patran运用经典问题剪辑.docx
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patran运用经典问题剪辑
patran运用经典问题剪辑
1概述
螺栓是机载设备设计中常用的联接件之一。
其具有结构简单,拆装方便,调整容易等优点,被广泛应用于航空、航天、汽车以及各种工程结构之中。
在航空机载环境下，由于振动冲击的影响，设备往往产生较大的过载，对作为紧固件的螺栓带来强度高要求。
螺栓是否满足强度要求，关系到机载设备的稳定性和安全性。
传统力学的解析方法对螺栓进行强度校核，主要是运用力的分解和平移原理，解力学平衡方程，借助理论和经验公式，理想化和公式化。
没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径、部件的局部细节（如应力集中、应力分布）等等。
通过有限元法，整体建模，局部细化，可以弥补传统力学解析的缺陷。
用有限元分析软件MSC.Patran/MSC.Nastran提供的特殊单元来模拟螺栓连接，过程更方便，计算更精确，结果更可靠。
因此，有限元在螺栓强度校核中的应用越来越广泛。
2有限元模型的建立
对于螺栓的模拟，有多种模拟方法，如多点约束单元法和梁元法等。
多点约束单元法（MPC）即采用特殊单元RBE2来模拟螺栓连接。
在螺栓连接处，设置其中一节点为从节点（Dependent），另外一个节点为主节点（Independent）。
主从节点之间位移约束关系使得从节点跟随主节点位移变化。
比例因子选为1,使从节点和主节点位移变化协调一致，从而模拟实际工作状态下，螺栓对法兰的连接紧固作用。
梁元法模拟即采用两节点梁单元Beam，其能承受拉伸、剪切、扭转。
通过参数设置，使梁元与螺栓几何属性一致。
本文分别用算例来说明这两种方法的可行性。
2.1几何模型
如图1所示组合装配体，底部约束。
两圆筒连接法兰通过8颗螺栓固定。
端面受联合载荷作用。
图1三维几何模型
2.2单元及网格
抽取圆筒壁中性面建模，采用四节点壳元（shell），设置壳元厚度等于实际壁厚。
法兰处的过渡圆弧处网格节点设置密一些，其它可以相对稀疏。
在法兰上下两节点之间建立多点约束单元（RBE2，算例1,图3）或梁元（Beam,算例2,图4）来模拟该位置处的螺栓连接。
图3算例1（多点约束单元法）连接网格
图4算例2（梁元法）连接网格
在圆筒端面中心建立不属于结构模型的参考节点，通过加权平均约束单元RBE3，建立端面节点与参考点的主从约束关系。
外加载荷施加在参考点上，然后被均匀分配到端面节点。
这里，对于多个面的网格划分，应当注意在各几何连接面法矢量的一致性。
这样划分网格时，才能保证shell单元法矢量的一致性。
图2显示了各面的法矢量方向是一致的。
图2面法向量方向图
对于复杂曲面模型，还应当注意连接面接缝处网格协调;网格划分结束，必须用Equivalence合并相同节点。
图5整体模型有限元网格2.3材料属性、边界约束及载荷
计算中所使用的材料参数如下:
圆筒:
E,70GPa，μ,0.3
螺栓:
E,184GPa，μ,0.3
底部法兰在8处螺栓处约束，在独立节点处施加联合载荷。
模拟螺栓连接的两种方案;
1,将两部分分别做用mpc的rbe2，两个mpc的independent点作成一个点，然后把该点做成点单元，在property里面赋予0D的spring，赋予刚度，
2，做2个mpc的rbe2，用梁单元连接2gempc的indepedent点，在property里面赋予1Dspring属性
先抛砖引玉了。
MPC（Multi-pointconstraints）即多点约束，在有限元计算中应用很广泛，它允许在计算模型不同的自由度之间强加约束。
在不同的求解器模版下可以在patran中定义不同的MPC，比较常用的有rbe2,rbe3,explicit,rbar,rrod等，具体的使用根据计算模型来定。
MPC通用类型explicit（显式）MPC可以在一个从（dependent）自由度和一个或者多个主（independent）自由度之间创立，具体方程如下所示:
U0=C1U1+C2U2+C3U3+...+CnUn+C0式中U0为从自由度，Ui为主自由度，C0为常数项，举例说明，
UX（Node4）=0.5*UX（Node5）-0.5*UY（Node10）+1.0
A:
我也来谈谈。
MPC主要使用在以下几个方面:
1。
描述非常刚硬的结构单元。
假定结构模型中包括一个或多个比其他元件硬得多的元件，如汽车模型中的发动机，这时候刚硬元件可以传递载荷，但它的变形要小的多，和柔软元件比，它是“刚性”的。
如果用大刚度的弹性单元模拟刚硬单元，会造成病态解，原因是，刚度矩阵中对角系数差别太大，引起矩阵病态。
研究指出，应该用适当的约束方程来代替刚硬的
弹性单元，以创建更为合理的有限元模型。
2.在不同类型的单元间传递载荷。
如果有限元模型中，包含三维实体单元和壳体单元。
模型看来成功，没异常。
但是求解在矩阵分解时失败了，因为缩减刚度矩阵是奇异的。
原因是模型中包含了一个“机构”。
无法将壳体单元上的力偶传递到实体单元上，因为实体单元没有转动自由度。
为了消除这种奇异性，必须建立一种连接，作用是在实体中建立一个耦合，以承受壳体力偶。
3。
任意方向的约束。
当某节点可以沿着不平行于坐标轴的某个边界运动时，就需要定义一个约束方程，这个方程反映垂直于此边界的运动的约束
4。
刚性连杆
A:
RBE1和RBE2约束单元都是PABR和RTRPLT单元的推广，后者允许连接任意数量的几何格点。
这些刚性约束单元在用户必须定义的集合n内有六个刚体自由度。
RBE1和RBE2刚性单元的形式显示于卡片图形9.13中。
12345678910
RBE1EIDGN1CN1GN2CN2GN3CN3+1+1CN4GN5CN5GN6CN6+2
+2„UM?
GM1CM1GM2CM2GM3CM3+3
+3GM4CM4etc.+4
一般刚性单元的另一种形式
12345678910
RBE2EIDGNCMGM1CM2GM3CM4GM5+1+1GM6GM7etc.
其中
GNi——定义有属于集合n的自由度的格点;
CNi——包括在集合n中的格点GNi处的自由度代码;
UM——约束集合n说明的字符串;
GMi——定义属于集合m的自由度的格点;
CMi——包括在集合m中的自由度代码。
RBE1和RBE2具有同样的功能，但有下列区别:
RBE1允许用户在集合n内定义能表示刚体运动的六个自由度。
自由度代码的总数必须为六，最多可以在六个格点上定义。
如果在三个或三个以上的格点处定义集合m，则不需要第一张继续卡片。
相关自由度是在字段„UM?
之后由整数对（GMi，CMi）定义的。
其中，GM是格点号，CM是一个自由度代码。
RBE2在GN字段定义的格点处取六个属于集合n的自由度。
因此，在格点GMi处（这时包括在集合m内），CM字段最多包含六个自由度代码。
A:
多点约束（MPC，Multi-PointConstraint）是对节点的一种约束，即将某节点的依赖自由度定义为其它若干节点独立自由度的函数。
例如，将节点1的X方向位移定义为节点2、节点3和节点4X方向位移的函数。
多点约束常用于表征一些特定的物理现象，比如刚性连接、铰接、滑动等，多点约束也可用于不相容单元间的载荷传递，是一项重要的有限元建模技术。
但是，建立明确的、能够正确描述各种现象的多点约束方程是非常不容易的。
对应于不同的分析解算器和分析类型，Patran支持的多点约束类型是不同的。
以Nastran的结构分析为例，则共有12种类型的多点约束.其中Explicit:
用于定义某节点的位移与其它若干节点位移的函数关系，该函数是一个一次多项式。
A:
小弟刚学有限元，主要以MSC产品为主，把自己了解的关于MPC的一点见解写出共享，有错之处还望各位大虾指点:
1、加载的时候用到MPC比如扭矩，初始位移等，我现在常用的是RBE22、从所了解的资料说RBE2对常用的刚性连接就可用了。
3、有时候约束的添加必须用MPC，以期望近似模拟实际工况，常用的也是RBE2A:
“RBE1,RBE2的主要区别是，RBE2的Independent只需定义节点，不必指出自由度，因为它包括了节点的6个自由度，但RBE2的Independent要定义节点自由度～”说的是否不妥，“但RBE2的dependent要定义节点自由度～”
A:
RBAR:
表示刚性连接两个网格节点。
属性:
1、最大的共同点就是把所有的非独立自由度固定在一个网格上，把所有的独立自由度固定在其他网格上。
2、在网格间混合或者匹配非独立的自由度，但是使用的非常少。
3、这些独立自由度必须能够描述刚体单元的运动。
使用举例:
1、"焊接"两个模型到一起。
2、铰链接附属零件。
RBE2:
刚性连接一个节点和一个网格，个人认为网格受节点影响。
它与RBE3的最大区别是RBE3允许连接的被影响网格单元变形，RBE2则不会。
应用举例:
1、可以用于RBAR使用的场合。
2、“Spider”或者“wagonwheel”的连接
3、大质量或者base-drive连接
刚性单元假定刚体运动自由度和所连接的自由度之间保持刚体运动约束，包括:
RROD,RBAR,RTRPLT,RBE1和RBE2等。
而RSPLINE和RBE3称为约束单元更为恰当，
因为自由度之间的关系是基于一些假象而不是基于刚体运动。
RSPLINE假设三次样条插值，RBE3假设指定自由度间的加权平均。
A:
MPC是为了将某点的位移（Um，也称主自由度点）用其它几点（Un，也称从自由度点）的位移的线性组合来表示。
其一般表示形式为:
AMi.UMi+ΣANj.UNj=0
其中，AMi----从自由度的比例因子
ANj----主自由度的比例因子
UMi----从自由度的位移
UNj----主自由度的位移
在nastran的BULKDATA中用如下的语法来定义MPC:
MPCSIDG1C1A1G2C2A2
G3C3A3etc...
SID---序列号
Gj----网格点或标量点的序号
Cj----集合序号（1到6的任意整数来表示网格点，空或0表示标量点）Aj----系数（A1不能为0）
MPC提供了一种刚性建模和建立刚性约束的方法，在Nastran中共有9种刚性单元（R-element），分别如下:
RROD----1个自由度，在延伸方向是刚性的;
RBAR----刚性杆，不同于RROD的是在杆的端点有6个自由度;
RJOINT----刚性铰，铰的每个端点有6个自由度;
RTRPLT----刚性三角形平板，每个顶点具有6个自由度;
RBE2----用于一个刚性体连接到任意数目的网格节点上，其主自由度是某个节点的6个方向的运动;
RBE1----同样是用于将刚性体连接到任意数目的节点上，其主自由度和从自由度可由用户任意选取;
RBE3----用于定义某个节点的运动是其他节点运动的加权平均;
RSPLINE----其系数（即AMi）是由连接到参考节点上的梁单元的斜率确定的，这种R-element一般用于改变mesh的大小;
RSSCON----在shell和Solid单元之间加约束;
MPC----用户选择的节点自由度线性组合，系数由用户输入。
RJOINT:
RJOINT的语法如下:
RJOINTEIDGAGBCB
其中，EID为elementID;
GA为主节点（所有6个自由度也是主自由度）;
GB为从节点（即其自由度由其他节点自由度确定）;
节点GA和GB之间的长度必须为0。
如果CB=123456或者为空，则节点GB将随着网格节点GA一起移动。
如果CB上所有的自由度都被释放，则RJOINT成为一个机械铰（两个物体在某点铰接，两个物体可以互相绕着局部坐标系的某一个轴，两个或三个轴转动）
例如:
铰链----CB=12356，CB=12346或者CB=12345;
平面铰----CB=1234，1235or1236;
球铰----CB=123;
移动副----CB=23456,13456or12456;
圆柱副----CB=2356,1346or1245。
A:
Surface”类:
与其它所有的多点约束类型创建界面都很类似，每个面板上都有【DefineTerms】按钮，单击它，可打开不同的【DefineTerms】面板，用于不同多点约束的定义，该【DefineTerms】面板用于将一个节点某方向上的位移定义为若干个节点位移的一次多项式函数。
有“DependentTerms”、“IndependentTerms”项、“Coefficient”项、“NodeList”项、“DOFs”项和四个操作项（“CreateDependent”、“CreateIndependent”、“Modify”和“Delete”），自由度项“DOFs”有六个选项:
“UX”、“UY”、“UZ”、“RX”、“RY”和“RZ”，分别表示节点的六个位移自由度。
使用时，一般先选定“CreateDependent”项，输入一个节点及其某个方向的位移自由度，表示要建立该节点该方向上位移的函数，所选定的节点和位移方向会显示在“DependentTerms”项中;接着，系统会自动选定“CreateIndependent”项，即输入一些节点的位移作为函数的变量，在“Coefficient”项中输入位移变量的系数，在“NodeList”项中输入作为变量的节点，在“DOFs”中选择位移自由度，单击APPLY，则函数的一个变量定义完成。
这时，在“IndependentTerms”项中可以看到。
有几个变量，就重复操作几次，直到所有作为变量的节点位移都输入。
如果某个节点输入有误，可用“Modify”和“Delete”项修改和删除。
当所有的输入都完成之后，单击APPLY，就完成了一个多点约束的建立，屏幕上将以一个紫红色的小圆和若干条连接依赖节点和独立节点的线段表示出来。
A:
RBE3主要是用来分配质量和载荷的，如集中力或集中质量
A:
呵呵，这里有一个，不知道算不算哦:
CyclicSymmetry:
在两个不同的区域之间，建立一组柱面对称的多点约束边界条件（轴对称的多点约束边界条件）。
从patran的相应界面中可见，需要选择一个柱坐标系，该坐标系的Z轴作为对称轴，在“DependentRegion”和"IndependentRegion"文本框中，输入依赖节点和独立节点，依赖节点和独立节点必须成对出现，而且，各节点对的角度差应该相等。
A:
explicit的形式为:
U0=C1U1+C2U2+C3U3+...+CnUn+C0U0为非独立自由度（thedependentdegree-of-freedom）,Ui为独立自由度（theindependent
degree-of-freedom）,Ci是常数,C0是独立的常数项.
例如:
UX（Node4）=0.5*UX（Node5）-0.5*UY（Node10）+1.0意为结点4X方向的位移等于结点5X方向的位移的0.5倍减去结点10Y方向的位移的0.5倍再加上1.0
MPC可以用来定义一些不方便用有限元元素描述的物理现象,例如刚性杆、运动付等，MPC也允许在不兼容的网格之间传递载荷。
但是通常情况下，定义一个可以很准确的描述实际物理现象的explicit方程是很难的。
RSSCONSURF-Vol
在线性二维板单元的一个非独立结点和线性三维实体单元的两个独立结点之间建立MPC，把板单元连接到实体单元上。
可以指定一个非独立项和两个独立项，每一项包括一个单独结点。
A:
RROD,RBAR,RTRPLT,RBE1,RBE2是刚性单元，所定义的Dependent自由度和Independent自由度之间保持刚体运动约束。
RBE3是柔性单元，指定的Dependent自由度是Independent自由度的加权平均。
RBE1,RBE2的主要区别是，RBE2的Independent只需定义节点，不必指出自由度，因为它
包括了节点的6个自由度，但RBE2的Independent要定义节点自由度～另外，RBE3的Independent自由度最好不要有旋转自由度～
A:
还有一个:
SlidingSurface:
在两个相一致的区域的节点之间，定义一个滑动曲面。
对应节点间的移动自由度（即垂直于该曲面方向）被约束，但其他方向上保持自由。
Rigid（Fixed）:
固定的多点约束。
其将若干个依赖节点与某个独立节点相互固定，从而使依赖节点的所有自由度与独立节点保持一致，包括位移也保持一致。
这种多点约束在用曲面模拟板状实体时，可以连接不同的平面，从而可以使不同的曲面连接起来。
Explicit:
用于定义某节点的位移与其他若干节点的位移的函数关系，该函数是一个一次多项式。
在patran对应的界面中（element:
create:
MPC:
Explicit），可以明确看到其对应的分析解算器是“MSC.Natran”，而分析类型是“Structural”。
除了“CyclicSymmetry”和“SlidingSurface”，其他所有的多点约束类型的创建界面都很类似，每个面板上都有“DefineTerms...”按钮，单击可以打开不通的〔DefineTerms〕面板，用于不同多点约束的定义，“Explicit”对应的〔DefineTerms〕面板用于将一个节点某方向上的位移定义为若干个节点位移的一次多项式函数。
从对应的〔DefineTerms〕面板可见，有“DependentTerms”，“IndependentTerms”项，“Coefficient”项，“NodeList”项，“DOFs”项和4个操作项（CreateDependent,Create
Independent,Modify和Delete），自由度项“DOFs”有6个选项:
UX,UY,UZ,RX,RY和RZ，分别表示节点的6个位移自由度。
使用时，一般先选定“CreateDependent”项，输入一个节点及其某个方向的位移自由度，表示要建立该节点该方向上位移的函数，所选定的节点和位移方向会显示在“DependentTerms”项中;接着，系统会自动选定“CreateIndependent”项，即输入一些节点的位移作为函数的变量，在“Coefficient”项中输入位移变量的系数，在“NodeList”项中输入作为变量的节点，在“DOFs”中选择位移自由度，单击“Apply”按钮，则函数的一个变量定义完成。
这时，在“IndenpendentTerms”项中可以看到有及格变量，就重复操作几次，知道所有作为变量的节点位移都输入。
如果某个节点输入有误，可用“Modify”和“Delete”项修改和删除。
当所有的输入都完成之后，单击“Apply”按钮，就完成了一个多点约束的建立，屏幕上将以一个紫红色的小圆和若干条连接依赖节点和独立节点的线段表示出来。
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