带有缺陷的横梁的静强度分析及模态分析

带有缺陷的横梁的静强度分析及模态分析摘要：当材料或产品结构受到多次周期性变化的载荷力作用后，应力值在虽然没有超过材料的强度极限，甚至低于弹性极限的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构发生破坏的现象，叫做疲劳破坏。本课题研究的内容就是通过对分析软件PATRAN2016的学习和研究对带有缺陷的柱体横梁进行有限元分析，并对其静应力强度及模态振型进行分析。即通过分析实现疲劳裂纹连续扩展的过程，得到裂纹扩展过程中应力强度因子以及传感器位置处的应变数据，然后通过计算确定柱体横梁的傅里叶曲线，得到扩展过程中产生缺陷的大小与应力循环次数、应变与循环次数的函数关系，得到横梁的模态分析图。然后通过搭建疲劳裂纹扩展在线监测实验平台，通过应变传感器采集裂纹扩展过程中的应变数据，得到柱体横梁在不同缺陷的情况下它的静应力强度以及模型的各阶模态振型，得出其在静应力下的疲劳强度与固有频率曲线图。通过最终得到的应力云图及各阶模态振型分析得出横梁在存在缺陷时的静应力强度下和模型的稳态。对于模态分析，还需要通过搭建的实验平台得到柱体横梁的固有频率曲线图，然后再通过PATRAN软件分析得到的模态图，两者作比较，最后得出结论。关键词：静强度；有限元分析；应力云图；模态分析；固有频率FatiguestrengthanalysisandmodalanalysisofbeamswithdefectsAbstract：Whenthematerialorproductstructureissubjectedtotheloadingforcewithmanyperiodicchanges,thestressvaluemayfailevenifitdoesnotexceedthestrengthlimitofthematerialorevenfallsbelowtheelasticlimit.Thisphenomenonofmaterialorstructurefailureunderalternatingloadingiscalledfatiguefailure.TheresearchcontentofthistopicistocarryoutfiniteelementanalysisofthecylinderbeamwithdefectsthroughthestudyandresearchoftheanalysissoftwarePATRAN2016,andanalyzeitsstaticfatiguestrengthandmode.Byanalyzingtheprocessofrealizingacontinuousextensionfatiguecrack,gotintheprocessofcrackextensionstressintensityfactorandstrainsensorlocationdata,andthenthroughthecalculateanddeterminethecylinderFouriercurvebeam,wasextendedwiththesizeofthedefectsintheprocessofstressandstraincyclingtimesasafunctionofcyclenumber,getthebeammodalanalysisdiagram.Then,bybuildinganonlinemonitoringexperimentplatformforfatiguecrackgrowthandcollectingstraindatainthecrackgrowthprocessthroughstrainsensors,thestaticfatiguestrengthandspecificmodesofthecylindricalbeamunderdifferentdefectswereobtained,andthefatiguestrengthandFouriercurvewereobtained.Throughtheanalysisofthestressclouddiagramandthemodalcurve,thefatiguecharacteristicsandstressclouddiagramofthebeamwithdefectsareobtained.Formodalanalysis,weneedtoobtainthemodalgraphofthecylinderbeamthroughtheestablishedexperimentalplatform,andthenanalyzethemodalgraphobtainedthroughPATRANsoftware,andthendrawaconclusionaftercomparingthetwo.Forstaticstrengthanalysis,themodelneedstobesimulatedandanalyzedbyPATRANsoftware,andfinallythestressclouddiagramofthemodelisobtainedforanalysis.Keywords:Staticstrength;Finiteelementanalysis;Stressclouddiagram;Modalanalysis;Naturalfrequency.

目录第1章绪论1.1课题来源、目的及技术要求1.2国内外现状及存在的问题1.3课题的设计思路1.4软件介绍、课题的实际意义及实用价值第2章总体方案设计2.1方案设计2.2设计说明2.21材料参数和模型介绍2.22课题描述2.23过程描述2.24问题描述2.25文件描述第3章静强度分析和模态分析3.1静强度分析3.1.1模型的创建3.1.2静强度分析过程3.1.3静强度分析结果3.2模态分析3.2.1模型的创建3.2.2模态分析过程3.2.3模态分析结果第4章总结参考文献致谢

第1章绪论1.1课题来源、目的及技术要求我选择本课题的理由是毕业后可能从事故障检修之类的工作，通过选做这类课题我可以提前熟悉市场上各类常见与不常见产品的疲劳强度特性，可以提前掌握如何通过有限元分析软件对各类产品进行疲劳分析和模态分析，并能够根据所得出的结果准确的分析并预测它们的寿命，为以后工作打下夯实的基础。本课题研究的内容是通过CAE有限元分析软件PATRAN2016对有缺陷的柱体横梁进行有限元几何建模，并通过对其进行网格化，并它向施加固定约束和一定的载荷，最终得出静应力云图。通过仿真模型和数据算法对其应力云图进行分析，最终得到其在静应力下的疲劳强度，在得到其疲劳强度的基础上对其剩余结构寿命进行预测。另外，还要对模型进行模态分析，得出模型各阶的模态振型。然后通过搭建试验台架，对模型进行频率测试，两者相结合，最后得出结论。本课题的技术要求是能够熟练掌握PATRAN分析软件的基础操作，例如：如何进行几何建模、如何给模型施加载荷、如何添加材料参数、如何运行分析过程、如何读取和分析结果、掌握实验台架的具体操作、如何进行模态分析、如何通过将实验数据与软件分析数据作比较得出结论等等。1.2国内外现状及存在的问题在日益严酷的市场竞争中，产品的寿命和可靠性成为人们越来越关注的焦点。国内外每年因产品发生疲劳破坏从而导致在其有效寿命期内报废的例子时有发生，同时由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。目前，在世界上对于疲劳强度的预测方法有很多，但是由于科技发展的限制性，遇到的很多问题都不能及时地得到解决，因此关于产品疲劳强度分析仍有很多问题急需解决。据不完全统计，每年因产品早期断裂而造成的损失高达1190亿美元，其中95%是由于疲劳引起的断裂。而如果这些产品在使用前就应用疲劳强度分析技术，其中有大约50%的损坏是可以避免的。在中国，随着我国汽车工业的不断发展，各大汽车制造企业都在重视产品开发过程中的设计、制造与试验环节，其中耐久性试验和疲劳寿命预测是尤其重要的方面。目前在我国疲劳耐久性与寿命问题更是普遍存在，是我国国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。因此现在许多企业将疲劳强度分析及寿命预测定为产品质量控制的重要指标。在传统的设计过程中，相关产品的疲劳寿命通常是通过一定量的物理样机的耐久试验得到的，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受到许多不确定因素的影响。等到产品投放市场后，产品疲劳强度耐久性问题的出现会使许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。CAE有限元分析软件MSCNastran可以有效地解决此类问题。目前的很多科学的方法已经能够方便的分析出大部分材料的疲劳寿命。如今根据材料力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法对于各产品的使用来说是个重大意义的发明结果。从对零部件的疲劳寿命进行初步的预测到通过科学的实验方法来提高产品的寿命，如今的科学正朝着一个明朗的有光明前途的方向发展。1.3课题的设计思路关于静强度分析，首先根据模型要求在Patran软件中创建几何模型，选择合适的模型材料参数将模型构建在主界面中。然后对其施加固定约束，并施加相应的载荷。然后选中导入的模型，对其进行网格化处理。然后在载荷选项表中对其施加一定的载荷，确定材料参数。其次，在Analyze选项表下选择模型创建的新文件对其进行分析处理。然后打开MSCNastran运行分析结果，然后回到Analyze选项表下选择文件格式，运行文件分析结果。最后在Result选项表下查看分析结果。关于模态分析，首先要在实验室搭建实验平台，通过对模型的不断测试，得到三条不同的信号曲线和FFT曲线，通过分析这些曲线，得出实验数据。另一方面，在PATRAN分析软件上，对模型进行模态分析，最终得到模型的各阶模态振型图，然后将实验室得到的实验数据与分析软件分析的结果数据进行比较比较验证，最后得出结果。1.4软件介绍、课题的实际意义及实用价值Patran是世界上使用最广泛的CAE有限元分析（FEA）预/后处理软件，能够提供实体几何建模，模型网格化，以及为MSCNastran，Marc,Abaqus,LS-DYNA,ANSYS,和Pam-Crash提供分析设置。Patran提供了能够简化线性，非线性，显式动态方法，热求解器，以及其他有限元求解器的分析工具。Patran提供的几何建模工具能让用户从零开始创建模型，熟悉创建模型的具体步骤，从而使Patran能够让任何人在软件中创建有限元几何模型。软件的全自动网格划分系统可以轻松的在平面和立体上创建网格划分（包括十六网格的网格划分）。软件中有限元求解器的荷载，边界条件和分析设置是系统设置好的，能够最大限度地减少输入文件时所不必要的麻烦。Patran的综合性功能和各类测试功能可以使分析的模型快速得到用户所需要的结果，以便用户可以根据自己个人的需求进行产品性能评估和优化用户的设计。本课题的实际意义与实用价值是通过CAE有限元分析软件PATRAN2016对有缺陷的柱体横梁进行有限元几何建模，并通过对其进行网格化，并它向施加一定的载荷，最终得出静强度疲劳及应力云图。通过仿真模型和数据算法对其应力云图及S-N曲线进行分析，最终得到其疲劳强度，在得到其疲劳强度的基础上对其剩余结构寿命进行预测。通过模态分析可以确定模型的自然频率、振型和参与系数。对产品进行模态分析的好处特别多，使用模态分析可以使结构设计避免共振或以特定的频率进行振动；可以使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何进行响应的；还可以有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。在MSCNastran软件中通过对产品进行疲劳强度分析可以对产品结构的剩余寿命进行预测，根据输出结果可以有效地预防产品发生疲劳破坏，能够在发生疲劳破坏之前对产品进行更换，避免市场上各类不必要的损失。同时，随着有限元技术的出现,为各大产品机械结构的优化设计提供了可靠的技术支持,有限元技术能够对机械产品进行静态分析与模态分析,从而加工机械产品能够达到理想的强度与刚度,并可使加工机械的重量实现轻量化设计。第2章总体方案设计2.1方案设计得出柱体横梁疲劳寿命、静强度和模态的办法主要有两类：试验法和试验分析法。试验法主要依靠试验，它是直接通过与实际情况相同或类似的一次又一次的试验来得到我们所想要得到的疲劳强度数据和模态分析结果。这种试验法得到的数据虽然比较可靠，但是花费的人力物力大，工作周期长，耗资较大，不建议采用，慢慢的这种方法已经被取代。而试验分析法则与之不同。试验分析方法是利用先进的有限元分析方法对产品进行疲劳强度分析及寿模态分析。目前，试验分析方法中的有限元仿真分析技术已经在一些重要的工业领域（如汽车、航空航天和机器制造等）得到广泛认可，并被广泛的投入使用。与传统的试验法相比，有限元疲劳仿真分析计算能够提供准确无误的零部件表面的疲劳寿命分布，自动且准确的判断零部件的疲劳寿命相对较薄弱的位置，还可以通过修改设计的方法预先避免一些不合理的寿命分布，有效控制和改善产品的剩余疲劳寿命。此外，随着有限元技术的出现,为各大产品机械结构的优化设计提供了可靠的技术支持,有限元技术能够对机械产品进行静态分析与模态分析,从而加工机械产品能够达到理想的强度与刚度,并可使加工机械的重量实现轻量化设计。所以，试验分析方法能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，从而可以有效的降低开发成本，为产品提高市场竞争力。本课题就是采用试验分析方法展开试验。通过CAE有限元分析软件PATRAN2016对有缺陷的柱体横梁进行有限元几何建模，并通过对其进行网格化，并它向施加一定的载荷，最终得出疲劳应力云图及模态分析云图，然后对产品结构的剩余寿命进行预测。同时在实验室搭建实验平台，通过试验得到柱体横梁的模态曲线，然后对其进行模态分析。2.2设计说明2.2.1材料参数和模型介绍（1）材料参数采用的模型是长300mm，宽40mm，高20mm，厚1mm的长方体形状的空心柱体横梁，上表面存在缺陷。柱体横梁材料是Q235钢，Q235的材料参数为：弹性模量（E/Gpa）：200~210；泊松比（ν）：0.25~0.33；抗拉强度（σb/MPa）：375-500;密度：7.8e-9g/mm⒊。（2）模型介绍本课题的静强度分析采用三种材料和大小都完全相同的模型，而它们的不同在于表面存在缺陷的大小不同，这样能够形成对比效果，容易对最后的结果进行比较，得出更准确可靠的静强度分析结论。三种模型图片具体见图1：图1三种模型数据具体见表1：编号长/mm宽/mm高/mm厚/mm豁口所在位置豁口长度宽度130040201距离固定端20mm处6mm1mm230040201距离固定端20mm处10mm1mm330040201距离固定端20mm处15mm1mm表1本课题的模态分析采用五个材料参数和大小都完全相同的模型，而它们的不同在于表面存在缺陷的大小不同和存在缺陷的数量不同，这样能够形成对比效果，容易对最后的结果进行比较，得出更准确可靠的静强度分析结论。五个模型的图片具体见下图2.图2五个模型的具体参数见表2编号长/mm宽/mm高/mm厚/mm豁口位置豁口长度宽度130040201距离左端20mm处6mm1mm230040201距离左端20mm处10mm1mm330040201距离左端20mm处15mm1mm430040201距离左端10mm、20mm处6mm1mm530040201距离左端10mm、20mm处10mm1mm表22.2.2课题描述本课题由一个简单的带有缺陷的柱体横梁模型展开，在静强度疲劳分析中，模型左端受固定约束，然后向其施加大小为1000N的均布载荷应力，将1000N的应力垂直作用在模型的表面。在Patran软件中对柱体横梁进行网格化，然后施加一定的载荷，在缺陷处将看到所受载荷的最高应力。最后得出应力云图，分析疲劳结果。在模态分析中，通过Patran软件对模型进行分析，在软件中得出模型各阶的振动频率，以及各阶模态振型图。同时，在实验室搭建试验台架，测出模型在受到一定载荷力时的振动频率及傅里叶曲线图，然后将两个结果进行比较，得出结论。本课题中的所有应力参数都是以MPa为单位的。2.2.3过程描述静强度分析流程：开始→建立有限元模型→定义材料属性→划分网格定义单元类型→施加边界条件→进行求解分析→获得应力场、材料特性、载荷信息、疲劳分析参数→导入Nastran数据库→进行疲劳分析获得应力云图。模态分析流程：开始→导入有限元模型→定义材料属性→划分网格定义单元类型→施加边界条件→对模态进行扩展→检查结果。2.2.4问题描述有限元分析技术是一种通过对数值进行离散化处理的解决方法，通过离散方法将被分析的模型划分为若干个小单元,然后对其施加边界条件与载荷、定义材料特性,以此获得被分析对象的位移、应变、应力等数据,然后通过图形技术来对运算结果进行显示。利用有限元技术对模型进行分析时，过程主要包括三个阶段，第一个是建模阶段,根据被分析对象的实际工况与实际形状为先决条件,通过这些条件来构建有限元模型,通过构建有限元模型,然后对要分析模型的整体结构进行网格划分，然后对其施加边界条件与载荷、定义材料特性,以此获得被分析对象的位移、应变、应力等数据。第二个是计算阶段,在该阶段中需要进行数值运算,因为在该阶段的数据运算量很大,我们自己无法完成相应的数据计算，所以我们需要通过有限元分析软件来进行自动完成。第三个就是后处理阶段,在这个阶段，软件会进行数值的出来，并自行运算结果，使得到的结果能够以特定的方式进行显示，从而可以使我们能够对分析模型的结构设计合理性开展有效、客观的评估,并针对评估结果提出具体的改进或优化方法。PATRAN是一个无单元代码的软件，这就说明在疲劳分析的过程中我们必须要保证所有的代码单元都是一致的。在进行疲劳分析时，我们需要非常清楚的是要使用到连续一致的模型单元，尤其是像单元压力这样的参数。同时疲劳材料性能必须输入与模型材料性能的一致单位。在本课题中，我所使用到的材料应力参数，如杨氏模量（E）和在MPA中定义的S-N曲线等等，这与其余的模型单位（与以毫米为单位的长度单位，以牛顿为单位的力单位）是一致的。当静强度分析开始时，所有材料的疲劳应力参数，包括杨氏模量（E），都在内部转换为以MPa单位的参数量。结果分析得出的所有压力也都转换为以MPA为单位，这样我们就可以准确地查找到S-N曲线。为了做到这一点，还必须确定分析应力单元的疲劳强度，即需要在分析前对材料进行静强度计算和疲劳强度计算。这种静强度分析是模型左端受固定约束，然后向其施加大小为1000N的均布载荷应力，将1000N的应力垂直作用在模型的表面，为了进行静强度分析，我们必须要有一个FATIGUE案例来进行对照，FATIGUE案例对照调用ID42的FTGDEF批量数据，但由于FTGDEF条目现在没有定义实际的元素集或特定的、非默认的疲劳特性，所以模型上所有被定义的元素都会成为疲劳分析的一部分。MPa是默认的应力单元系统。本课题中的所有应力参数都是以MPa为单位的。施加周期载荷。在有限元模型中施加的载荷是一个10,00N的静载荷。使用SOL101（静力学）的疲劳分析采用了一种伪静态方法，其中必须定义静态载荷的循环变化。本课题中使用的时间信号是完全反向加载的。对于完全反向加载，R=-1。循环加载有时使用一个名为R-Ratio（R）的参数来描述，该参数是最小负载除以最大负载R，是平均应力的度量。本课题中使用的S-N曲线是通过在不同的恒定振幅，完全反转（R=-1）加载条件下测试大量抛光试样而产生的。计算元素节点的平均应力。计算元素节点平均应力有两种节点方法，两种节点方法有两种不同的结果。LOC=NODA用于计算基于节点平均应力的节点损伤。LOC=NODE用于计算由于单个单元节点应力在节点上的损伤。而且LOC=NODA是稍微非保守一点的。由于节点的平均应力是由所有单元节点所受载荷应力的平均值确定的，因此对于任何给定节点所确定的最高应力通常都比最大的单元节点所受载荷的应力变小，因此材料所受到的损伤会更小，材料的剩余结构疲劳寿命更长。根据尽可能高的应力计算寿命，从而计算每个单元的每个节点的疲劳寿命。然后通过Patran后处理器，当图形显示结果体现在节点上平均疲劳寿命时则使用LOC=NODE。先计算得出平均应力，然后根据每个节点的单个应力值计算每个节点的疲劳寿，这时就要使用LOC=NODA。计算单元中心的疲劳寿命（LOC=ELEM）时，只应保留给单个微小单元节点，因为材料疲劳裂纹仅仅是在表面开始的。节点平均应力就是将材料网格化后各个网格点上的平均应力，这些节点应力是利用MSCNastran中的网格点应力发生器确定的。在进行模态分析时，模态分析主要分为四步,第一步是对所需要结构的有限元模型进行构建,在建模时需对材料密度、杨氏模量、泊松比等进行定义,第二步是进行荷载施加并求解,第三步是对模态进行扩展,第四步是对计算结果进行检查。模态提取方法采用分块LANCZOS方法以及子空间迭代法。通过LANCZOS分块方法可对压力机所具有的固有频率实施模态分析,进而获得不同频率中柱体横梁所产生的振动变形情况,进而得到柱体横梁的各阶模态分析图。2.2.5文件描述PATRAN和Nastran软件在运行过程中会生成很多的文件，主要包括：.db、.bdf、.op2、.xdb、.f04、.f06、patran.ses.**、jou.db文件是Patran的数据库文件，用于保存各种几何信息和有限元模型的信息。.bdf文件是由Patran生成的，供Nastran读取的文件，其中保存着在patran中所建立的有限元模型的所有信息，Nastran就是根.bdf文件来进行运算的。.op2文件和.xdb文件是Nastran计算结果输出文件，由Patran来读取并进行后置处理。.f04文件是系统信息统计文件，可以用文本编辑器打开，其记录了本次分析中的系统信息。.f06文件是分析运算过程记录文件。Patran.ses.**文件是对话文件，其记录了本次分析过程从Patran打开到退出期间所有的对话过程。.jou文件是日志文件，记录了用户在数据库中的所有操作，利用日至文件，可以重建模型，即使原来创建的数据库文件丢失。在使用软件对模型进行分析时，先由Patran生成.db文件，再生成.bdf文件，然后由Nastran读取.bdf文件并进行计算。

第三章静强度分析和稳态分析3.1静强度分析3.1.1模型的创建试验台搭建测试过程如下图3所示：图3本课题在进行有限元分析之前，我使用到了第三方建模软件UG10.0。根据测量的模型实物的尺寸标准，在UG10.0中进行几何建模。分别创建了1号模型，2号模型和三号模型。模型图见下图4，图5，图6。图41号模型图图52号模型图图63号模型图3.1.2静强度分析过程第一步：创建一个新的数据库File→New→输入新的文件名→点击OK（AnalysisCode=MSCNastran，AnalysisType=Structural）→OK第二步：导入模型File→import→选择模型文件→Apply（Object=Model,Source=Unigraphics-NX）第三步：划分有限元网格Mesh→Create/Mesh/Solid→ElemShape=Tet，Mesher=TetMesh，Topology=Tet10→InputList（输入Solid1）→勾掉AutomaticCalculation→Value=0.3→Apply第四步：施加固定约束、边界条件Loads/BCs→Create/Displacement/Nodal→EnterfixedfortheNewSetName→ClickonInputData..→Enter<00O>underTranslationsonly.→Enter<00O>underRotationsonly。→ClickOK.Then→ClickonSelectApplicationRegion....→SettheGeometryFiltertoGeometry→ClickunderSelectGeometryEntitiesthenontheSurfaceorFaceicon.→SelectbothpinholefacesandclickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第五步：施加载荷CreateapressurethatwillbeappliedtothetopsurfaceofthemodelLoads/BCs→Create/Pressure/ElementUniform→EntermodelpressureastheNewSetName.→ClickonInputData....→Enter1000.0forPressure.→ClickOK.ThenClickonSelectApplicationRegion...→SettheGeometryFiltertoGeometry.→ClickunderSelectSolidFaces,thenselectthetopfaceofthemodel,andclickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第六步：检查固定载荷LoadCases:Actions=Modify→ClickontheDefaultloadcase.→Checktoseethatthecorrectloadsareassigned→ ClickCancel.第七步：定义材料特性Createamaterialpropertyforthemodel:Materials→Create/isotropic/ManualInput→EntersteelfortheMaterialName.→ClickonInputProperties...→Enter2000000and0.3fortheElasticModulusandPoissonRatio,respectively.→ClickOK.→ClickApply.第八步：定义单元属性Createa3Delementpropertyforthemodel:Properties→Create/3D/Solid→Entermodel1forPropertySetName.→ClickonInputProperties....→ClickontheMatPropNameicon,andchoosesteelfromSelectMaterial→ClickOK.→ClickonSelectApplicationRegion.→ClickonSelectMembersandselectSolid1.→ClickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第九步：进行分析SendthemodeltoMSC.Nastranandanalyzethemodel:Analysis→Analyze/EntireModel/Fullrun→ClickonSolutionTypetoLinearStatic→ClickonSolutionParameters…ClickonResultsOutputFormation→SetResultsOutputFormattoXDBandprint→Clickok→Clickok→Clickok→ClickApply（点击Apply后PATRAN会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口自行关闭。）第十步：分析结果ReadintheresultsfileintoPatranbyattachingtheXDBfile:Analysis→AccessResults/AttachXDB/ResultEntities→ClickonSelectResultsFiles…→Selectmodel1.XDBandclickOK.→ClickApply第十一步：后处理显示应力云纹图：Action→Create,Object→QuickPlot,SelectResultCases→DefaultStaticSubcase,SelectFringeResult→StressTensor,Quantity→vonMises,→ClickonApply.此时模型的应力云纹图就显示出来了。3.1.3静强度分析结果1号模型的应力云图如下图7所示：图71号模型的应力云图由图7的应力云图可以看出，在受到1000N的持续载荷作用下，1号模型在缺陷处和施加固定约束处受到的应力最大，1号模型所受到的最大应力为5.97+05N,最小应力为1390N，发生的最大位移为117mm。2号模型和3号模型的整个静强度分析过程如出一辙，唯一的不同就是柱体横梁表面的缺陷大小不同，这就会导致模型所能承受的最大压力不同，缺陷处所受到的载荷应力显示也不同，在这里我就不做过多的说明。下面来看一下2号模型和三号模型的应力云图。2号模型和3号模型的应力云图如下图8、图9所示图82号模型应力云图由图8的应力云图可以看出，在受到1000N的持续载荷作用下，2号模型在缺陷处和施加固定约束处受到的应力最大，2号模型所受到的最大应力为8.96+05N,最小应力为1600N，发生的最大位移为120mm。图9三号模型应力云图由图9的应力云图可以看出，在受到1000N的持续载荷作用下，3号模型在缺陷处和施加固定约束处受到的应力最大，3号模型所受到的最大应力为9.01+05N,最小应力为1680N，发生的最大位移为124mm。3.2模态分析在PATRAN中模态分析是被用来确定模型或产品结构的振动特性的一种分析方法，通过模态分析可以确定模型的自然频率、振型和参与系数。对产品进行模态分析的好处特别多，使用模态分析可以使结构设计避免共振或以特定的频率进行振动；可以使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何进行响应的；还可以有助于在其他动力分析中估算求解控制参数。模态分析中，需要设置模型的材料性能参数，这些材料参数都涉及到单位制，如果在性能设置上出现单位非封闭状态的话，就会对计算结果有非常大的影响。本课题用到的单位系统如下表3所示长度力应力质量密度mmNMpaTT/mm⒊表33.2.1模型的创建在模态分析开始之前，我通过UG10.0对所需要的结构进行了模型的创建。本课题在模态分析的过程中总共用了五个模型，这五个模型的大小，尺寸，各类材料参数都一致。五个模型的区别在于存在的缺陷和不同缺陷所在的位置不同。模态分析需要进行实验台架的搭建，通过试验结果与分析结果作对比，搭建的试验台架，如上文图3所示。1号、2号和3号模型的具体形状见上文中的图4、图5和图6,4号和5号模型的具体形状见下文的图11和图12.图114号模型图125号模型3.2.2模态分析过程第一步：创建一个新的数据库File→New→输入新的文件名→点击OK（AnalysisCode=MSCNastran，AnalysisType=Structural）→OK第二步：导入模型File→import→选择模型文件→Apply（Object=Model,Source=Unigraphics-NX）第三步：划分有限元网格Mesh→Create/Mesh/Solid→ElemShape=Tet，Mesher=TetMesh，Topology=Tet10→InputList（输入Solid1）→勾掉AutomaticCalculation→Value=0.3→Apply第四步：定义材料特性Createamaterialpropertyforthemodel:Materials→Create/isotropic/ManualInput→EntersteelfortheMaterialName.→ClickonInputProperties...→Enter2000000and0.3and7.8e-9fortheElasticModulusandPoissonRatioandDensity,respectively.→ClickOK.→ClickApply.第五步：定义单元属性Createa3Delementpropertyforthemodel:Properties→Create/3D/Solid→Entermodel1forPropertySetName.→ClickonInputProperties....→ClickontheMatPropNameicon,andchoosesteelfromSelectMaterial→ClickOK.→ClickonSelectApplicationRegion.→ClickonSelectMembersandselectSolid1.→ClickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第六步：进行分析SendthemodeltoMSC.Nastranandanalyzethemodel:Analysis→Analyze/EntireModel/Fullrun→ClickonSolutionTypetoNormalmodes→ClickonSolutionParameters…ClickonResultsOutputFormation→SetResultsOutputFormattoXDBandprint→Clickok→Clickok→ClickonSubcases…→Letnumberofdesiredrootsfrom10to20→Clickok→ClickApply.第七步：分析结果ReadintheresultsfileintoPatranbyattachingtheXDBfile:Analysis→AccessResults/AttachXDB/ResultEntities→ClickonSelectResultsFiles…→Selectmodel1.XDBandclickOK.→ClickApply（点击Apply后PATRAN会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口自行关闭。）第八步：后处理模型的各阶模态的频率在SelectResultCases中可以找到。显示模态：Action→Create,Object→QuickPlot,SelectResultCases→DefaultMode1：Freq…,SelectFringeResult→EigenvectorsTranslational,Quantity→Magnitude,SelectDeformationResult→EigenvectorsTranslational→ClickonApply.3.2.3结果分析在运行分析结果之前，设置选择截取前20阶模态，然后调用Nastran进行求解，读入结果文件，选择截取各阶模态分析的结果。1号模型的各阶模态的分析结果见下表4.阶次频率/HZ阶次频率/HZ71500.6142969.582156.8173582.1122689.8193945.6表41号模型的各阶模态振型，如下图13所示。（a）第七阶模态振型（b）第八阶模态振型（c）第十二阶模态振型（d）第十四阶模态振型（e）第十七阶模态振型（f）第十九阶模态振型结论：模型模态分析的前6阶的振动频率近乎接近于0，模型为刚体振动。由表4可以看出来，从第七阶开始，模型的振动频率上升到了1500HZ左右，模态振型为YOZ平面内