CN105005671A - 一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，包括(1)在Patran软件环境下，对系统进行有限元建模；(2)对已建的系统模型施加均布载荷，添加约束，生成有限元模型的节点平衡载荷文件；(3)通过DOS系统，对中性格式文件和载荷文件进行处理，生成Adams软件可导入的包含载荷信息的中性格式文件；(4)将包含载荷信息的中性格式文件导入Adams软件中，生成所分析系统的Adams动力学仿真模型；(5)对仿真模型进行前处理设置，并进行仿真计算；(6)对Adams软件的计算结果进行后处理，完成后续系统强度分析工作。本发明方法建立了与系统真实受载和约束情况一致的分析模型，有效提高系统设计过程中的计算精度及可靠性，缩短研发周期、降低开发成本。

Description

一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法

技术领域

本发明属于动力学仿真分析方法领域，特别是涉及一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法。

背景技术

现实中承受均布载荷的系统非常多，比如民用飞机承受的增压载荷、汽车承受的风载、船舶承受的水压等等。关于承受均布载荷的系统，传统上有两种普遍采用的方法：一种是在有限元软件中真实模拟均布载荷的施加，约束则通常直接用RBE2单元、BUSH元、共节点单元或者固接约束直接限制系统间的相对运动，过度简化了系统间的约束关系；另一种是在动力学仿真软件中直接采用真实的约束模拟系统间的连接关系，而载荷却只能将均布载荷换算成集中载荷后逐点施加。当系统的设计尺寸不大、精度要求不高时，以上两种传统分析方法可以基本满足设计要求，但随着社会进步、科技迅速发展，系统的设计尺寸不断变大、精度要求也不断提高，迫切需要给出一套实用的分析方法，兼顾系统受载与约束两方面的真实模拟，提高系统设计过程中的强度、刚度分析精度，以满足系统优化设计的要求，提供较高的可靠性和安全性。

本发明给出了一套实用的动力学仿真分析方法，在真实模拟系统间约束关系的同时，准确模拟系统所承受的均布载荷的作用效果，可以直观地得到所分析系统在真实载荷作用下的应力、应变云图。这将有效减少系统研发后期因试验结果与前期计算分析不符而造成的返工现象，缩短研发周期、降低研发成本，同时提高产品的设计质量、具备较高的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于解决承受均布载荷的系统的分析方法的不足，提供一种承受均布载荷的系统的动力学仿真分析方法，以减低研发成本、缩短研发周期、极大地提高产品设计的质量、具备很高的经济效益。

一种承受均布载荷的系统的动力学仿真分析方法，包括以下步骤：

1)在Patran软件环境下，对所分析系统进行有限元建模，并调用Nastran软件进行模态分析，生成Adams软件可导入的中性格式文件(.mnf文件)；

2)在Patran软件环境下，对已建的系统模型施加均布载荷(如增压载荷、风载等)、添加约束，并调用Nastran软件进行线性分析，输出有限元模型的节点平衡载荷文本，通过节点平衡载荷文本进行处理，生成节点平衡载荷文件(.loads文件)，节点平衡载荷文件(.loads文件)的内容包括模型节点编号、载荷方向、模型节点编号对应的载荷大小；

3)通过计算机DOS系统，调用Adams软件中mnfload.exe程序，对中性格式文件(.mnf文件)和载荷文件(.loads文件)进行处理，生成Adams软件可导入的包含载荷信息的中性格式文件(.mnf文件)；

4)将包含载荷信息的中性格式文件(.mnf文件)导入Adams软件中，生成所分析系统的Adams动力学仿真模型；

5)对仿真模型进行前处理设置，通过Adams软件中Joints完成模型约束副的设置，通过Adams软件中Distributed Load完成均布载荷的设置，通过Adams软件Tools-PluginManager调用Adams/Durability模块，再调用Adams/Solver进行仿真计算；

6)对Adams软件的计算结果进行后处理，提取所需的载荷及应力、应变信息，根据得到的载荷、应力及应变信息，对比系统的许用载荷、许用应力及许用应变，当许用载荷大于试用载荷即认为系统满足强度要求。

所述步骤1)分析系统进行有限元建模的模型包括的零件有：舱门结构(1)(包括舱门蒙皮、舱门横梁、舱门纵梁等)，闩轴(2)，闩支座(3)，琴键铰链(4)。

所述步骤1)及4)建模模型中的零件材料属性为：舱门结构中蒙皮为2024-T3铝合金、横梁为7075-T73511铝合金、纵梁7075-T73511铝合金，闩轴为15-5PH不锈钢，闩支座为15-5PH不锈钢，琴键铰链为15-5PH不锈钢。

针对舱门结构进行有限元建模时，模型简化包括：舱门结构中蒙皮简化成壳元；舱门结构中横梁、纵梁的腹板简化成壳元，内缘简化成梁元，外缘简化成杆元；舱门结构与琴键铰链的连接用RBE2单元模拟；舱门结构与闩轴的连接用RBE2单元模拟。

针对舱门结构施加的极限均布载荷包括：舱门蒙皮所承受的增压载荷、突风载荷、负压载荷、气动载荷中的任意一种单独作用或任意几种叠加作用。

所述步骤2)中约束包括：琴键铰链(4)与舱门结构(1)的固定约束；舱门结构(1)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束；琴键铰链(4)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束。

所述步骤5)中约束包括：琴键铰链(4)与Adams中Ground设置旋转副；舱门结构(1)与闩轴(2)设置球绞副；闩轴(2)与闩轴支座(3)设置接触；闩轴支座(3)与Adams中Ground设置固定副。

所述步骤5)中的均匀载荷为步骤2)所生成的节点平衡载荷。

本发明的有益效果：与现有传统的技术相比，本发明提出的动力学仿真分析方法具有下列益处：本发明融合Patran和Adams两个软件的优点，可以真实模拟运动系统的受载及零件间的相互约束，对系统进行均布载荷作用下的动力学仿真分析，避免了传统分析方法不能同时真实模拟系统受载及零件间相互约束关系的缺点，直接通过计算就可以定量、准确地分析出承受均布载荷系统的受载、强度和变形情况，有效缩短研发周期，提高产品设计的质量，降低产品研发成本和风险。

附图说明

图1本发明承受均布载荷的系统动力学仿真分析方法的流程图；

图2外开式舱门Patran模型图；

图3外开式舱门Adams模型图；

图4闩轴与闩轴支座接触载荷曲线；

图5舱门结构变形云图；

图6舱门结构应力云图；

图7闩轴应力云图；

图8闩轴支座应力云图；

图中标号名称：1.舱门结构；2.闩轴；3.闩支座；4.琴键铰链。

具体实施方式

下面以某飞机外开式舱门为例，结合附图对发明作进一步详细地描述，但本发明的具体实施方式不限于此。凡依本发明的创造精神及特征、模式和实现本发明功能的都在本发明的保护范围之内。

如图1本发明一种承受均布载荷的系统的动力学仿真分析方法的流程图；本发明的具体步骤如下：

1)将舱门结构在Patran环境下建模并生成中性格式文件：

通过Catia与Patran的接口，将外开式舱门的结构导入到Patran软件中，在Patran软件环境下，对外开式舱门结构进行有限元建模(如图2)，并调用Nastran软件进行模态分析，生成Adams软件可导入的中性格式文件(.mnf文件)；

2)生成载荷文件

在Patran软件环境下，对步骤1)建立的外开式舱门结构模型，施加均布载荷(如增压载荷、风载等)、添加合理简化的约束条件，调用Nastran软件进行线性分析，输出有限元模型的节点平衡载荷文本，通过节点平衡载荷文本进行处理，生成节点平衡载荷文件(.loads文件)，节点平衡载荷文件(.loads文件)的内容包括模型节点编号、载荷方向、模型节点编号对应的载荷大小；

3)生成包含载荷信息的中性格式文件

通过计算机开始-运行进入计算机DOS系统，调用Adams软件中mnfload.exe程序，对中性格式文件(.mnf文件)和载荷文件(.loads文件)进行处理，生成Adams软件可导入的包含载荷信息的中性格式文件(.mnf文件)。具体的DOS语句为：mnfload.exe文件名.mnf文件名.mnf文件名.loads；

4)闩轴等零件Patran建模并生成中性格式文件

通过Catia与Patran的接口，将外开式舱门的闩轴等零件分别导入到Patran软件中，在Patran软件环境下，对外开式舱门闩轴、闩支座等传递气密载荷的零件进行有限元建模，并调用Nastran软件进行模态分析，生成Adams软件可导入的中性格式文件(.mnf文件等)；

5)建立仿真模型

在Adams/View窗口下新建一个仿真模型，将包含载荷信息的中性格式文件(.mnf文件)导入Adams软件中，生成外开式舱门的Adams动力学仿真模型(如图3)，该模型包含的零件有：舱门结构(1)，闩轴(2)，闩轴支座(3)，琴键铰链(4)；

6)前处理设置及仿真计算

对仿真模型进行前处理设置，通过Adams软件中Joints完成模型约束副的设置，通过Adams软件中Distributed Load完成均布载荷的设置，通过Adams软件Tools-Plugin Manager调用Adams/Durability模块，调用Adams/Solver进行仿真计算；

7)模型后处理

进入Adams软件后处理，通过Load Animation将模型导入到后处理界面内，通过Adams的后处理处理，实现提取所需的载荷及应力信息，并输出载荷曲线(如图4)、变形云图(如图5)、应力云图(图6、图7、图8)等，根据输出的相关信息完成外开式舱门强度分析。

步骤1)及4)模型中的零件材料属性为：舱门结构中蒙皮为2024-T3铝合金、横梁为7075-T73511铝合金、纵梁7075-T73511铝合金，闩轴为15-5PH不锈钢，闩支座为15-5PH不锈钢，琴键铰链为15-5PH不锈钢，舱门所必须的其他机构及结构的材料根据实际需要确定。

步骤1)中舱门结构进行有限元建模，模型简化包括：舱门结构中蒙皮简化成壳元；舱门结构中横梁、纵梁的腹板简化成壳元，内缘简化成梁元，外缘简化成杆元；舱门结构与琴键铰链的连接用RBE2单元模拟；舱门结构与闩轴的连接用RBE2单元模拟。

步骤2)中载荷为舱门所承受的极限均布压力载荷，极限均布压力载荷包括：舱门蒙皮所承受的增压载荷、突风载荷、负压载荷、气动载荷中的一种单独作用或两种或两种以上叠加作用。

步骤2)中约束包括：琴键铰链(4)与舱门结构(1)的固定约束；舱门结构(1)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束；琴键铰链(4)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束。

步骤5)中约束包括：琴键铰链(4)与Adams中Ground设置旋转副；舱门结构(1)与闩轴(2)设置球绞副；闩轴(2)与闩轴支座(3)设置接触；闩轴支座(3)与Adams中Ground设置固定副。

步骤5)所述载荷为步骤2)中所生成的载荷。

Claims (8)

1.一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)在Patran软件环境下，对所分析系统进行有限元建模，并调用Nastran软件进行模态分析，生成Adams软件可导入的中性格式文件；

2)在Patran软件环境下，对已建的系统模型施加均布载荷、添加约束，调用Nastran软件进行线性分析，输出有限元模型的节点平衡载荷文本，通过节点平衡载荷文本进行处理，生成节点平衡载荷文件；

3)通过计算机DOS系统，调用Adams软件中mnfload程序，对中性格式文件和载荷文件进行处理，生成Adams软件可导入的包含载荷信息的中性格式文件；

4)将包含载荷信息的中性格式文件导入Adams软件中，生成所分析系统的Adams动力学仿真模型；

5)对仿真模型进行前处理设置，通过Adams软件中Joints完成模型约束副的设置，通过Adams软件中Distributed Load完成均布载荷的设置，通过Adams软件Tools-PluginManager调用Adams/Durability模块，使得后处理时能够直接显示零件的应力计算结果，再调用Adams/Solver进行仿真计算；

6)对Adams软件的计算结果进行后处理，提取所需的载荷及应力、应变信息，根据得到的载荷、应力及应变，对比系统的许用载荷、许用应力及许用应变，当许用载荷大于使用载荷即认为系统满足强度要求。

2.根据权利要求1一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1)分析系统进行有限元建模的模型包括的零件有：舱门结构(1)，闩轴(2)，闩支座(3)，琴键铰链(4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1)及4)建模模型中的零件材料属性为：舱门结构中蒙皮为2024-T3铝合金、横梁为7075-T73511铝合金、纵梁7075-T73511铝合金，闩轴为15-5PH不锈钢，闩支座为15-5PH不锈钢，琴键铰链为15-5PH不锈钢。

4.根据权利要求1或2所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，针对舱门结构进行有限元建模时，模型简化包括：舱门结构中蒙皮简化成壳元；舱门结构中横梁、纵梁的腹板简化成壳元，内缘简化成梁元，外缘简化成杆元；舱门结构与琴键铰链的连接用RBE2单元模拟；舱门结构与闩轴的连接用RBE2单元模拟。

5.根据权利要求1所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，针对舱门结构施加的极限均布载荷包括：舱门蒙皮所承受的增压载荷、突风载荷、负压载荷、气动载荷中的任意一种单独作用或任意几种叠加作用。

6.根据权利要求1所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤2)中约束包括：琴键铰链(4)与舱门结构(1)的固定约束；舱门结构(1)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束；琴键铰链(4)通过RBE2单元与Patran中Ground的固定约束。

7.根据权利要求1所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5)中约束包括：琴键铰链(4)与Adams中Ground设置旋转副；舱门结构(1)与闩轴(2)设置球绞副；闩轴(2)与闩轴支座(3)设置接触；闩轴支座(3)与Adams中Ground设置固定副。

8.根据权利要求1所述的一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤5)中的均布载荷为步骤2)所生成的节点平衡载荷。