《飞机结构力学》课程设计Word下载.docx
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本课题旨在探究限元法在分析飞机结构力学有关问题时的作用，使我们对有限元法有个基本的了解，并锻炼我们的自主分析能力和对有限元分析软件的实际操作能力。
二、有限元分析原理
有限元分析原理
有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。
有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。
经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。
该模型为横截面积为正三角型的梁，承受100N扭矩作用。
已知梁长l=500mm，正三角形横截面边长为60mm，横截面与整体结构图如下，材料为steel。
划分四面体网格计算分析：
（1）进入【零部件设计】工作台
启动CATIA软件。
单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项，进入【零部件设计】工作台。
新建名为【Part1】的零件。
（2）进入【草图绘制器】工作台
在左边的模型树中单击选中【xy平面】,如图1-1所示。
单击【草图编辑器】工具栏内的【草图】按钮
。
这时进入【草图绘制器】工作台。
图1－1单击选中【xy平面】
（3）绘制镜像工字型草图
点击【轮廓】工具栏内的
在原点周边绘制边长为60mm的正三角形。
如图1-2所示。
图1－2修改尺寸后的草图
（4）离开【草图绘制器】工作台
点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮
退出【草图绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。
（5）拉伸创建梁
点击【基于草图的特征】工具栏内的【凸台】按钮
弹出【凸台定义】对话框，如图1-3所示。
在【第一限制】选项组内的【长度】数值栏内输入500mm，点击对话框内的【确定】按钮，生成一根梁，如图1-4所示。
在左边的模型树上出现【填充器.1】元素。
图1－3【凸台定义】对话框和拉伸创建的一个梁
（6）对零件赋予材料属性
在左边的模型树中点击选中零件名称【Part1】。
点击【应用材料】工具栏内的【应用材料】按钮
点击【Metal】
（金属）选项卡，在列表中选择【Steel】
（钢）材料，将钢材料赋予零件。
（7）进入【AdvancedMeshingTools】
（高级网格划分工具）工作台
点击菜单中的【开始】→【分析与模拟】→【AdvancedMeshingTools】
（高级网格划分工具）选项。
点击后进入了【高级网格划分工具】工作台。
进入工作台后选择【StaticAnalysis】
（静态分析算题），生成一个新的分析文件。
点击【MeshingMethod】
（网格划分方法）工具栏内的【OctreeTetrahedronMesher】
（Octree四面体网格划分）按钮
在图形区左键点击选择梁三维实体模型，如图1－4所示。
图1－4选择三维实体模型
图1-5选择实体后弹出【OCTREETetrahedronMesher】
（Octree四面体网格划分器）对话框，如图1-5所示。
点击【Global】
（全局）选项卡，在【Size】
（尺寸）栏内输入2.02mm作为网格的尺寸；
点击选中【Absolutesag】
（绝对垂度）选项，在该数值栏内输入0.202mm；
在【Elementtype】
（单元类型）选项区内选中【Paraboic】二次单元。
然后，在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素。
选择【UpdateMesh】
（更新网格）选项。
程序开始划分网格，划分后的四面体网格如图1-5所示。
图1-5划分后的四面体网格
（8）进入【GenerativeStructuralAnalysis】
（创成式结构分析）工作台
点击主菜单中的【开始（S）】→【分析与模拟】→【GenerativeStructuralAnalysis】
（创成式结构分析）选项，进入【创成式结构分析】工作台。
（9）指定3D属性
点击【ModelManager】
（模型管理器）工具栏内的【3DProperty】
（三维属性）按钮
选中左边的模型树上的【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，将3D属性指定到三维零件上。
（10）设置固支边界条件
点击【Restraints】
（约束）工具栏内的【Clamp】
（固支）按钮
在图形区选择梁的一个底面，如图1－6所示，对梁的一个底面增加了固支约束。
然后点击点击【Restraints】
（约束）工具栏内的【SurfaceSlider】按钮
，在图形区选择梁的另一个底面，如图1－6所示，对梁的另一个底面增加了滑动铰支约束。
图1—6需约束的底面
（11）对梁施加扭矩
点击【Loads】
（载荷）工具栏内的【Moment】
（扭矩）按钮
，如图11－35所示。
弹出【Moment】
（扭矩）对话框，如图11－36所示。
在【MomentVector】
（扭矩分量）选项区内的【Z】数值栏内输入100Nxm，即设置扭矩z方向的分量为100Nxm。
在图形区点击选择圆筒的内表面，如图11－37所示，即设置内表面上的扭矩为100Nxm。
点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框。
（12）计算模型
点击【Compute】
（计算）工具栏内的【Compute】
（计算）按钮
，对模型进行计算。
在左边的模型树中鼠标右击【StaticCaseSolution.1】。
在出现的菜单中选择【GenerateImage】
（生成图像）选项，选择所需要显示的应力，应变与位移云图。
图1—8应力张量结果
（14）修改网格的参数
为了使计算结果更加准确，对梁有约束面的有限元网格进行细化处理。
在左边的模型树上双击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素。
双击后弹出【OCTREETetrahedronMesh】对话框，如图1－9所示。
点击【Local】
（局部）选项卡，在【Availablespecs】
（可用的特定参数）区内，点击选择【Localsize】
（局部尺寸）选项，然后点击【Add】
（添加）按钮。
弹出【LocalMeshSize】
（局部网格尺寸）的对话框，在【Value】
（数值）栏内输入1.02mm，在图形区选择梁有约束面，如图1-10所示。
图1—9【OCTREETetrahedronMesh】
图1—10【LocalMeshSize】
（局部网格尺寸）对话框
在【OCTREETetrahedronMesh】对话框内，在【Availablespecs】
（可用的特定参数）区内，点击选择【Localsag】
（局部垂度）选项。
在【Value】
（数值）栏内输入0.1mm，在图形区选择梁有约束面，如图1-11所示。
图1—11【LocalMeshSag】
（局部网格垂度）对话框
在左边的模型树上右击【OCTREETetrahedronMesher.1】元素，在弹出的右键快捷菜单中选择【UpdateMesh】
程序开始划分网格，重新划分后的四面体网格可以看到，梁有约束面的网格明显比其它部分细化。
弹出【Compute】
（计算）对话框，开始进行计算。
重新计算的应力张量结果如图1－12所示。
应力值有所提高。
但是，提升幅度不是很明显。
图1—12重新计算的应力张量结果
“Parabolic”四面体单元：
应力云图（采用Stressfulltensorcomponent图）：
应变云图（采用Strainfulltensorcomponent图）：
位移云图（采用Translationaldisplacementcomponent图）：
经验证，通过CATIA计算出的结果与理论计算结果存在一定的误差，说明模拟实际情况进行分析与理论计算还是有很大的差别的。
《CATIAV5R20快速入门教程》----机械工业出版社
通过这次课程设计，使我对有限元法有了更加全面的认识，也锻炼了我的电脑软件操作能力和自主分析能力。
了解到了catia制作有限元分析的流程，对catia软件有了更深层次的了解。
梁类问题的计算结果不受单元类型和单元密度的影响，其结果与解析解基本完全一致.这样的结果表明，在梁的分析问题中，关键是最大的挠度和应力处应该设置节点，而无需追求单元的密度和单元的类型。
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