飞机结构与强度课程设计报告.doc

《飞机结构与强度》
课程设计报告

题目名称：单向受力矩形平板有限元分析

专 业：
学 号：
学生姓名：
所属学院：
指导教师：

二〇一五年一月
一、 目的与意义
通过对结构与强度理论知识的学习，结合软件，用有限元的方法对平板结构受力进行理论分析与计算，通过实例的方式，让学生深刻受力与结构变化之间的关系。
二、 有限元分析原理与软件介绍
（一）、有限元分析基本原理：
有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按照一定方式相互联结在一起的单元组合体。有限单元法是利用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数由未知场函数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，如果单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。
采用有限元法时，先把连续体或结构划分为若干个有限大小的元素，它们的形状随所选的模型不同而异，各个元素的大小可以不同，排列方式也没有严格要求。
有限元分析的一般步骤及过程如下：
步骤1：结构的离散化。有限元的第一步，是把结构或连续体分割成许多单元，因而在着手分析时，必须用适当的有限元素把结构模型化，并确定单元的数量、类型、大小和布置。
步骤2：从区域或结构中取出其中一个单元来研究。选择适当的插值模式或位移模式近似的描述单元的位移场。
步骤3：单元刚度矩阵和载荷向量的推导。根据假设的位移模式，利用平衡条件或适当的变分原理就可以推导出单元的刚度矩阵和载荷向量。
步骤4：由集合单元方程得到总的平衡方程组。连续体或结构由许多有限元的单元组合而成。因此，对整个连续体或结构进行有限元分析时，就需要进行组合。把哥哥单元刚度矩阵和载荷向量按适当方式进行组合，从而建立总的平衡方程。
步骤5：求解未知节点位移。按问题的边界条件修改总的平衡方程，使结构不可刚体移动，对于线性问题可以很容易地从代数方程组中解出节点位移。
步骤6：单元应变和应力的计算。可根据已知的节点位移利用固体力学或结构力学的有关方程算出单元的应变和应力。

（二）、软件介绍
本次分析主要用到两个软件：MSC.Patran和MSC.Nastran。
MSC.Patran是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。MSC.Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统， 其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的CAE集成环境。使用MSC.Patran，可以帮助产品开发用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。
MSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性。它实现了模型处理智能化、自动有限元建模、分析的集成、分析结果的可视化处理等。其主要特点特点有：开放式几何访问及模型构造、CAD几何模型的直接访问、强大的几何造型功能、各种分析的集成、有限元建模、有限元模型的编辑处理、单元检查、任意梁截面定义、分析条件定义、结果交互式可视化后处理、高级用户化工具——PATRAN-PCL命令语言等等。
MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一个大型结构有限元分析软件。MSC.NASTRAN具有很高的软件可靠性、品质优秀。它具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性,使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外, MSC .NASTRAN还为用户提供了强大的开发工具DMAP语言。针对实际工程应用, MSC.NASTRAN中有近70余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足MSC.NASTRAN各种分析功能的需要, 且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后, MSC.NASTRAN即可进行分析, 如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等等。此外,MSC.NASTRAN的新版本中还增加了更为完善的梁单元库, 同时新的基于P单元技术的界面单元的引入, 可有效地处理网格划分的不连续性（如实体单元与板壳单元的连接）, 并自动地进行MPC约束。MSC.NASTRAN的RSSCON连接单元可将壳-实体自动连接, 使组合结构的建模更加方便。
基于它的特点，MSC.Nastran所能实现的主要功能有：静力分析、屈曲分析、动力学分析、特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析、非线性分析、声学分析、非线性分析、几何非线性分析、材料非线性分析、非线性瞬态分析、热传导分析、空气动力弹性及颤振分析、流-固耦合分析、多级超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析等。

三、 基本数据
（一）、模型的选择：
选取的模型为一块矩形平板，厚度0.1，左端为固定约束，右下角承受大小为8垂直板面向下的集中载荷作用，泊松比为0.3的各向同性铝材料，应用有限元分析方法，结合软件，分析平板在上述条件下的应力应变情况。

（二）、模型的建立过程：
（1）、创建曲面

图1-创建的曲面（平面）
（2）、划分有限元网格【Elements功能键】

划分了网格的板如图-2所示，板边缘上的小圆是网格种子

图-2 对平板进行网格划分
（3）、施加边界条件【Loads/BCs功能键】。

施加了边界条件的平板如图-3所示

图-3给平板模型施加边界条件

（4）、定义各向同性的铝材料【Materials功能键】。

四、 计算结果
计算结果如图所示：

（1）、位移结果

（2）、应力结果

五、 结论与分析
(1)、进行分析【analysis功能键】。

图-4平板的位移情况
2）显示应力云纹图：

图5-平板的应力云纹图

六、 参考文献
《飞机结构与强度》、《材料力学》、《Patran有限元分析及实例教程》。
七、 本课程学习体会与建议
通过对飞机结构与强度课程的学习，我初步了解了结构分析对 结构设计的重要作用，只有通过严格的理论分析计算，才能使设计达到预期的要求及效果，并根据实际情况，应用到现实生活中。
八、 软件安装与使用技巧
用到的两个软件一个主要建模，一个用于分析，所以在软件安装及建模过程中都不能有错误出现，一旦出现任何一点错误，就会导致建模文件无法在分析软件中读取成功，很容易失败，还会出现程序停止工作或无法打开的情况，所以，最基本的便是要充分熟悉软件的使用操作，真正理解模型的建立过程。