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1、CAE课程设计说明书空间薄壁开孔结构有限元分析专业 飞行器设计与工程 班号 学号 姓名 指导教师 沈阳航空航天大学课程设计说明书 目录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
2、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 有限元分析沈阳航空航天大学课程设计说明书 目录目 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22.2提取模型中面22.3修剪角板32.4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43.1划分网格43.2检查网格4第4章 载荷及边界条件64.1创建分布式载荷64.2创建约束6第5章 材料及单元属性75.1添加材料属性75.2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沈阳航空航天大学课程设计说明书 第1章 引言第1章 引 言P
3、atran 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 MSC Nastran、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
4、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。1沈阳航空航天大学课程设计说明书 第2章 模型处理第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Geom
5、etry: 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沈阳航空航天大学课程设计说明书 第2章 模型处理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 /
6、 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3沈阳航空航天大学课程设计说明书 第3章 划分网格及处理第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
7、图3-2图 3-2 检查边界4沈阳航空航天大学课程设计说明书 第3章 划分网格及处理利用Elements : Equivalence / All / Tolerance Cube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5沈阳航空航天大学课程设计说明书 第4章 载荷及边界条件第4章 载荷及边界条件4.1 创建分布式载荷利用Create / CID Distributed Load / Element Uniform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
8、/ 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6沈阳航空航天大学课程设计说明书 第5章 材料及单元属性第5章 材料及单元属性5.1 添加材料属性利用Create / Isotropic/ Manual Input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7沈阳航空航天大学课程设计 第6章 分析计算第6章 分析计算当结束以上操作时就可以对模
9、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8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。9参考文献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。10
