patran（共7篇）
patran 篇1
吊耳作为船舶建造过程中重要的运输和起吊构件, 直接关系到整个吊装过程的安全。如果吊装过程中, 吊耳因强度不够造成吊耳撕裂失效, 将对整个船厂造成不可估量的财产损失。因此, 需要设计人员在设计阶段对吊耳进行不同载荷方向下的强度核算, 以免吊装过程中对吊耳造成破坏。
吊耳的强度校核工程设计中一般采用理论算法, 同时也经常采用有限元法对吊耳的强度进行校核。本文采用MSC.Patran/Nastran软件对Z-40T型吊耳进行建模和强度校核, 分析在不同载荷方向下吊耳是否满足强度要求, 可作为现场施工参考。
1 吊耳有限元计算
1.1 本文研究的吊耳基本尺寸:吊耳厚度δ=48mm, 材质Q235 (屈服强度=235MPa) , 吊耳外径D=300mm, 吊耳内径D=92mm, 设计载荷P=40t。
1.2 采用MSC.Patran对吊耳建模和有限元网格划分, 材料的弹性模量=200GPa, 泊松比=0.3。
1.3 将吊耳与船体焊接部分视为固定端, 吊耳内径分别施加三个不同方向的载荷 (角度分别与固定端的垂直面成0°, 20°, 30°) , 如图1所示。
注:载荷P=40/Cosθ (t)
2 计算结果
2.1 载荷与固定面的垂直面成0°的结果如图2。
从图2中可以看出最大合应力 (von Mises) 为205MPa, 小于屈服强度235Mpa, 吊码不会受到破坏。
2.2 载荷与固定面的垂直面成20°的结果如图3。
从图3中可以看出最大合应力 (von Mises) 为226MPa, 接近屈服强度235Mpa, 吊码不会受到破坏。
2.3 载荷与固定面的垂直面成30°的结果如图4。
从图4中可以看出最大合应力 (von Mises) 为251MPa, 超过屈服强度235Mpa, 吊码将受到破坏。
3 结论与建议
3.1 从计算结果可以看出在不同载荷方向情况下, 吊耳受到的最大合应力不同。钢丝绳与固定面的垂直面的角度超过20°时, 吊耳受到的合应力将要超过其屈服强度, 可能对吊耳造成破坏。
3.2 现场实施吊装过程中, 不应将钢丝绳与吊耳固定面的垂直面的角度超过20°。
patran 篇2
关键词：壁板结构,强度校核,MSC.Patran,二次开发,PCL语言
飞机壁板结构由蒙皮、长桁和框等主要结构件组成。在地面和飞行载荷的作用下,机身结构受到弯、扭、剪载荷的作用。机身壁板在这些作用下可能屈曲,从而使壁板进入所谓“张力场”状态。而张力场的计算分析纷繁复杂,在飞机设计中一般都是在得到飞机壁板结构的有限元分析结果之后,利用基于工程分析方法或半经验公式对该计算结果进行评估,最终得到壁板结构的强度评估结果。本系统在MSC.Patra平台上利用其自带的二次开发语言PCL(PATRAN Command Language),在已得到的有限元计算结果上,开发了专门对飞机壁板结构进行工程经验计算的系统。本模块属于有限元后处理模块,具有流程清晰,界面易用、方便的特点,并且实现了与分析结果、评估以及计算报告生成之间的无缝连接,能够满足较大范围内的各种飞机壁板结构的强度校核要求。
1 MSC.Patran二次开发简介
MSC.Patran是目前航空工业中FE数据前后处理的标准软件,拥有广泛的用户基础。其中,PCL是MSC.Patran一个高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具,随同MSC.Patran一起发布。PCL所提供的函数比较丰富,二次开发的能力较强,基本能满足各种开发的需要[1]。
PCL语言中包含各种指令和固有函数,这些指令和固有函数是由MSC.Patran预先定义好的,通过编写由这些固有函数和指令组成的函数文件或程序,用户就可以实现自己需要的功能。而其功能实现主要通过函数结构来实现。PCL函数以“function 函数名()”声明开始,以“end function”声明结束,其中,function声明可以包含一组输入和输出参数,供其他函数调用。且MSC.Patran中包含的几乎所有的窗体和按钮都由PCL创建。每个窗体都通过一个类来定义,其中必须包括两个函数:init()和display()。
打开Patran,启动文件,init.pcl、p3prolog.pcl、p3midilog.pcl、p3epilog.pcl等都会被自动加载编译[2]。在这些启动文件中输入相应的指令,就可以实现将自己开发的PCL文件或程序自动编译的功能。本文采用的就是这种方法,利用init.pcl、p3epilog.pcl文件自动加载自编程序文件[3,4,5]。
现结合飞机壁板结构强度校核系统,介绍如何利用PCL语言建立自己的用户化程序,特别是其中比较重要的参数输入和评估结果界面功能。
2 壁板结构强度校核程序
2.1 系统设计基本原理
该系统属于MSC.Patran有限元建模中的后处理部分,即对已建的有限元模型所得的结果进行工程算法的再处理。该系统的基本流程元素为一个壁板结构元,壁板结构元是指在有限元模型中由一个BAR元和两侧的QUAD元组成的元素结构体,如图1所示。
根据选取的长桁单元,程序自动读取长桁对应两边的蒙皮作为一个结构单元进行有限元分析结果的后处理。对于不同的结构参数,对应输入不同的计算用结构参数。在Patran中记录所有计算用结构参数。读取有限元模型计算的结果,根据工程计算方法或者半经验公式,计算出该结构元的强度裕度,显示于Patran的图形界面上,并输出计算结果报告。且对于结构参数相同的蒙皮长桁连接结构元,具有多单元批处理功能,具有多工况处理能力[2,6]。其单个结构元处理流程如图2所示。
2.2 用户图形界面及使用流程
考虑到程序的可操作性,用PCL语言在Patran主菜单下创建了“民机典型结构强度计算校核系统”主菜单,同时创建了下拉的“壁板结构强度计算校核系统”子菜单,点击子菜单就会出现对应的用户主界面[7]。图3为利用Patran平台进入本系统的菜单界面;图4为飞机壁板结构强度校核系统的用户主界面。
在该用户主界面上,首先在主界面“选择载荷工况”框中选择本次计算所要用的工况,可选择单个工况,也可选择多个工况。然后选择所要分析的结构元中长桁的方向,长桁方向规定与结构元的关系如图1所示。最后进入“输入结构元设计参数”界面,如图5所示。
壁板结构元参数主要有“有效蒙皮面积”、“蒙皮载荷系数”、“许用拉压剪应力”。在工程计算中,这些参数有时与有限元模型参数或结果有关,所以为方便输入,留有了“用户定义”和“内部计算”两种输入接口,用户可根据实际的结构元计算需求来进行参数输入。在“说明”框中也会相应的对输入参数作出解释。这样,在用户输入完结构元参数后点击“确定”按钮,就将这些参数输入到了计算流程中,回到用户主界面。
在主界面中对于“自动执行”和“显示数值”按钮可选择也可不选择。“自动执行”选择上就相当于取代了点击“确定”按钮的作用。而选择了“显示数值”则是选择了在所选的杆单元上显示出所计算出的该杆单元对应的结构元的安全裕度结果。最后在有限元模型中选择杆单元,也可选择多个杆单元,但它们所代表的结构元必须具有同样的结构元参数。最终“确定”,就可以计算出结构元的安全裕度结果。计算流程如图2所示。
3 计算实例
3.1 机身壁板的计算
一般飞机机身结构在有限元建模中为圆筒结构,图6中显示了某飞机机身结构的有限元模型。这是经过刚度等效等方式处理后的一种较为理想的模型。其中模型中的黄色实线代表的是杆单元,轴向的杆单元代表该结构中的长桁,而周向的杆单元则代表该结构中的框。而其中的四边形单元则代表了蒙皮结构。
该模型是用于计算实例说明而建的非真实模型。所用材料为:
首先,建立两种工况。两种工况一种受拉伸载荷,一种受压缩载荷。约束方式均为:一端固支约束,另一端沿轴向加载,如图6所示。将两种工况都提交给NASTRAN进行分析,在提交分析时需在output选项中选择输出ELEMENT FORCE,因为该程序是在得到单元力的基础上进行工程计算的。计算完毕后,将两种工况的结果读入,点击进入该系统,就会如图4所示将工况结果显示在“选择载荷工况”框中。
将两个计算工况结果都选上,再将长桁方向选择为总体坐标的Z轴方向,输入结构元参数如图5所示。选择“显示结果”,然后选择杆单元:Elm 398:538:20。
点击“确定”分析后,得到所有结构元的计算结果,如图7所示。该评估方法能将结构元的最初失效模式,以及在该失效模式下的安全裕度都表达出来,且能在“评估结论”框中给出设计提示。由计算结果可知,所有结构元均为进入失效。
可见,在同一种工况下所得到的结构元的安全裕度是一样的,那是因为材料参数,结构元参数,以及有限元所传递的力是一样的。
3.2 机翼壁板的计算
机翼壁板与机翼壁板的结构元形式一样,如图1所示。采用同样的方法对某种飞机机翼壁板进行强度校核,机翼壁板也采用非真实模型的算例。如图9所示。
同样采取拉压两种工况,加载方式和约束如图6所示。计算时,两种工况均选上,将总体坐标的X方向定义为长桁方向,选择“显示结果”,选择杆单元:Elm 58:52:-2 49。得到结构元评估结果如下图10所示。
由计算结构可知,已有结构元失效,最小安全裕度产生在以 58,10,15 为单元号组成的结构元在 Default1,Static Subcase 载荷工况下的拉伸失效模式。在点击“生成报告后”能直接产生本次计算的计算报告,如图12所示。
用该程序不仅避免打开F06文件,更能进行结构元在各种工况下的批量处理,在3 min内就可全部完成,且能生成初始结果报告,大大提高了设计者的工作效率。
4 结论
(1)利用有限元软件MSC.Patran平台,利用其二次开发语言PCL开发了飞机壁板结构强度校核系统。几个典型的飞机壁板计算应用结果表明,该程序应用范围较广,显著地提高了工程计算效率。同时,人机用户界面的操作性好,易于掌握,更好地扩充了PATRAN的后处理能力。
(2)以该壁板结构校核程序为基础,介绍了使用PCL语言进行二次开发的流程,PCL函数结构和编译方法,读取结果技术,后处理技术以及用户图形界面和菜单的创建过程,体现出了PCL语言在自编程序开发,并与MSC.Patran软件系统集成方面的优越性,为其他用户对MSC. Patran进行二次开发提供了方法和思路。
参考文献
[1]刘兵山,黄聪.Patran从入门到精通.北京:中国水利水电出版社,2003
[2] MSC.Patran PCL Reference.MSC公司,2004
[3] MSC.Patran PCL and Customization.MSC公司,2004
[4] MSC.Patran User's Guide.MSC公司,2004
[5]张允涛,黄其青,殷之平.虚拟裂纹闭合法在MSC_Patran中的二次开发.航空计算技术,2009;(39):41—45
[6]单威俊,李锋,蒲海,等.船舶模型边界网格单元识别技术研究.计算机工程与设计,2008;(29):2652—2654
patran 篇3
1 静态分析理论
静态分析是在不考虑惯性、阻尼特性以及变载荷等因素的情况下, 对模型施加恒定载荷进行应力和位移的分析, 此过程可施加重力、离心力等稳定惯性载荷的作用。线性结构静态分析总的等效方程为:
式中:[K]为总刚度矩阵;{u}为节点位移矢量;[K e]为单元刚度矩阵;{F r}为支反载荷矢量;{F a}为所受的总外载荷。
由式 (1) 可推导出各节点的位移矢量{u}, 根据位移插值函数及弹性力学中应变、位移、应力间的关系式, 各节点应变/应力关系式可表示为:
式中:{εel}为应力引起的应变;[B]为节点应变, 位移矩阵;{σ}应力矢量;[D]弹性矩阵。
由式 (2) 和 (3) 即可推导出各节点相应的应力和节点位移, 得出静力学分析结果。
2 有限元模型的建立
在确保分析结果能够达到所需精度的前提下, 在实体建模时, 删除了模型不关键的结构特征以提高计算机分析的运算速度[1,2,3]。简化原则是在保证所需精度前提下, 省略对主轴整体刚度作用较小的非关键部位特征, 以提高主轴模型的网格精度和计算机的运算速度, 简化后的支座模型如 (图1) 所示。
主轴材料选为合金高强模具钢34CrN iMo6, 其基本属性为:密度7850 kg/cm3;泊松比0.3;弹性模量210 GPa;屈服强度745MPa。
3 约束与载荷
根据主轴安装过程中的特点, 通过轮毂几何中心点建立锥形MPC将极限载荷施加在主控点, 通过MPC刚性梁单元作用到轮毂假体上最后传递到主轴上, 轴承内圈作为假体, 内圈外环面上的节点与内圈中心节点用MPC刚性梁单元连接, 在轴承中心点施加UX、UY和UZ位移约束, 其目是要体现主轴与主轴承、胀紧套之间的装配关系[4]。
4 主轴的有限元分析
根据所建立的有限元分析模型, 并利用MSC.Patran作为分析平台对主轴进行极限强度分析, 得出主轴在极限载荷状态下的位移值和应力值, 部分工况主轴的有限元分析云图如图2、3所示。
风机主轴的材料是34CrNiMo6, 材料安全系数取γm=1.2, 屈服极限=745 MPa, 其许用应力[σ]=σS/γm, σS从而得:[σ]=7 4 5/1.2=6 2 0.8 M P a, 故主轴最大应力σmax=526 MPa<[σ], 主轴最大应力没有超过材料的许用应力, 满足强度要求, 故此工况下具有足够的强度。
5 结论
本文对风电机组中重要的主轴进行强度分析和校核, 得出应力分布规律和应变分布云图, 最终安全余量约为1.2, 通过此分析提高了本机型主轴结构设计的可靠性, 也为其他机型同类产品的设计提供了一定的参考依据。
参考文献
[1]夏盛来, 何景武.基于工程应用的有限元网格划分研究[J].飞机设计, 2008, 28 (4) :10-13.
[2]杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造, 2000 (1) :34-36.
[3]马爱军, 周传月, 王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京:清华大学出版社, 2005, 1.
patran 篇4
目前,天线已被广泛应用于雷达、通信、天文等各领域。然而,作用于天线系统的干扰,如风载荷、温度载荷、振动等,对于舰载天线,情况会更复杂,还有海浪引起的摇摆、颠簸,这些都严重影响了系统的精度要求,降低了天线的电性能指标。当外界干扰的频率接近或等于系统固有频率时,系统将发生谐振,使系统不能正常工作,甚至造成天线系统的损坏。
本文从保证系统的性能要求,避免发生结构谐振的角度,对某喇叭天线机架进行了数字化建模,并运用MSC.Patran/Nastran进行模态分析,计算固有频率,给出典型振型。
2 喇叭天线机架的结构设计
2.1 机架的设计原则
机架是承受喇叭天线的基础部件。其特点是:尺寸较大,结构复杂,几何精度和相对位置精度较高。因此,对天线机架的设计提出了如下要求:(1)机架的设计应保证刚度、强度及稳定性;(2)机架的重量应要求轻,成本低;(3)结构设计合理,工艺性良好,便于铸造、焊接和机械加工;(4)结构便于安装、调整和维修;(5)造型力求美观、大方。
2.2 三维结构模型的建立
鉴于几何模型结构较为复杂的特点,这里运用三维软件Pro/E进行几何建模。然后,通过PATRAN的输入接口,直接读取外部几何数据。建立几何模型时,既要反映实际结构的重要特点,又要在有限元分析时采用较少的单元和简单的单元形态,以保证较高的精度,同时又需要减少计算规模。因此,在几何建模时,就要考虑如何将实际结构简化。可以将结构中的圆角简化成直角,这样既提高了建模效率,又有利于有限元过程中的网格划分。
3 模态分析原理
对于动力系统,根据达郎贝尔原理,可以推得动力平衡方程如下:
上式中,{U}、分别为节点的位移、速度和加速度列向量。[K]、[C]、[M]分别为刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵。F(t)为载荷列向量。对于无阻尼自由振动系统,其动力方程为:
假设系统作简谐运动,即:
式中,ω为频率,{Φ}为振幅列向量。将式(3)代入式(2)得:
欲使方程(4)具有非零解,必须:
式(5)称为广义特征方程。解此方程,可以得到结构的n对特征值和特征向量,对应于结构的固有频率和振型。
4 有限元模型的建立
4.1 有限元模型的导入
MSC.PATRAN其独有的几何模型直接访问技术为各种CAD/CAM软件系统间的几何建模沟通,及各种分析模型无缝连接提供了完美的集成环境。将Pro/E生成三维模型保存成X-T格式数据交换格式,以便将模型准确地导入到前处理软件MSC.PATRAN中。导入后的模型如图1所示。
4.2 网格划分
网格划分是将几何模型离散为选定形状及尺寸的单元。网格划分的好坏直接影响到解算的精度。线型四面体单元具有过高的刚度,计算精度差。本文采用二阶四面体单元(Tet10)对天线机架进行网格划分,并通过重新划分进行优化。网格离散后,所有单元属性均按线弹性处理。利用“Verify”对模型进行检查,“Equivalence”用来消除重复节点。最终建立的天线机架的有限元模型如图2所示。节点数75949,单元数37308。
4.3材料模型及边界条件的确定
本文在计算中的材料参数如下:
材料为ZL101A,密度2.68×103kg/m3,弹性模量7.1×1010Pa,泊松比0.3。
边界条件:根据天线机架的实际工作情况,在机架右侧的安装面及安装孔内分别施加约束。施加约束后的有限元模型如图3所示。
5 有限元计算、分析与评价
经计算,天线机架的前10阶固有频率如表1所示。
本文同时给出了一阶振型及应力、应变云图,分别见图4、5、6。
提高结构的固有频率非常有意义,尤其是一阶固有频率。因为,固有频率正比于刚度。就本文讨论的喇叭机架的而言,其一阶固有频率为27.101Hz,能满足天线的正常工作,保证天线系统的正常性能指标。然而,在机架安装孔周围,应力及应变都较大,此处可以通过增大铸造圆角半径、增加肋的厚度及宽度等方式来进一步提高结构刚度。这样一来,同时也会增加系统的重量。因此,在设计的过程,要权衡考虑诸多因素。
6 结语
运用有限元方法对机械结构进行仿真分析,有效地节约了时间,减少了物理实验的次数,并降低了设计风险,提高了产品的质量,并且对今后的设计提供了依据,具有一定的参考价值。
摘要：文中运用有限元分析方法,通过MSC.Patran/Nastran软件,建立了喇叭天线机架的有限元模型,分析机架结构的振动模态,计算固有频率并对结果进行综合评价。模态分析验证了机架设计的刚度和强度,为优化设计提供了参考和依据。
关键词：天线,机架,模态,振型
参考文献
[1]李邦国.patran2006与Nastran2007有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2008.
[2]周焕林,胡宗军.MSC.Nastran入门与实例[M].合肥:合肥工业大学出版社,2005.
[3]毕明路.ANSYS环境中某7m天线的数字化建模及静、动态分析[J].机械电子工程,2003(4):1-4.
patran 篇5
在飞机设计和工程领域中, 梁作为最常用的结构形式, 在结构简化分析中占据十分重要的地位。如何快速地处理梁结构的有限元模型是所有结构分析中必须面临的问题之一。在MSC.Patran中除了常规梁单元库外, 还特别提供了任意截面属性输入, 使得设计工程师能够随心所欲地选择各种形状的变截面梁元, 设计出合理, 高效的结构产品。
对于大型客机结构来说, 由于其外形尺寸较大, 机翼肋间距较远, 机翼壁板上设计多根长桁承受蒙皮的气动力传给翼肋, 并对蒙皮提供支持, 提高蒙皮的失稳临界应力。长桁是承受机翼总体弯矩引起的轴力的主要部件, 受总体轴力的长桁沿轴向应连续, 尽量不间断并保证其强度。为减轻结构重量按等强度设计, 使机翼长桁剖面面积由翼根向翼尖逐渐减小。这样在建立机翼壁板有限元模型的时候就要对长桁进行简化, 一般长桁的简化原则为两种:杆元和梁元。第一种长桁简化为杆元时要考虑机翼的剖面刚度尽量接近, 长桁面积采用两端肋的平均截面尺寸经刚度换算得到, 此种简化方法较常用, 在此不作赘述。本文主要论述第二种长桁简化为变截面偏置梁元的属性输入法, 变截面梁元可以在模型简化过程中不改变长桁的型心位置和截面属性, 保证机翼剖面刚度不变的情况下, 得到更为准确的长桁节点载荷。
2 方法介绍
2.1 方法选用
长桁简化为变截面偏置梁元的过程中要分别对每根长桁输入材料名称、单元方向、单元偏置、单元面积、单元弯曲和抗扭刚度等参数 (见图1) , 如果手工输入势必会造成工作量很大, 进度慢, 检查困难, 难以保证准确性。采用MSC软件自带的PCL语言, 由于其语言的不通用性, 导致此种方法的应用较少。本文通过使用常用编程软件Fortran编制MSC日志文件 (例如:后缀为ses.01的文件) 达到变截面偏置梁元的大量快速输入的目的。
2.2 patran日志文件格式
为得到patran建立变截面偏置梁元的输入格式, 可在新建的patran文件中新建一个变截面偏置梁元的属性properties→create→1D→beam→cbeam创建一个变截面偏置梁元, 打开patran.ses.XX (XX为数字) 文件得到创建此单元的日志文件见图2所示。
注:常用变量见图2中方框标示处, 依次对应Property Name、Material、Bar Orientation、Offset@Node 1、Offset@Node 2、Cross Sect.Areas、Inertias1, 1、Inertias2, 2、Torsional Constant和单元号。
3 程序结构图
通过fortran程序编制此日志文件, 程序结构图见图3所示。
通过程序在patran.ses.XX日志文件中得到批量化的单元创建日志, 通过Patran→File→Session→Play命令将此文件导入XXX.db文件中, 能快速的为变截面偏置梁元赋属性。
4 结束语
patran 篇6
MSC.Patran是工业领域最著名的并行框架式有限元系统,具有完善的几何造型、全面的有限元处理和方便的分析模型定义功能。尽管该软件具有强大的工程解决能力和广泛的通用性,但在一些复杂的工程结构优化领域,由于缺乏针对性而使其应用性下降。因此,在工程实践中经常需要对它进行二次开发,从而使其具有特定的功能和用户界面。MSC.Patran具有齐全的前、后处理功能,以Patran为平台或以它为基础,应用PCL(Patran Command Language)语言和会话文件可以很方便地对Patran进行二次开发,从而实现结构建模、参数化分析等功能[1,2]。
2 PCL语言、会话文件与二次开发接口
PCL语言是集成于Patran中的一个高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具。另外它拥有数万个函数,可以很方便地操作Patran,完成用户界面控件、读写Patran数据库等,用它进行二次开发可以提供对CAE过程的全面支持,因此它是Patran二次开发的强有力工具[3]。其语法类似C语言,提供了一般高级语言所有的大部分数据类型。
2.1 函数结构
函数的结构与C语言非常相似,其形式为:
2.2 类结构
可以看到,类的定义形式与C++也很相似,但是PCL的类没有继承、派生等功能,更类似于C语言的结构体。
2.3 会话文件
Patran运行时,所有的操作都会记录在会话文件(即扩展名为.ses的文件)中,系统默认为pantran.ses.01每次启动时版本编号自动递增。会话文件中记录的操作可以通过回放的形式重做,里面也可以嵌入变量、函数定义等PCL语言程序段。因此会话文件的这个功能为Patran的二次开发提供了方便,通过修改会话文件使建模过程程序化,工作效率能够得到较大的提高。此外,日志文件(即扩展名为.jou的文件)中会保存整个模型数据库db文件的建模过程,利用它也可以重建模型数据库。
3 VC++实现二次开发的三种方法
MS Visual C++是微软公司开发的一个集成开发环境,利用它可以很方便地进行Patran进行二次开发。利用VC++实现Patran二次开发的方法有多种,主要有:利用VC++生成会话文件控制Patran;利用VC++的编辑和编译环境用PCL语言进行编程;利用VC++编写的外挂程序对Patran进行直接控制等方式。
3.1 利用VC++生成会话文件控制Patran
一个模型的有限元建模过程可能都要用到几千条PCL语句,如果整个建模过程都通过手工书写代码形式进行,是一项非常繁琐费力的工作。Patran的建模过程实际上是一组命令的执行过程,会话文件中就保存了这些命令。因此,可以将PCL语言与会话文件结合起来。为了实现参数化,会话文件的编写采用Patran自动生成和手工编写相结合的方式进行。首先手工在Patran中建立模型,然后对保存下来的会话文件做必要的修改,在会话文件中增加变量声明,必要的数据用变量替换,通过调用会话文件实现参数化建模,解决了建模中的重复操作。
二次开发过程中可以利用VC++进行控制会话文件的生成,然后将该会话文件作为参数打开Patran进行执行。以下为VC++中使用该方法控制Patran完成网格划分的部分实现代码。
3.2 利用PCL语言编程控制Patran
在PCL中提供了一系列生成窗口和菜单的函数,如ui_menu_creat()用来生成菜单,ui_form_creat()用来生成窗口,ui_databox_creat()用来生成数据输入空格等,这样就可以生成集成在Patran菜单中的菜单选项。下面的例子是用PCL函数在Patran中增加进行“车桥分析”菜单,并在其下增加“加载模型”选项的实现过程:
PCL文件同样也可以直接进行读写Patran数据库,进行Patran模型的操作等。由于Patran本身不带PCL编辑器,PCL程序的设计过程中虽然可以用任何纯文本编辑工具,但由于开发Patran界面会用到一些预先定义的宏,需要调用cpp.exe进行预处理,然后再将预处理后的文件生成用户化库等。这些过程可以将PCL的开发集成到Visua C++环境下,在集成环境下进行开发会十分方便快捷。集成环境的构造方法如下:
(1)把PCL文件预编译、生成库的过程编辑为一个批处理文件,比如名为pclcompile.bat;
(2)在Visual C++环境下,选择Tools-CustomizeTools选项,通过相关设置,在Visual C++的Tools菜单下增加一个“PCL编译”菜单,将需要编译的文件名作为参数传给pclcompile.bat。
完成该设置后,在VC++环境下就可以很方便地完成PCL程序的编辑、编译等,省去切换的麻烦,大大提高工作效率。
3.3 利用VC++程序直接控制Patran
编写好的用户库中的函数可以通过菜单进行调用,也可以通过事件映射进行调用。Patran的事件映射接口通过Patran安装目录下的Patran.Event文件实现,例如可以在该文件的末尾增加
VC++编写的程序就可以通过这个接口实现对用户化库中函数的直接调用,代替用户在Patran中的按键。其实现方法为:首先用函数hpwnd=::Find Window(NULL,“Msc Patran”)找到Patran程序主窗口,再用函数hwnd=::FindWindow Ex(hpwnd,NULL,NULL,“P3Graphics”)找到Patran的图形区子窗口,然后用::Post Message(hwnd,0x101,0x00000044,0x C020001)就可以调用代替用户按下
4 利用会话文件控制Patran的车桥CAE软件开发实例
在该CAE软件中用户通过用VC++设计的用户界面模块输入和编辑建模数据、分析参数,以及处理、显示分析结果。用户通过用户界面模块输入的数据保存在数据库中。用VC开发的UG参数化建模模块从数据库中读入建模数据,生成几何模型。通过对Patran进行二次开发实现的CAE分析模块导入UG产生的几何模型,根据分析参数的要求进行FEA建模和分析,分析的结果可以在Patran中查看,也可以通过用户界面进行查看。
二次开发的过程中,首先用Patran和Nastran完成一个车桥应力CAE分析的全部过程,并将这个过程中每一步产生的会话文件单独进行保存,然后对每个步骤产生的会话文件进行分析,找出会话文件中各个分析计算参数出现的位置和规律。开发过程中接口的实现方法是通过VC++进行控制会话文件的生成,将需要的各个参数植入到会话文件中,然后将该会话文件作为参数打开Patran进行执行。具体的实现过程如本文3.1所示。实现的软件主界面如图1所示。
5 结论
从以上三种针对MSC.Patran的开发方法可以看到,利用VC++生成会话文件控制Patran的方法实现起来相对比较简单,只需要对建模分析过程中的会话文件进行一些改写就可以实现。但相对而言,这种方法与Patran结合的不是特别紧密,而第二种方法就可以与Patran结合的很紧,但是这种方法要求对PCL语言很熟练。利用VC++程序直接控制Patran的方法结合了第二种方法,实现的功能可以很强,但是这个过程需要的编程技巧也更复杂。总之,Patran提供了丰富的二次开发接口,可以很方便地实现用户定制的建模、分析等功能模块。
参考文献
[1]刘兵山,黄聪.Patran从入门到精通[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
[2]刘亚龙,王生楠.用C++Builder语言实现对MSC/PATRAN的控制[J].计算机工程与设计,2006(09):3280-3282.
patran 篇7
对于复杂装配体的力学与动力学仿真分析,目前国内的主流方法是采用这些力学与动力学仿真分析软件提供的参数化建模语言编写分析流程文件,并且通过修改流程文件中的建模参数值来实现模型的参数化创建,这种方法为针对某一特定的产品,如船舶结构[1]、管系结构[2]等。但目前航天器的设计,为了产品3D模型的重用,一般先在CAD设计平台上进行三维结构设计,然后将模型导入到CAE分析平台进行多学科分析,根据分析的结果反过来对模型进行修改,最终形成迭代设计仿真的优化结果。
由于航天器结构的复杂性,许多构件的建模与分析往往是在多部门之间完成的。但在进行联合仿真过程中,存在机械软件模型数据不能很好流转的问题,即Pro/E模型不能很好地被Patran和ADAMS用于力学分析和机构分析。存在的问题主要表现为以下几个方面:
(1)Pro/E自身具备一定的机构分析功能,但模型导入ADAMS软件后,丢失了已有机构的定义,需要重新定义;
(2)在进行柔性机构分析时,需要将Patran分析结果文件导入ADAMS软件,但ADAMS会将导入的模型作为单体处理,必须进行大量的手工操作,将单体模型分割成多体模型,才能进行柔性机构分析。
1 Pro/E、Patran与ADAMS功能分析
Pro/E是著名的三维模型设计软件,具有强大的三维建模功能,尤其擅长复杂度较高的造型设计。但是其力学与动力学仿真功能较弱,表现在不仅单元数量少,网格划分能力弱,且只能进行简单的静力学分析。
ADAMS是目前最具权威的机械动力学仿真分析软件,其分析对象主要是多刚体,虽然也有零件库可用于机械系统几何模型的创建,但它所提供的实体造型功能并不适合复杂曲面的创建。Patran是一款大型的力学分析软件,主要用于复杂柔性体的构件分析。Patran的有限元分析功能强大,但是其实体造型功能相对薄弱,不适宜用于创建具有复杂特征的机械零件。在对机械系统进行动力学分析时,为了得到精确的仿真结果,往往不能把所有构件均视为刚形体,而忽略其弹性变形的可能性,因此需要将Patran与ADAMS结合使用。
经过分析可知,Pro/E、Patran与ADAMS软件各有优缺点,将他们联合起来使用将具有很强的实用性与可操作性。
在本文中,将主要讨论采用三软件联合进行多刚体分析与刚柔耦合分析。
2 三者联合设计方法与数据传输交换技术
对于多刚体分析,可以先在Pro/E中实现三维特征建模,完成部件装配并进行干涉检查,然后在Pro/E环境中精确完成刚体、运动副与载荷的定义,并将相关定义信息写入CMD宏命令文件中。采用Parasolid传输三维模型数据,而机构相关运动分析定义存储在CMD宏命令文件中,将该arasolid文件与CMD宏命令文件导入到ADAMS中,即可完成多刚体分析。其设计流程如图1所示。
其设计一般遵循以下步骤:
(1)在Pro/E环境中创建装配模型:利用Pro/E强大的三维建模功能创建模型,建立机械系统各个零件并进行装配。
(2)定义刚体:本文设定,在Pro/E环境中创建的装配体中包含的所有零件均被默认为刚体,其定义流命令将会被写入CDM文件中。
(3)创建约束副:根据模型的实际运动情况,在刚体之间创建约束副,在这里约束副包括简单副与关联副,这些约束副确定了刚体之间或运动副之间的运动关系;
(4)添加驱动与载荷:在模型的约束副上添加运动学驱动,并根据模型所受载荷在不同刚体两点之间添加力或者力矩。
(5)模型的传输与分析求解:将生成的三位模型数据文件Parasolid与流命令文件CMD传输至ADAMS,即可进行多刚体分析。
对于刚柔耦合分析,需先在Patran中生成柔性体的MNF文件,然后将该文件导入到ADAMS中替换掉原来的刚性件,即可完成刚柔耦合分析。刚柔耦合分析时,三软件之间互为接口,其数据传输与交换如图2所示。
其设计一般遵循以下步骤:
(1)完成机构运动分析定义:定义结构运动分析所需要的因素如刚体、约束副、驱动与载荷等。
(2)生成柔性件的中性文件MNF文件:将需要做柔性件处理的零件模型导入到Patran中进行力学分析,生成柔性件中性文件MNF文件。
(3)模型传输:指定连接点,然后用柔性件替换刚性件,将转换后的CMD流命令文件与Parasolid模型文件传输至ADAMS,即可进行刚柔耦合分析。
3 应用实例
以四连杆机构为例,进行Pro/E、Patran与ADAMS三者的联合仿真设计,其过程如下所示:
(1)在Pro/E中完成四连杆机构各个零件与装配体的建立,如图3所示。
(2)完成机构运动分析的定义,包括定义刚体、约束副、驱动以及载荷,如图4所示,相关的CMD流命令文件会在该步骤中生成。
(3)进行多刚体分析,将相关文件导入至ADAMS即可进行多刚体分析,如图5所示。
(4)进行刚柔耦合分析,用柔性件替换刚性件,如图6所示,将MNF与CMD等相关文件导入至ADAMS,即可进行刚柔耦合分析,如图7所示。
4 结束语
Pro/E是功能强大的三维设计软件,其强项在于三维造型;ADAMS的优势在于机械系统动力学仿真分析;而Patran则是强大的力学分析软件。针对这三款优秀软件的功能和特点,提出了将三款软件联合应用的方法并介绍了其数据传输的相关技术与步骤,在最后用四连杆机构为例,验证了其在虚拟设计中联合应用的可行性与可应用性。
参考文献
[1]操安喜.基于ANSYS的船舶结构有限元计算模板的研究与应用[D].武汉理工大学,2004.
[2]张庆峰,谢禹钧,李翔.基于ANSYS二次开发的管系结构应力分析系统[J].机械设计与制造,2006,(3):78-79.
[3]肖海峰,张春,李芳华,等.基于CAD/CAE的汽车前围加强板的成型工艺研究[J].锻压装备与制造技术,2011,(4):66-68.
[4]连鑫,常智勇,陈涛.基于通用日志的异构CAD系统集成[J].锻压装备与制造技术,2011,46(3):97-101.
[5]刑俊文,陶永忠.MSC.ADAMS/View高级培训教程[M].北京:清华大学出版社,2004.
[6]唐俊.Pro/E中文野火版教程[M].北京:清华大学出版社,2004.
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