3.7 結構分析基礎實例

3.7.1 實例：框架模型線性靜力學分析

本節以一個框架模型為例，展示線性靜力學分析的整個過程。框架模型如圖3-8所示，約束前后板安裝點上的自由度，在右邊板的連接處施加集中載荷。基礎模型僅包含網格及連接，需要創建材料、屬性、固定約束、集中力載荷、線性靜力學分析步。

模型設置

Step 01 創建線彈性材料。

- 打開HyperMesh，將求解器模板切換到OptiStruct。首先由File->Import菜單項導入frame＿as-semble＿base.fem模型。

- 在模型瀏覽器（Model Browser空白處右擊并選擇Create->Material，創建名為steel的材料卡片，卡片類型為MAT1，楊氏模量為210000MPa，泊松比為0.3，密度為7.85e-09。詳細設置如圖3-9所示。

Step 02 創建PSHELL屬性。

- 在模型瀏覽器空白處右擊并選擇Create->Property，創建名為shell的屬性卡片，卡片類型為PSHELL，關聯上一步創建的steel材料，厚度設置為1mm。詳細設置如圖3-10所示。

- 按住?Ctrl?鍵，同時選擇1～11號以及20號component，在屬性窗口將創建的shell屬性賦予所有被選中的component。

Step 03 創建約束。

- 在模型窗口選中Right＿Rail＿2和Left＿Rail＿2兩個component，然后單獨顯示。

- 在模型瀏覽器空白處右擊并選擇Create->Load Collector，創建名為SPC的空約束卡片，卡片類型為None。

- 由Analysis->constraints進入創建約束面板。選擇兩個component 8個孔上的所有節點，勾選dof1～dof6，按圖3-11所示設置創建約束。所有約束都保存到名為SPC的Load Collector中。

Step 04 創建載荷。

- 在模型瀏覽器空白處右擊并選擇Create->Load Collector，創建名為Force的空載荷卡片，卡片類型為None。

- 由Analysis->forces進入創建集中力面板。選擇12336號節點，施加Y軸正方向500N的集中力。另外，在14751和14752號節點上分別施加Y軸正方向100N的集中力載荷，如圖3-12及圖3-13所示。

Step 05 創建分析步。在模型瀏覽器空白處右擊并選擇Create->Load Step，創建名為Force的載荷步。分析類型為Linear Static，SPC欄選擇名為SPC的Load Collector，Load欄選擇名為Force的集中力載荷，如圖3-14所示。

Step 06 提交計算。由Analysis->OptiStruct進入提交計算界面，在input file欄選擇模型文件保存路徑，按圖3-15所示進行設置，單擊OptiStruct提交計算。彈出圖3-16所示的計算界面，并顯示ANALYSIS COMPLETED，表示計算完成。

結果查看

單擊圖3-16中的Results按鈕，將自動打開HyperView并讀取計算結果.h3d文件。全局最大位移為0.82mm，最大應力為172.1MPa，位移及應力云圖如圖3-17所示。

3.7.2 實例：飛機艙段結構屈曲分析

本例以飛機艙段結構為例，展示線性屈曲分析流程。模型為蒙皮加筋結構，如圖3-18所示，該結構是機身和機翼的重要組成部分。對蒙皮面言，屈曲是其主要的設計失效模式，因而臨界屈曲載荷是蒙皮結構強度的重要表征。模型中約束機身筒段一端，在另外一端施加彎矩，通過線性屈曲分析計算該彎矩的臨界載荷。基礎模型中已包含靜力學分析工況，這里需要創建屈曲分析工況，解讀屈曲分析結果。

模型設置

Step 01 導入并檢查模型。打開HyperMesh，將求解器模板切換到OptiStruct。首先由File->Im-port導入fuselage＿base.fem模型，模型中已定義好線性靜力學分析步，機身一端施加固定約束，另一端施加繞Y軸的彎矩1×10¹⁰N·mm，如圖3-18所示。

Step 02 定義EIGRL卡片。

- 屈曲分析需要提取結構特征值，因此需要定義EIGRL卡片。

- 在模型瀏覽器中右擊并創建名為EIGRL的Load Collector，卡片類型為EIGRL，模態頻率下限為0Hz，模態階次為一階，具體設置如圖3-19所示。

- 只要發生屈曲，即認為結構已經損壞，因此不需要關注更高階次的屈曲。

Step 03 創建屈曲分析步。在模型瀏覽器中右擊并創建名為buckling的分析步，分析類型為Linear buckling，STATSUB（BUCKLING）選擇名為static的線性靜力學分析步，METHOD（STRUCT）選擇EIGRL卡片。具體設置如圖3-20所示。

Step 04 提交計算。由Analysis->OptiStruct面板提交計算，單擊save as按鈕可選擇模型及結果文件保存路徑，詳細設置如圖3-21所示。

結果查看

1）計算完成后，直接單擊HyperMesh提交計算界面上的HyperView按鈕，自動打開HyperView并導入結果文件。靜力學工況下結構最大應力為112.7MPa，最大位移為6.2mm，如圖3-22所示。

2）在Results瀏覽器中，將工況切換為buckling，如圖3-23所示，屈曲因子為5.85，static工況中施加的彎矩為1×10¹⁰N·mm，因此整個模型發生一階屈曲的臨界彎矩為5.85×10¹⁰N·mm。屈曲形狀云圖如圖3-23所示，屈曲發生在機身下部。

3.7.3 實例：汽車轉向節慣性釋放分析

本例以汽車轉向節為例，展示慣性釋放分析流程。轉向節通過各種鉸鏈連接到底盤系統上，在進行轉向節的強度校核時，可首先通過多體動力學分析得到鉸接點的力，然后將這些力施加到轉向節上。轉向節并沒有施加任何約束，故可通過慣性釋放的方式進行分析。在轉向節的疲勞分析中，也會在每個連接點的每個自由度方向施加單位載荷，進行慣性釋放分析，將單位載荷下的應力結合載荷歷史進行疲勞分析。本模型只是一個流程展示，并沒有取實際多體動力學分析中的載荷。模型如圖3-24所示，基礎模型已包含網格、材料、屬性、載荷，接下來需要創建LOADADD，設置慣性釋放參數，創建分析步提交計算。

模型設置

Step 01 導入并檢查模型。打開HyperMesh，將求解器模板切換為OptiStruct。由File->Import導入kunckle＿inertia＿base.fem模型。模型已經在各拉桿球銷以及耦合點創建好相應的力載荷，如圖3-24所示。

Step 02 創建LOADADD卡片。

- OptiStruct不支持單個工況添加多個載荷卡片，因此需要創建一個LOADADD卡片將所有（10個）載荷放到一個載荷卡片中。

- 在模型瀏覽器中右擊并創建Load Collector，命名為loadadd，將卡片類型修改為LOADADD，具體設置如圖3-25所示。

Step 03 創建線性靜力學分析步。在模型瀏覽器中右擊并創建名為inertia的載荷步，將分析類型切換為Linear Static，在LOAD欄關聯loadadd，詳細設置如圖3-26所示。

Step 04 定義慣性釋放參數。由Analysis->control cards->PARAM->INREL激活慣性釋放參數，并將INREL＿V1設置為-2。具體設置如圖3-27所示。

Step 05 提交計算。由Analysis->OptiStruct面板提交計算，單擊save as按鈕可選擇模型及結果文件保存路徑。具體設置如圖3-28所示。

結果查看

慣性釋放分析結果的位移是相對位移，沒有實際意義。整個模型最大應力為251.4MPa，查看ISO云圖可知，應力主要集中在兩個球銷位置。應力云圖如圖3-29所示。