagonal113创建单元属性为分组diagonal 中的元素创建属性选择材料，输入方向向量114创建单元属性 在PATRAN中有两种方式定义截面属性:1. 使用Beam库创建横截面a) 标准形状b) 任意形状2. 先计算横截面的属性，然后将它们直接输入到PATRAN中。 对于斜构件,我们使用第二种方法演示怎样直接输入横截面属性。115创建单元属性 使用一定的手

29、册，计算下面的截面属性为:Diagonals6” x 6”Tf = 0.375 in Tw = 0.190 inA = 5.497 in2 I1 = 37.94 in4 I2 = 13.50 in4 J = 0.224 in4116创建单元属性选择材料，输入方向向量117创建单元属性Enter A, I1, I2, J118创建单元属性Enter stress recovery points and click OK to accept properties119创建单元属性Select curves representing the diagonal members and apply120

30、创建单元属性 由于横截面属性是直接输入到PATRAN中的,因此PATRAN不能显示I型横截面的形状。 但是,Patran能够使用等价截面来显示上述截面。121创建单元属性Post the FEM group122创建单元属性Anotherorient sectionsele123way to verify the ation of crossis to display the ment Y axis创建单元属性 下面NASTRAN输入文件的一部分显示本例中怎样连接连接卡、属性卡和材料卡。124第三部分：分析和结果学习: 这部分 边界条件和载荷的定义 工况的定义 工况中的子工况创建 提交分析 一

31、维单元结果后处理This sectionwraps up theworkshop by completing thesimulationtruss.ofthespacestation125载荷和边界条件 边界条件 发射时,固定桁架段的6个点到航天飞机上。在轨道上, 展开与附近的桁架段连接 为简单起见, 我们仅分析在轨构型。对这种构型, 假定的桁架段足够结实能够为所分析的桁架段的两端提供一个固定的边界条件。126载荷和边界条件 施加载荷 有许多种在轨载荷条件包括航天飞机对接载荷、装配载荷和EVA(太空船外活动)载荷。对于此例,主要分析EVA离开载荷,为有一个航天员在太空站上工作产生的200lb载

32、荷。127载荷和边界条件创建边界条件fixed_ends128创建边界条件约束所有六个自由度129创建边界条件130选择桁架的两个端部创建边界条件完成边界条件应用131创建载荷 EVA 载荷可以作用于桁架段的任何部位。架舱的斜构件上。这个载荷作用于最长的桁132创建载荷创建加载 EVA_Load133创建载荷加载200 lb 的使用之前的坐力垂直于diagonal分组的元素134创建载荷选择应用范围完成创建加载135创建载荷136工况 一个结构可能会承受多种不同的载荷情景。也可能会在不同的使用阶段受到不同的约束条件。 一个最好的例子就是太空站。 在发射过程中, 空间站段与太空船内部有一些硬点连接。设计驱动为几种发射振动环境。 在轨段, 空间站段与其它段在两个末端连接。没有发射载荷、热载荷、EVA载荷和航天飞机振动载荷变成主要载荷情况。 所有这些发射和在轨载荷都可以用MSC.Nastran子工