基于MSC.Patran/Nastran的一種超靜定桁架結構靜力校核

段明， 郝琳召

（中航工業試飛中心改裝部，西安710089）

基于MSC.Patran/Nastran的一種超靜定桁架結構靜力校核

段明， 郝琳召

（中航工業試飛中心改裝部，西安710089）

桁架結構在工程中有著廣泛的應用。為了提高結構剛度，桁架結構一般設計為超靜定結構，但超靜定桁架結構靜力分析的理論求解非常困難和繁瑣?；趪H通用的有限元分析軟件MSC.Patran/Nastran，對工程實踐中的一種超靜定桁架結構進行了靜力分析，分析結果給出了在設計載荷作用下結構的應力分布和變形，為設計優化提供了理論依據。

超靜定桁架結構；靜力分析；CAD/CAE

0 引言

桁架結構在工程中有著廣泛的應用，如各種塔吊、屋棚、天線背架結構等。為了提高結構剛度，桁架結構一般設計為超靜定結構。在靜力分析中，理論求解超靜定桁架結構必須聯合求解靜力平衡方程、變形協調方程以及物理方程。其中，靜力平衡方和物理方程所涉及的力學原理概念清晰，方程的建立比較容易；而變形協調方程屬于幾何方程，它是基于結構變形后的幾何關系建立的，但是結構變形后真實的幾何關系往往不容易確定，尤其對幾何關系和受載情況比較復雜的高次超靜定桁架結構更是如此。因此，理論求解超靜定桁架結構尤其是高次超靜定桁架結構非常困難和繁瑣。

隨著計算機技術和數值計算方法的發展，計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineerong）在產品設計中的作用變得日益重要?；谏虡I化、通用的結構有限元分析軟件對結構強度進行分析和校核已經是業界解決工程實際問題的重要手段之一，這樣可以避免工程設計人員進行繁瑣、重復的簡單計算，而將其主要精力用于產品的創新設計中，有助于提高產品質量、縮短產品研發周期。本文基于國際通用的有限元分析軟件 MSC.Patran/ Nastran，對工程實踐中的一種超靜定桁架結構進行了靜力分析與校核，分析結果給出了在設計載荷作用下結構的應力分布和變形，為設計優化提供了理論依據。

1 有限元分析的基本流程

結構有限元分析的實現過程通常包含3個步驟：前處理、求解、后處理。

1）前處理過程。主要包括幾何模型創建或導入、幾何模型的離散化、定義單元屬性、材料特性以及分析模型的位移邊界條件和載荷等。有限元分析的幾何模型可以直接在分析軟件中建立，也可以在其他CAD軟件中創建后，通過.stp、.igs等格式直接導入到分析軟件中。單元屬性主要包括定義單元的種類及其對應的輸入參數。以桿單元為例，它的典型輸入參數是單元的截面積。材料特性主要定義材料的彈性模量、泊松比及密度等；分析模型的位移邊界條件主要是根據結構的實際情況對分析模型施加約束，限制有關節點的自由度；

2）求解過程。就是將分析模型提交求解器進行計算，計算前要設置求解類型、輸出文件的格式等。求解類型包括靜力分析、模態分析、瞬態響應分析以及優化設計等。輸出文件的格式有.xdb、.op2等。

3）后處理過程。就是將計算結果按用戶要求的方式顯示出來，如云圖、動畫、列表、曲線以及報告等。

圖1 結構有限元分析的基本流程

結構有限元分析的流程圖如圖1所示。

2 靜力分析

2.1 有限元分析模型的創建

結構設計軟件采用通用 的 大 型 CAD 軟 件CATIA，結構總體設計時在CATIA中建立的幾何線架模型如圖2所示。

圖2 CATIA三維線架圖

將在CATIA中建立的幾何線架模型直接導入到MSC.Patran中，在Patran中通過Bar2單元將幾何模型離散化，離散化后模型共包含35個節點、86個單元。桁架由不同直徑的20鋼管焊接而成，定義為線彈性各向同性材料結構，材料特性的定義如圖3所示。幾何模型離散化后的單元并不具有分析屬性，計算求解前還必須指定它們的單元類型和特征參數。模型的單元類型分為2種：1D rod和1D beam，其中rod單元54個，beam單元32個。單元屬性定義如圖4、圖5所示。

圖3 材料特性定義

圖4 rod單元特性定義

圖5 beam單元特性定義

按結構的實際固定情況，對斜拉桿一端實施鉸接約束以及對矩形骨架的一端實施固結約束，完成位移邊界條件的定義；按設計載荷，在結構末端框架的4個節點上分別施加豎直向下的等效集中力12500N，完成載荷施加。

施加位移約束和載荷后的結構有限元分析模型如圖6所示。

圖6 有限元分析模型

2.2 求解

求解前設置分析類型為線性靜力分析如圖7所示，輸出文件格式為.op2形式如圖8所示。設置完成后提交MSC.Nastran進行計算。

圖7 分析類型定義

圖8 輸出文件格式定義

圖9 結構應力云圖

圖10 結構變形云圖

2.3 計算結果

MSC.Nastran計算結果表明，跨度為3 m的超靜定桁架結構在5000kg載荷作用下，結構最大應力為238MPa，低于材料的許用應力，結構的安全系數約為1.6，結構強度滿足要求。

計算結果同時表明，在載荷作用下，結構末端框架的最大變形位移為6.4mm，也小于最大變形量不超過10mm的設計指標，結構剛度滿足設計要求。

結構靜力分析的應力云圖和變形位移云圖分別如圖9、圖10所示。

3 結語

1）將在CATIA中建立幾何線架模型，直接導入分析軟件MSC.Patran中進行結構離散化，進而創建有限元分析模型，既節省了建模時間，又達到數據源統一，避免了CAD模型和CAE模型不一致問題，實現了CAD/CAE一體化。

2）計算結果表明：在設計載荷作用下，結構最大應力小于材料許用應力，結構強度滿足要求；結構的最大變形量小于指標要求，結構剛度滿足設計要求。

3）基于MSC.Patran/Nastran的超靜定桁架結構靜力校核方法，求解流程清晰、簡單、快捷，避免了理論求解的繁瑣和重復計算，可作為相關結構靜力分析的參考。

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［2］ 隋允康，邵建義.自適應超靜定桁架結構強度控制的研究［J］.固體力學學報，2001，22（2）：136-142.

［3］ 萬書亭，孫蘭英，等.超靜定桁架極限載荷的有限元分析［J］.河北科技大學學報，2000，21（1）：62-65.

（編輯：立 明）

TP 391.7

A

1002－2333（2014）04－0110－02

段明（1982—），男，工學碩士，工程師，從事飛機改裝機械設計工作。

2013-12-22