機翼的模態(tài)分析與顫振分析

1、各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設計圖紙目錄一、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 設置邊界條件42.5定義材料屬性52.6 定義單元屬性52.7 進行分析62.8 查看分析結果62.8.1顯示模態(tài)云圖72.8.2顯示模態(tài)變形圖72.8.3同時顯示模態(tài)云圖及變形圖8三、平板顫振分析83.1結構建模93.2氣動建模103.2.1設定氣動參考坐標系103.2.2氣動建模網(wǎng)格劃分103.3參數(shù)設置103.3.1參考弦長等參數(shù)設定103.3.2減縮頻率等參數(shù)設定113.4耦

2、合分析113.4.1生成樣條113.4.2應用樣條113.4.3設定工況、分析123.5結果分析12四、總結13五、參考文獻14一、軟件介紹1.1MSC.Patran介紹MSC.Patran(后稱Patran)是一個集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真系統(tǒng)。Patran最早由美國宇航局（NASA）倡導開發(fā)，是工業(yè)領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、多功能的體系結構可將工程設計、工程分析、結果評估、用戶化設計和交互圖形界面集于一身，構成一個完整的CAE集成環(huán)境。使用Patran，可以幫助產(chǎn)品開發(fā)用戶實現(xiàn)從設計到制造全過程的產(chǎn)品性能仿真。Patran擁有良好的用戶界面，既

3、容易使用又方便記憶。Patran作為一個優(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)約寶貴的時間，減少重復建模，消除由此帶來的不必要的錯誤，Patran應用直接幾何訪問技術（DGA），能夠使用戶直接從一些世界先導的CAD/CAM系統(tǒng)中獲取幾何模型，甚至參數(shù)和特征。此外, Patran還提供了完善的獨立幾何建模和編輯工具，以使用戶更靈活的完成模型準備。Patran允許用戶直接在幾何模型上設定載荷、邊界條件、材料和單元特性, 并將這些信息自動地轉換成相關的有限元信息，以最大限度地減少設計過程的時間消耗。所有的分析結果均可以可視化。2.自動有限元建模。P

4、atran的新產(chǎn)品中不斷增加了很多更靈活更方便的智能化工具，同時提供了自動網(wǎng)格及工業(yè)界最先進的映射網(wǎng)格劃分功能，使用戶快速完成他們想做的工作。同時也提供手動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集于一體，為用戶提供一個公共的環(huán)境。這樣可以使用戶不必擔心不同軟件之間的兼容問題，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)多種類型的仿真結果對產(chǎn)品的整體設計給出正確的判斷，進行相應的改進，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

5、的前后置處理器，并利用其強大的PCL（Patran Command Language）語言和編程函數(shù)庫，把自行開發(fā)的應用程序和功能及針對特殊要求開發(fā)的內容直接嵌入Patran的框架系統(tǒng)，或單獨使用或與其它系統(tǒng)聯(lián)合使用。這樣，Patran又成為用戶二次開發(fā)的一個良好平臺，可以為用戶提供更強大和更專業(yè)的功能。5.分析結果的可視化處理。Patran豐富的結果后處理功能可使用戶直觀的顯示所有的分析結果，從而找出問題之所在，快速修改，為產(chǎn)品的開發(fā)贏得時間，提高市場的競爭力。Patran能夠提供圖、表、文本、動態(tài)模擬等多種結果形式，形象逼真、準確可靠。1.2 MSC.NastranMSC.Nastran（

6、后稱Nastran）是由MSC.Software公司推出的一個大型結構有限元分析軟件，具有很高的軟件可靠性、品質優(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的計算結果作為標準代替其他質量規(guī)范。Nastran具有開放式的結構，全模塊化的組織結構使其不但擁有很強的分析功能而又保證很好的靈活性。使用者可針對根據(jù)自己的工程問題和系統(tǒng)需求通過模塊選擇，則和獲取最佳的應用系統(tǒng)。此外，Nastran還為用戶提供了強大的開發(fā)工具DMAP語言。針對實際工程應用, Nastran中有近70余種單元獨特的單元庫。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。

7、模型建好后, Nastran即可進行分析, 如動力學、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單元庫, 同時新的基于P單元技術的界面單元的引入, 可有效地處理網(wǎng)格劃分的不連續(xù)性（如實體單元與板殼單元的連接）, 并自動地進行MPC約束。Nastran的RSSCON連接單元可將殼-實體自動連接, 使組合結構的建模更加方便。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)的靜力計算外，還包括慣性釋放靜力分析，即考慮結構的

8、慣性作用，計算無約束自由結構在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準靜態(tài)響應；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.動力學分析。結構動力學分析是Nastran的主要強項之一。不同于靜力分析，結構動力學分析常用來確定時間或頻率變化對整個結構或部件的影響，同時還要考慮各種阻尼和慣性效應的作用。Nastran動力學分析功能包括正則模態(tài)分析、復特征值分析、頻率及瞬間響應分析、隨機響應分析、沖擊譜分析、動力靈敏度分析、聲學分析等。振動中小以及超大型問題不同的解題規(guī)模，用戶可選擇Nastran不同的動力學方法加以求解、Nastran不但可以求解部件和裝配件的頻

9、率響應函數(shù)，而且具有頻率響應裝配功能，通過頻響函數(shù)裝配，可以由部件或子系統(tǒng)的頻響函數(shù)得到整個裝配件的頻率響應函數(shù)，從而研究系統(tǒng)各部件之間的耦合關系，確定振動和噪聲的傳遞路徑，為減振降噪提供工程指導。3.空氣動力彈性及顫振分析。高速行駛的飛行器和受高速氣流作用的結構在空氣動力和氣流擾動的作用下會產(chǎn)生變形和彈性振動，進而會引起附加的氣動力，而附加氣動力又使機構產(chǎn)生附加的變形和運動。氣動彈性力學就是研究空氣動力、彈性力學和慣性力之間的相互作用以及由此引起的對飛行器設計影響的一門邊緣學科。顫振現(xiàn)象的本質是氣動彈性動不穩(wěn)定性現(xiàn)象。氣動彈性問題涉及氣動、慣性及結構間的相互作用，飛機、直升機、導彈乃至高聳的

10、電視塔、煙囪等都需要氣動彈性方面的計算。Nastran的氣動彈性分析功能主要包括靜態(tài)氣彈分析、動態(tài)氣彈分析、顫振分析、氣彈優(yōu)化等。除此之外，Nastran還能用來進行屈曲分析、熱分析、流固耦合分析、多級超單元分析、高級對稱分析、設計靈敏度及優(yōu)化分析、轉子動力學特性分析、概率有限元分析等。本文應用MSC.Patran2008和MSC.Nastran2007，完成了兩個實例，一個是某一翼板的模態(tài)分析，另一個是平板的顫振分析，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)分析是用來求解結構的自然頻率和振型，模態(tài)分析可以計算正則化模態(tài)節(jié)點位移，約束力和正則化的單元力和應力，并可同

11、時考慮剛體模態(tài)，考慮拉伸剛化效應的非線性特征模態(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）查看求解結果。現(xiàn)用MSC.Patran和MSC.Nastran完成以下實例。對一翼板進行模態(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FileNew，輸入文件名model，單擊OK創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件model.d

12、b。選擇分析代碼MSC.Nastran，選擇分析類型為Structure。2.2 創(chuàng)建幾何模型單擊應用工具按鈕，CreatePointXYZ，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個點。CreateCurvePoint，Option：2 Point，在Point 1和Point 2、Point 1和 Point 5之間建立兩條直線。CreateCurveSpline，Option：B-Spline，B-Spline Parameters：4，Order：Interpolation，在Po

13、int List中輸入Point 2:5，單擊Apply建立樣條曲線。CreateSurfaceEdge，Option：3 Edge，依次選擇曲線1,3,2，單擊Apply建立橫截面。CreateSolidExtrude，在Translation Vector中輸入，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)格單擊應用工具按鈕，開始創(chuàng)建有限元模型，選擇ActionCreate，ObjectMesh，TypeSurface，Elem Shape選擇Tet，Mesher選擇TetMesh，Topology選擇Tet10，在Input List中選擇實體

14、Solid1，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 設置邊界條件單擊應用工具按鈕，選擇ActionCreate，ObjectDisplacement，TypeNodal。在New Set Name選項中輸入SPC，單擊Input data按鈕，輸入Translates和Rotations，單擊OK。單擊Select Application Region按鈕，在Geometry Filter選項中選擇FEM，選擇模型的一側所有面的節(jié)點，單擊Add、OK、Apply

15、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用工具按鈕，選擇ActionCreate，ObjectIsotropic，MethodManual Input。Material Name：elastic，單擊打開Input Properties按鈕對應的面板，在Elastic Modulus中輸入20e10，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用工具按鈕，選擇ActionCreate，Obje

16、ct3D，TypeSolid。在Property Set Name中輸入Solid，打開Input Properties按鈕對應的面板，在Mat Prop Name中選擇Elastic，單擊OK；在Select Application Region選項框，選擇視圖中所有的實體單元，如圖2-6所示，點擊Add、OK、Apply。圖2-6 定義單元屬性2.7 進行分析單擊應用工具按鈕，選擇ActionAnalyze，ObjectEntire Model，MethodFull Run。打開Solution Type按鈕，選擇求解類型為Normal Modes，單擊OK。在SubcasesOutput

17、 Requests中可以定義所需輸出的數(shù)據(jù)類型，這里采用預設，即XBD和Print。單擊Apply，彈出Nastran計算對話框，開始計算。2.8 查看分析結果1.讀取計算結果。單擊應用工具按鈕，選擇ActionAccess Results，ObjectAttach XBD，MethodResult Entities。單擊Select Results File按鈕，選擇model.xdb，單擊OK、Apply。2.單擊應用工具按鈕，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ActionCreate，ObjectQu

18、ick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 1：Fred.=3.1947，在Select Fringe Result選項中選擇Eigenvectors Translational，在Quantity選項中選擇Magnitude，單擊Apply按鈕，翼板第一階模態(tài)的云圖就顯示出來了，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ActionCreate，ObjectQuick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 2：Fred.=14.346，在Select Deformat

19、ion Result選項中選擇Eigenvectors Translational，單擊Apply按鈕，翼板第二階模態(tài)的變形圖就顯示出來了，如圖2-9所示。圖2-9 二階模態(tài)變形圖2.8.3同時顯示模態(tài)云圖及變形圖選擇ActionCreate，ObjectQuick plot。在Select Result Cases中選擇Default，Al：Mode 3：Fred.=19.562，在Select Fringe Result選項中選擇Eigenvectors Translational，在Quantity選項中選擇Magnitude，在Select Deformation Result選項中選

20、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構建模和氣動建模。結構模型一般為梁式、板式甚至實體結構動力學有限元模型，模擬剛度和重量分布，即彈性和慣性特性。氣動模型則將翼面簡化為升力面，機身、外掛簡化為旋轉體。應用Doublet-Lattice 或 ZONA51升力面理論計算簡諧氣動力，使用樣條技術連接結構模型和氣動模型，將非定常氣動力與結構運動耦合起來；再應用模態(tài)降階技術，在廣義坐標下僅對少數(shù)低階模態(tài)進行顫振計算（pk法等），就可以求

21、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，用以建立氣動模型并設定工況，進行氣動彈性分析。MSC.Flds進行顫振分析主要步驟有：（1）MSC.Flds 2005結構建模；（2）MSC.Flds 2005氣動建模設定氣動參考坐標系，氣動建模網(wǎng)格劃分；（3）MSC.Flds 2005參數(shù)設置參考弦長等參數(shù)設定，減縮頻率等參數(shù)設定；（4）MSC.Flds 2005耦合分析生成樣條，應用樣條，設定工況、分析；（5）提交Nastran分析；（6）分析結果文件?，F(xiàn)用MSC.Flds2008和MSC.Nastran2007完成以下實例。有一正方形平板，

22、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，一側邊固定。進行顫振分析。3.1結構建模創(chuàng)建新文件flutter，選Analysis Type為Structure。用坐標創(chuàng)建平面，Vector Coordinates List 。進行有限元劃分，展向網(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)格設置材料屬性，材料名：mat_1，Elastic Modulus = 6.8947e10，Poisson Ratio =0.3，Shear Modulus = 2.65

23、18e10，Density =2643.4。設置單元屬性，單元名：plate，輸入?yún)?shù)，材料選擇mat_1，厚度0.1，選擇應用區(qū)域為整個平面。施加約束seta，Translations 為，Rotations 為，作用區(qū)域為有限元節(jié)點Node 1:45:11，即左側邊5個節(jié)點。圖3-2 施加約束后的模型進行模態(tài)分析，Solution Type選擇NORMAL MODES。讀取計算結果，點擊Result按鈕，查看模型的前10階固有頻率。進行后處理，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氣動建模切換MSC

24、.Flds模態(tài)，在Preference中選擇Analysis，將Analysis Type由Structure改為Aeroelasticity。3.2.1設定氣動參考坐標系在Flight Loads Dynamic中選擇Option，Basic Aero Coord Frame中使Coord為0，保證該坐標系X軸正向為順氣流方向。3.2.2氣動建模網(wǎng)格劃分單擊Geometry工具按鈕，創(chuàng)建氣動模型，為使其與結構模型有區(qū)別，將坐標原點定在0.01, 0.01, 0.01處，其各邊長不變。在Aero ModelingFlat Plate Aero Modeling中選擇升力面來劃分網(wǎng)格。展向網(wǎng)格數(shù)

25、為10，弦向網(wǎng)格數(shù)為4。3.3參數(shù)設置3.3.1參考弦長等參數(shù)設定選擇AerodynamicGlobal Data，使用全模型，參考弦長和展向長度均為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)設定選擇AerodynamicUnsteady Aerodynamics，設置MK Pair，命名為MK-Flutter單擊Mach Frequency Pairs，設置馬赫數(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設置為其第一階固有頻率26.369Hz，F(xiàn)max設置為其第五階固有頻率219.26Hz，假設Vmax=300，Vmin=100，取Number=10，可以假設出k在0.071.75之間。設置如下圖3-4所示。圖3-4 MK Pair的設置3.4耦合分析3.4.1生成樣條選擇AeroelasticityAero-Structure Coupling，常見平面樣條，選擇Infinite Plate，選擇結構模型和氣動模型。3.4.2應用樣條選擇AeroelasticityAeroelastic Model，選擇