西工大課程設(shè)計(jì)論文_機(jī)翼的模態(tài)分析與顫振分析

1、目 錄一、軟件介紹11.1 MSC.Patran介紹11.2 MSC.Nastran1二、翼板的模態(tài)分析32.1 建立幾何模型的文件名32.2 創(chuàng)建幾何模型32.3 劃分有限元網(wǎng)格42.4 設(shè)置邊界條件42.5定義材料屬性52.6 定義單元屬性52.7 進(jìn)行分析62.8 查看分析結(jié)果62.8.1顯示模態(tài)云圖72.8.2顯示模態(tài)變形圖72.8.3同時(shí)顯示模態(tài)云圖及變形圖8三、平板顫振分析83.1結(jié)構(gòu)建模93.2氣動(dòng)建模103.2.1設(shè)定氣動(dòng)參考坐標(biāo)系103.2.2氣動(dòng)建模網(wǎng)格劃分103.3參數(shù)設(shè)置103.3.1參考弦長(zhǎng)等參數(shù)設(shè)定103.3.2減縮頻率等參數(shù)設(shè)定113.4耦合分析113.4.1生成

2、樣條113.4.2應(yīng)用樣條113.4.3設(shè)定工況、分析123.5結(jié)果分析12四、總結(jié)13五、參考文獻(xiàn)14一、軟件介紹1.1 MSC.Patran介紹MSC.Patran(后稱Patran)是一個(gè)集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)。Patran最早由美國(guó)宇航局（NASA）倡導(dǎo)開發(fā)，是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評(píng)估、用戶化設(shè)計(jì)和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整的CAE集成環(huán)境。使用Patran，可以幫助產(chǎn)品開發(fā)用戶實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程的產(chǎn)品性能仿真。Patran擁有良好的用戶界面，既容易使用又方便記憶。P

3、atran作為一個(gè)優(yōu)秀的前后處理器，具有高度的集成能力和良好的適用性，具體表現(xiàn)在：1.模型處理智能化。為了節(jié)約寶貴的時(shí)間，減少重復(fù)建模，消除由此帶來(lái)的不必要的錯(cuò)誤，Patran應(yīng)用直接幾何訪問(wèn)技術(shù)（DGA），能夠使用戶直接從一些世界先導(dǎo)的CAD/CAM系統(tǒng)中獲取幾何模型，甚至參數(shù)和特征。此外, Patran還提供了完善的獨(dú)立幾何建模和編輯工具，以使用戶更靈活的完成模型準(zhǔn)備。Patran允許用戶直接在幾何模型上設(shè)定載荷、邊界條件、材料和單元特性, 并將這些信息自動(dòng)地轉(zhuǎn)換成相關(guān)的有限元信息，以最大限度地減少設(shè)計(jì)過(guò)程的時(shí)間消耗。所有的分析結(jié)果均可以可視化。2.自動(dòng)有限元建模。Patran的新產(chǎn)品中不

4、斷增加了很多更靈活更方便的智能化工具，同時(shí)提供了自動(dòng)網(wǎng)格及工業(yè)界最先進(jìn)的映射網(wǎng)格劃分功能，使用戶快速完成他們想做的工作。同時(shí)也提供手動(dòng)和其它有限元建模方法，以滿足不同的需求。3.分析的集成。Patran提供了眾多的軟件接口，將世界上大部分著名的不同類型分析軟件和技術(shù)集于一體，為用戶提供一個(gè)公共的環(huán)境。這樣可以使用戶不必?fù)?dān)心不同軟件之間的兼容問(wèn)題，在其它軟件中建立的模型，在Patran中仍然可以正常使用，非常靈活。用戶也能夠根據(jù)多種類型的仿真結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)給出正確的判斷，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這就大大的提高了工作效率。4.用戶可自主開發(fā)新的功能。用戶可將Patran作為自己的前后置處理器，并利用

5、其強(qiáng)大的PCL（Patran Command Language）語(yǔ)言和編程函數(shù)庫(kù)，把自行開發(fā)的應(yīng)用程序和功能及針對(duì)特殊要求開發(fā)的內(nèi)容直接嵌入Patran的框架系統(tǒng)， 或單獨(dú)使用或與其它系統(tǒng)聯(lián)合使用。這樣，Patran又成為用戶二次開發(fā)的一個(gè)良好平臺(tái)，可以為用戶提供更強(qiáng)大和更專業(yè)的功能。5.分析結(jié)果的可視化處理。Patran豐富的結(jié)果后處理功能可使用戶直觀的顯示所有的分析結(jié)果，從而找出問(wèn)題之所在，快速修改，為產(chǎn)品的開發(fā)贏得時(shí)間，提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。Patran能夠提供圖、表、文本、動(dòng)態(tài)模擬等多種結(jié)果形式，形象逼真、準(zhǔn)確可靠。1.2 MSC.NastranMSC.Nastran（后稱Nastran）

6、是由MSC.Software公司推出的一個(gè)大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，具有很高的軟件可靠性、品質(zhì)優(yōu)秀，得到有限元界的肯定，眾多大公司和工業(yè)行業(yè)都用Nastran的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)代替其他質(zhì)量規(guī)范。Nastran具有開放式的結(jié)構(gòu)，全模塊化的組織結(jié)構(gòu)使其不但擁有很強(qiáng)的分析功能而又保證很好的靈活性。使用者可針對(duì)根據(jù)自己的工程問(wèn)題和系統(tǒng)需求通過(guò)模塊選擇，則和獲取最佳的應(yīng)用系統(tǒng)。此外，Nastran還為用戶提供了強(qiáng)大的開發(fā)工具DMAP語(yǔ)言。針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用, Nastran中有近70余種單元獨(dú)特的單元庫(kù)。所有這些單元可滿足Nastran各種分析功能的需要, 且保證求解的高精度和高可靠性。模型建好后, Nas

7、tran即可進(jìn)行分析, 如動(dòng)力學(xué)、非線性分析、靈敏度分析、熱分析等等。此外, Nastran的新版本中還增加了更為完善的梁?jiǎn)卧獛?kù), 同時(shí)新的基于P單元技術(shù)的界面單元的引入, 可有效地處理網(wǎng)格劃分的不連續(xù)性（如實(shí)體單元與板殼單元的連接）, 并自動(dòng)地進(jìn)行MPC約束。Nastran的RSSCON連接單元可將殼-實(shí)體自動(dòng)連接, 使組合結(jié)構(gòu)的建模更加方便。Nastran的具體功能有：1.靜力分析。Nastran的靜力分析功能支持全范圍的材料模式，包括各向同性材料、正交各向異性材料、各向異性材料和隨溫度變化的材料等。主要的分析類型除常規(guī)的靜力計(jì)算外，還包括慣性釋放靜力分析，即考慮結(jié)構(gòu)的慣性作用，計(jì)算無(wú)約束

8、自由結(jié)構(gòu)在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)；非線性靜力分析，即幾何大變形非線性、塑性和蠕變等材料非線性及考慮接觸狀態(tài)的邊界非線性等。2.動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是Nastran的主要強(qiáng)項(xiàng)之一。不同于靜力分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析常用來(lái)確定時(shí)間或頻率變化對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還要考慮各種阻尼和慣性效應(yīng)的作用。Nastran動(dòng)力學(xué)分析功能包括正則模態(tài)分析、復(fù)特征值分析、頻率及瞬間響應(yīng)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、沖擊譜分析、動(dòng)力靈敏度分析、聲學(xué)分析等。振動(dòng)中小以及超大型問(wèn)題不同的解題規(guī)模 ，用戶可選擇Nastran不同的動(dòng)力學(xué)方法加以求解、Nastran不但可以求解部件和裝配件的頻率響應(yīng)函數(shù)，而且具

9、有頻率響應(yīng)裝配功能，通過(guò)頻響函數(shù)裝配，可以由部件或子系統(tǒng)的頻響函數(shù)得到整個(gè)裝配件的頻率響應(yīng)函數(shù)，從而研究系統(tǒng)各部件之間的耦合關(guān)系，確定振動(dòng)和噪聲的傳遞路徑，為減振降噪提供工程指導(dǎo)。3.空氣動(dòng)力彈性及顫振分析。高速行駛的飛行器和受高速氣流作用的結(jié)構(gòu)在空氣動(dòng)力和氣流擾動(dòng)的作用下會(huì)產(chǎn)生變形和彈性振動(dòng)，進(jìn)而會(huì)引起附加的氣動(dòng)力，而附加氣動(dòng)力又使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生附加的變形和運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)彈性力學(xué)就是研究空氣動(dòng)力、彈性力學(xué)和慣性力之間的相互作用以及由此引起的對(duì)飛行器設(shè)計(jì)影響的一門邊緣學(xué)科。顫振現(xiàn)象的本質(zhì)是氣動(dòng)彈性動(dòng)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。氣動(dòng)彈性問(wèn)題涉及氣動(dòng)、慣性及結(jié)構(gòu)間的相互作用，飛機(jī)、直升機(jī)、導(dǎo)彈乃至高聳的電視塔、煙囪等都需

10、要?dú)鈩?dòng)彈性方面的計(jì)算。Nastran的氣動(dòng)彈性分析功能主要包括靜態(tài)氣彈分析、動(dòng)態(tài)氣彈分析、顫振分析、氣彈優(yōu)化等。除此之外，Nastran還能用來(lái)進(jìn)行屈曲分析、熱分析、流固耦合分析、多級(jí)超單元分析、高級(jí)對(duì)稱分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性分析、概率有限元分析等。本文應(yīng)用MSC.Patran2008和MSC.Nastran2007，完成了兩個(gè)實(shí)例，一個(gè)是某一翼板的模態(tài)分析，另一個(gè)是平板的顫振分析，包括平板的模態(tài)分析以及求解顫振速度和顫振頻率。二、翼板的模態(tài)分析模態(tài)分析是用來(lái)求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，模態(tài)分析可以計(jì)算正則化模態(tài)節(jié)點(diǎn)位移，約束力和正則化的單元力和應(yīng)力，并可同時(shí)考慮剛體模態(tài)，考

11、慮拉伸剛化效應(yīng)的非線性特征模態(tài)分析等。模態(tài)分析的步驟如下：（1）創(chuàng)建或者讀入幾何模型。（2）劃分有限單元網(wǎng)格。（3）創(chuàng)建邊界條件。（4）創(chuàng)建材料屬性。（5）創(chuàng)建單元屬性。（6）定義模態(tài)分析類型。（7）分析求解。（8）查看求解結(jié)果?，F(xiàn)用MSC.Patran和MSC.Nastran完成以下實(shí)例。對(duì)一翼板進(jìn)行模態(tài)分析，翼板如圖2-1所示，其材料屬性如下：彈性模量為20e10Pa，泊松比為0.3，密度為7800kg/m3，該板一端固定。分析問(wèn)題求解如下。圖2-1 幾何模型示意圖2.1 建立幾何模型的文件名選擇菜單File>New，輸入文件名model，單擊OK創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件model.db。選擇分

12、析代碼MSC.Nastran，選擇分析類型為Structure。2.2 創(chuàng)建幾何模型單擊 應(yīng)用工具按鈕，Create>Point>XYZ，在Point Coordinates List中一次放入0,0,0，2,0,0，2.3,0.2,0，1.9,0.45,0，1,0.25,0以建立5個(gè)點(diǎn)。Create>Curve>Point，Option：2 Point，在Point 1和Point 2、Point 1和 Point 5之間建立兩條直線。Create>Curve>Spline，Option：B-Spline，B-Spline Parameters：4，Ord

13、er：Interpolation，在Point List中輸入Point 2:5，單擊Apply建立樣條曲線。Create>Surface>Edge，Option：3 Edge，依次選擇曲線1,3,2，單擊Apply建立橫截面。Create>Solid>Extrude，在Translation Vector中輸入<0,0,10>，單擊Apply建立立體模型，如圖2-2所示。圖2-2 建立的立體模型2.3 劃分有限元網(wǎng)格單擊 應(yīng)用工具按鈕，開始創(chuàng)建有限元模型，選擇Action>Create，Object>Mesh，Type>Surface，E

14、lem Shape選擇Tet，Mesher選擇TetMesh，Topology選擇Tet10，在Input List中選擇實(shí)體Solid 1，在Global Edge Length框中輸入值為0.2，單擊Apply，完成劃分有限元網(wǎng)格，創(chuàng)建愛你完成的有限元網(wǎng)格模型如圖2-3所示。圖2-3 劃分網(wǎng)格后的模型2.4 設(shè)置邊界條件單擊 應(yīng)用工具按鈕，選擇Action>Create，Object>Displacement，Type>Nodal。在New Set Name選項(xiàng)中輸入SPC，單擊Input data按鈕，輸入Translates<0 0 0>和Rotation

15、s<0 0 0>，單擊OK。單擊Select Application Region按鈕，在Geometry Filter選項(xiàng)中選擇FEM，選擇模型的一側(cè)所有面的節(jié)點(diǎn)，單擊Add、OK、Apply按鈕，完成創(chuàng)建。施加邊界條件的有限元模型如圖2-4所示。圖2-4 施加邊界條件后的模型2.5定義材料屬性單擊 應(yīng)用工具按鈕，選擇Action>Create，Object>Isotropic，Method>Manual Input。Material Name：elastic，單擊打開Input Properties按鈕對(duì)應(yīng)的面板，在Elastic Modulus中輸入20e1

16、0，在Poisson Ratio中輸入0.3，在Density中輸入7.8e3，單擊OK、Apply，完成材料的創(chuàng)建，如圖2-5所示。圖2-5 定義材料常數(shù)2.6 定義單元屬性單擊 應(yīng)用工具按鈕，選擇Action>Create，Object>3D，Type>Solid。在Property Set Name中輸入Solid，打開Input Properties按鈕對(duì)應(yīng)的面板，在Mat Prop Name中選擇Elastic，單擊OK；在Select Application Region選項(xiàng)框，選擇視圖中所有的實(shí)體單元，如圖2-6所示，點(diǎn)擊Add、OK、Apply。圖2-6 定義

17、單元屬性2.7 進(jìn)行分析單擊 應(yīng)用工具按鈕，選擇Action>Analyze，Object>Entire Model，Method>Full Run。打開Solution Type按鈕，選擇求解類型為Normal Modes，單擊OK。在Subcases>Output Requests中可以定義所需輸出的數(shù)據(jù)類型，這里采用預(yù)設(shè)，即XBD和Print。單擊Apply，彈出Nastran計(jì)算對(duì)話框，開始計(jì)算。2.8 查看分析結(jié)果1.讀取計(jì)算結(jié)果。單擊 應(yīng)用工具按鈕，選擇Action>Access Results，Object>Attach XBD，Method&

18、gt;Result Entities。單擊Select Results File按鈕，選擇model.xdb，單擊OK、Apply。2.單擊 應(yīng)用工具按鈕，在菜單欄顯示出得到該翼板的前10階固有模態(tài)頻率，如圖2-7所示。圖2-7 翼板前10階固有模態(tài)頻率2.8.1顯示模態(tài)云圖選擇Action>Create，Object>Quick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 1：Fred.=3.1947，在Select Fringe Result選項(xiàng)中選擇Eigenvectors Translational，在Quantity選項(xiàng)中選擇M

19、agnitude，單擊Apply按鈕，翼板第一階模態(tài)的云圖就顯示出來(lái)了，如圖2-8所示。圖2-8 一階模態(tài)云圖2.8.2顯示模態(tài)變形圖選擇Action>Create，Object>Quick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 2：Fred.=14.346，在Select Deformation Result選項(xiàng)中選擇Eigenvectors Translational，單擊Apply按鈕，翼板第二階模態(tài)的變形圖就顯示出來(lái)了，如圖2-9所示。圖2-9 二階模態(tài)變形圖2.8.3同時(shí)顯示模態(tài)云圖及變形圖選擇Action>Crea

20、te，Object>Quick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 3：Fred.=19.562，在Select Fringe Result選項(xiàng)中選擇Eigenvectors Translational，在Quantity選項(xiàng)中選擇Magnitude，在Select Deformation Result選項(xiàng)中選擇Eigenvectors Translational，單擊Apply按鈕，翼板第三階模態(tài)的云圖及變形圖就顯示出來(lái)了，如圖2-10所示。圖2-10 三階模態(tài)的云圖及變形圖三、平板顫振分析顫振模型的建立包括結(jié)構(gòu)建模和氣動(dòng)建模。結(jié)構(gòu)模

21、型一般為梁式、板式甚至實(shí)體結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)有限元模型，模擬剛度和重量分布，即彈性和慣性特性。氣動(dòng)模型則將翼面簡(jiǎn)化為升力面，機(jī)身、外掛簡(jiǎn)化為旋轉(zhuǎn)體。應(yīng)用Doublet-Lattice 或 ZONA51升力面理論計(jì)算簡(jiǎn)諧氣動(dòng)力，使用樣條技術(shù)連接結(jié)構(gòu)模型和氣動(dòng)模型，將非定常氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)耦合起來(lái)；再應(yīng)用模態(tài)降階技術(shù)，在廣義坐標(biāo)下僅對(duì)少數(shù)低階模態(tài)進(jìn)行顫振計(jì)算（pk法等），就可以求解出顫振速度和頻率等顫振特性。MSC.Flds在Patran之上集成了FlightLoads菜單，用以建立氣動(dòng)模型并設(shè)定工況，進(jìn)行氣動(dòng)彈性分析。MSC.Flds進(jìn)行顫振分析主要步驟有：（1）MSC.Flds 2005結(jié)構(gòu)建模；（2

22、）MSC.Flds 2005氣動(dòng)建模設(shè)定氣動(dòng)參考坐標(biāo)系，氣動(dòng)建模網(wǎng)格劃分；（3）MSC.Flds 2005參數(shù)設(shè)置參考弦長(zhǎng)等參數(shù)設(shè)定，減縮頻率等參數(shù)設(shè)定；（4）MSC.Flds 2005耦合分析生成樣條，應(yīng)用樣條，設(shè)定工況、分析；（5）提交Nastran分析；（6）分析結(jié)果文件?，F(xiàn)用MSC.Flds2008和MSC.Nastran2007完成以下實(shí)例。有一正方形平板，尺寸為0.254mX0.254m，彈性模量6.8947e10Pa，剪切模量2.6518e10Pa，泊松比0.3，密度2643.4kg/m3，板厚0.002m，一側(cè)邊固定。進(jìn)行顫振分析。3.1結(jié)構(gòu)建模創(chuàng)建新文件flutter，選An

23、alysis Type為Structure。用坐標(biāo)創(chuàng)建平面，Vector Coordinates List <0.254, 0.254, 0>。進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑瓜蚓W(wǎng)格數(shù)為10，弦向網(wǎng)格數(shù)為4，如圖3-1所示。圖3-1 劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格設(shè)置材料屬性，材料名：mat_1，Elastic Modulus = 6.8947e10，Poisson Ratio =0.3，Shear Modulus = 2.6518e10，Density =2643.4。設(shè)置單元屬性，單元名：plate，輸入?yún)?shù)，材料選擇mat_1，厚度0.1，選擇應(yīng)用區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)平面。施加約束seta，Translation

24、s 為<0, 0, 0>，Rotations 為<0, 0, 0>，作用區(qū)域?yàn)橛邢拊?jié)點(diǎn)Node 1:45:11，即左側(cè)邊5個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3-2 施加約束后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，Solution Type選擇NORMAL MODES。讀取計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)擊Result按鈕，查看模型的前10階固有頻率。進(jìn)行后處理，可顯示各階模態(tài)的變形圖和云圖。圖3-3顯示了各階模態(tài)固有頻率和第一階模態(tài)變形圖。圖3-3 各階模態(tài)固有頻率和第一階模態(tài)變形圖3.2氣動(dòng)建模切換MSC.Flds模態(tài)，在Preference中選擇Analysis，將Analysis Type由Structure改為Aeroe

25、lasticity。3.2.1設(shè)定氣動(dòng)參考坐標(biāo)系在Flight Loads Dynamic中選擇Option，Basic Aero Coord Frame中使Coord為0，保證該坐標(biāo)系X軸正向?yàn)轫槡饬鞣较颉?.2.2氣動(dòng)建模網(wǎng)格劃分單擊Geometry工具按鈕，創(chuàng)建氣動(dòng)模型，為使其與結(jié)構(gòu)模型有區(qū)別，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在0.01, 0.01, 0.01處，其各邊長(zhǎng)不變。在Aero Modeling>Flat Plate Aero Modeling中選擇升力面來(lái)劃分網(wǎng)格。展向網(wǎng)格數(shù)為10，弦向網(wǎng)格數(shù)為4。3.3參數(shù)設(shè)置3.3.1參考弦長(zhǎng)等參數(shù)設(shè)定選擇Aerodynamic>Global D

26、ata，使用全模型，參考弦長(zhǎng)和展向長(zhǎng)度均為0.254，單位改為kg/m3，使用參考大氣密度1.226。3.3.2減縮頻率等參數(shù)設(shè)定選擇Aerodynamic>Unsteady Aerodynamics，設(shè)置MK Pair，命名為MK-Flutter單擊Mach Frequency Pairs，設(shè)置馬赫數(shù)和減縮頻率，馬赫數(shù)為0.5，減縮頻率選擇Dimensional，根據(jù)平板的固有模態(tài)，將Fmin設(shè)置為其第一階固有頻率26.369Hz，F(xiàn)max設(shè)置為其第五階固有頻率219.26Hz，假設(shè) Vmax=300， Vmin=100，取Number=10，可以假設(shè)出k在0.071.75之間。設(shè)置如下圖3-4所示。圖3-4 MK Pair的設(shè)置3.4耦合分析3.4.1生成樣條選擇Aeroelasticity<Aero-Structure Coupling，常見平面樣條，選擇Infinite Plate，選擇結(jié)構(gòu)模型和氣動(dòng)模型。3.4.2應(yīng)用樣條選擇Aeroelasticity<Aer