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CAE课程设计

CAE课程设计说明书

空间薄壁开孔结构有限元分析

院系航空航天工程学部

专业飞行器设计与工程

班号

学号

姓名

指导教师

沈阳航空航天大学

2015年1月

摘要

本次CAE课设，使用PATRAN&NASTRAN软件，进行空间薄壁结构的有限元分析。

薄壁空间结构，属于空间受力结构，主要承受曲面内的轴向压力，弯矩很小。

故根据其结构特点，并不对薄壁结构直接进行实体网格的划分，而是通过提取中面的办法，即Geometry:

Create/Surface/Midsurface命令，将所有的离散化等操作转化为对中面结构的操作。

最后可以快速得到正确的应力形变分析结果。

由此，我们可以得出结论，对与对称的薄壁结构采用提取中面的方法将会大大简化离散过程并得出正确的计算结果的。

关键词PATRAN&NASTRAN空间薄壁结构提取中面有限元分析

目录

第1章引言1

第2章模型处理2

2.1导入薄壁结构模型2

2.2提取模型中面2

2.3修剪角板3

2.4将角板与薄壁结构的边缘进行关联3

第3章划分网格及处理4

3.1划分网格4

3.2检查网格4

第4章载荷及边界条件6

4.1创建分布式载荷6

4.2创建约束6

第5章材料及单元属性7

5.1添加材料属性7

5.2赋予单元属性7

第6章分析计算8

第7章总结9

参考文献10

第1章引言

Patran是世界上使用最广泛的有限元分析（FEA）前/后处理软件，可为多个解算器提供实体建模、网格划分、分析设置及后处理，其中包括MSCNastran、Marc、Abaqus、LS-DYNA、ANSYS及Pam-Crash。

Patran提供了丰富的工具集，能够简化分析模型的创建，可用于线性、非线性、显式动力学、热及其他有限元仿真。

Patran不仅具有使工程师可轻松处理CAD中的间隙和裂缝的几何清理工具，还提供了从头创建模型的实体建模工具，使任何人都可以方便地创建有限元模型。

Patran可以通过全自动网格划分过程、也能够提供更多控制的手工方法或者这两者的组合，可轻松地在曲面和实体上创建网格。

最后，该解决方案内置了用于最流行的有限元解算器的载荷、边界条件及分析设置，能最大限度地减少输入文件的编辑工作。

Patran的各项功能综合完善、经过行业验证，可确保您在虚拟样机上的工作能够快速获得结果，因此您可根据需求对产品性能进行评估并优化您的设计。

第2章模型处理

本次课设的目的是空间薄壁开孔结构有限元分析，其中的薄壁结构模型已经提供，故只需导入并进行随后为划分网格之前的一些处理工作即可。

2.1导入薄壁结构模型

选定所给的xmt文件，将模型导入Patran软件，如图2-1

图2-1薄壁结构几何模型

2.2提取模型中面

利用Geometry:

Create/Surface/Midsurface命令，提取该薄壁结构的中面，用来代替该结构模型，以便接下来的划分网格等操作。

因为该结构为完全对称的薄壁结构，故提取中面操作可行。

提取的中面如下，图2-2

图2-2中面

2.3修剪角板

利用Geometry:

Edit/Surface/Trim命令，对薄壁结构的角板进行修剪，以便接下来操作的方便。

最后，将复杂结构的角板全部简化为三角形角板。

如图2-3

图2-3角板修剪后的效果

2.4将角板与薄壁结构的边缘进行关联

利用Geometry:

Associate/Curve/Surface命令，将角板的两条直角边分别于薄壁结构的水平垂直面进行关联。

如图2-4

图2-4角板与薄壁面关联后的效果

第3章划分网格及处理

通过以上对模型的处理，已经可以进入对结构的离散化操作。

3.1划分网格

利用Elements:

Create/Mesh/Surface命令，将结构整体划分为四边形网格。

如图3-1

图3-1划分四边形网格效果

3.2检查网格

利用Elements:

Verify/Element/Boundaries命令，检查划分网格后，几何模型的边界是否连接在一起，如图，线条皆变为黄色，表示没有问题。

如图3-2

图3-2检查边界

利用Elements:

Equivalence/All/ToleranceCube消除划分网格造成的重复节点，最终效果，如图3-3

图3-3去除重复节点后的效果

第4章载荷及边界条件

4.1创建分布式载荷

利用Create/CIDDistributedLoad/ElementUniform命令，对模型施加大小为100，方向为平行y轴的分布力，作用点为四个圆环处。

如图4-1

图4-1施加分布载荷

4.2创建约束

利用Create/Displacement/Nodal命令，选中模型底部的四个洞作为施加点，进行六自由度的约束，如图4-2

图4-2约束

第5章材料及单元属性

5.1添加材料属性

利用Create/Isotropic/ManualInput命令，添加模型材料铝的属性，如图5-1

图5-1铝的材料属性

5.2赋予单元属性

利用Create/2D/Shell命令，赋予四边形单元2D壳网格的属性，并赋予0.125的厚度，如图5-2

图5-2壳单元属性

第6章分析计算

当结束以上操作时就可以对模型进行计算。

计算工作由NASTRAN软件进行。

计算结果云图如下，最大位移为2.92e-3。

如图6-1

图6-1位移云图

应力云图，如图6-2

图6-2应力云图

第7章总结

对于高度对称的壳体结构，如果应用传统的有限原理离散化方式，可以实现操作，但是工作量很大，而且结果的准确性不是很高。

然而若是利用高度对称的壳体结构的自身特点，用提取中面的方法进行简化操作，则可以大大减少工作量，提升离散化效果，提高计算结果的精度。

因此，通过对本课程设计空间薄壁结构的有限元分析，我们可以得出结论，对于空间薄壁结构适宜用提取中面的方法进行简化操作，提升效率，提高精度。

参考文献

[1]龙凯.Patran2010与Nastran2010有限元分析从入门到精通[M]..机械工业出版社.2011。

[2]刘兵山.Patran从入门到精通[M].水利水电出版社.2003。

[3]杜家政.MSC.Nastran软件高级用户入门指南及工程应用实例[M].机械工业出版社.2013。