帶有缺陷的橫梁的靜強度分析及模態(tài)分析摘要：當材料或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受到多次周期性變化的載荷力作用后，應(yīng)力值在雖然沒有超過材料的強度極限，甚至低于彈性極限的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷作用下材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的現(xiàn)象，叫做疲勞破壞。本課題研究的內(nèi)容就是通過對分析軟件PATRAN2016的學習和研究對帶有缺陷的柱體橫梁進行有限元分析，并對其靜應(yīng)力強度及模態(tài)振型進行分析。即通過分析實現(xiàn)疲勞裂紋連續(xù)擴展的過程，得到裂紋擴展過程中應(yīng)力強度因子以及傳感器位置處的應(yīng)變數(shù)據(jù)，然后通過計算確定柱體橫梁的傅里葉曲線，得到擴展過程中產(chǎn)生缺陷的大小與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，得到橫梁的模態(tài)分析圖。然后通過搭建疲勞裂紋擴展在線監(jiān)測實驗平臺，通過應(yīng)變傳感器采集裂紋擴展過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到柱體橫梁在不同缺陷的情況下它的靜應(yīng)力強度以及模型的各階模態(tài)振型，得出其在靜應(yīng)力下的疲勞強度與固有頻率曲線圖。通過最終得到的應(yīng)力云圖及各階模態(tài)振型分析得出橫梁在存在缺陷時的靜應(yīng)力強度下和模型的穩(wěn)態(tài)。對于模態(tài)分析，還需要通過搭建的實驗平臺得到柱體橫梁的固有頻率曲線圖，然后再通過PATRAN軟件分析得到的模態(tài)圖，兩者作比較，最后得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：靜強度；有限元分析；應(yīng)力云圖；模態(tài)分析；固有頻率FatiguestrengthanalysisandmodalanalysisofbeamswithdefectsAbstract：Whenthematerialorproductstructureissubjectedtotheloadingforcewithmanyperiodicchanges,thestressvaluemayfailevenifitdoesnotexceedthestrengthlimitofthematerialorevenfallsbelowtheelasticlimit.Thisphenomenonofmaterialorstructurefailureunderalternatingloadingiscalledfatiguefailure.TheresearchcontentofthistopicistocarryoutfiniteelementanalysisofthecylinderbeamwithdefectsthroughthestudyandresearchoftheanalysissoftwarePATRAN2016,andanalyzeitsstaticfatiguestrengthandmode.Byanalyzingtheprocessofrealizingacontinuousextensionfatiguecrack,gotintheprocessofcrackextensionstressintensityfactorandstrainsensorlocationdata,andthenthroughthecalculateanddeterminethecylinderFouriercurvebeam,wasextendedwiththesizeofthedefectsintheprocessofstressandstraincyclingtimesasafunctionofcyclenumber,getthebeammodalanalysisdiagram.Then,bybuildinganonlinemonitoringexperimentplatformforfatiguecrackgrowthandcollectingstraindatainthecrackgrowthprocessthroughstrainsensors,thestaticfatiguestrengthandspecificmodesofthecylindricalbeamunderdifferentdefectswereobtained,andthefatiguestrengthandFouriercurvewereobtained.Throughtheanalysisofthestressclouddiagramandthemodalcurve,thefatiguecharacteristicsandstressclouddiagramofthebeamwithdefectsareobtained.Formodalanalysis,weneedtoobtainthemodalgraphofthecylinderbeamthroughtheestablishedexperimentalplatform,andthenanalyzethemodalgraphobtainedthroughPATRANsoftware,andthendrawaconclusionaftercomparingthetwo.Forstaticstrengthanalysis,themodelneedstobesimulatedandanalyzedbyPATRANsoftware,andfinallythestressclouddiagramofthemodelisobtainedforanalysis.Keywords:Staticstrength;Finiteelementanalysis;Stressclouddiagram;Modalanalysis;Naturalfrequency.

目錄第1章緒論1.1課題來源、目的及技術(shù)要求1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀及存在的問題1.3課題的設(shè)計思路1.4軟件介紹、課題的實際意義及實用價值第2章總體方案設(shè)計2.1方案設(shè)計2.2設(shè)計說明2.21材料參數(shù)和模型介紹2.22課題描述2.23過程描述2.24問題描述2.25文件描述第3章靜強度分析和模態(tài)分析3.1靜強度分析3.1.1模型的創(chuàng)建3.1.2靜強度分析過程3.1.3靜強度分析結(jié)果3.2模態(tài)分析3.2.1模型的創(chuàng)建3.2.2模態(tài)分析過程3.2.3模態(tài)分析結(jié)果第4章總結(jié)參考文獻致謝

第1章緒論1.1課題來源、目的及技術(shù)要求我選擇本課題的理由是畢業(yè)后可能從事故障檢修之類的工作，通過選做這類課題我可以提前熟悉市場上各類常見與不常見產(chǎn)品的疲勞強度特性，可以提前掌握如何通過有限元分析軟件對各類產(chǎn)品進行疲勞分析和模態(tài)分析，并能夠根據(jù)所得出的結(jié)果準確的分析并預(yù)測它們的壽命，為以后工作打下夯實的基礎(chǔ)。本課題研究的內(nèi)容是通過CAE有限元分析軟件PATRAN2016對有缺陷的柱體橫梁進行有限元幾何建模，并通過對其進行網(wǎng)格化，并它向施加固定約束和一定的載荷，最終得出靜應(yīng)力云圖。通過仿真模型和數(shù)據(jù)算法對其應(yīng)力云圖進行分析，最終得到其在靜應(yīng)力下的疲勞強度，在得到其疲勞強度的基礎(chǔ)上對其剩余結(jié)構(gòu)壽命進行預(yù)測。另外，還要對模型進行模態(tài)分析，得出模型各階的模態(tài)振型。然后通過搭建試驗臺架，對模型進行頻率測試，兩者相結(jié)合，最后得出結(jié)論。本課題的技術(shù)要求是能夠熟練掌握PATRAN分析軟件的基礎(chǔ)操作，例如：如何進行幾何建模、如何給模型施加載荷、如何添加材料參數(shù)、如何運行分析過程、如何讀取和分析結(jié)果、掌握實驗臺架的具體操作、如何進行模態(tài)分析、如何通過將實驗數(shù)據(jù)與軟件分析數(shù)據(jù)作比較得出結(jié)論等等。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀及存在的問題在日益嚴酷的市場競爭中，產(chǎn)品的壽命和可靠性成為人們越來越關(guān)注的焦點。國內(nèi)外每年因產(chǎn)品發(fā)生疲勞破壞從而導(dǎo)致在其有效壽命期內(nèi)報廢的例子時有發(fā)生，同時由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時有出現(xiàn)。目前，在世界上對于疲勞強度的預(yù)測方法有很多，但是由于科技發(fā)展的限制性，遇到的很多問題都不能及時地得到解決，因此關(guān)于產(chǎn)品疲勞強度分析仍有很多問題急需解決。據(jù)不完全統(tǒng)計，每年因產(chǎn)品早期斷裂而造成的損失高達1190億美元，其中95%是由于疲勞引起的斷裂。而如果這些產(chǎn)品在使用前就應(yīng)用疲勞強度分析技術(shù)，其中有大約50%的損壞是可以避免的。在中國，隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，各大汽車制造企業(yè)都在重視產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計、制造與試驗環(huán)節(jié)，其中耐久性試驗和疲勞壽命預(yù)測是尤其重要的方面。目前在我國疲勞耐久性與壽命問題更是普遍存在，是我國國產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國際競爭力的最重要因素之一。因此現(xiàn)在許多企業(yè)將疲勞強度分析及壽命預(yù)測定為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標。在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，相關(guān)產(chǎn)品的疲勞壽命通常是通過一定量的物理樣機的耐久試驗得到的，不但試驗周期長、耗資巨大，而且許多相關(guān)參數(shù)與失效的定量關(guān)系也不可能在試驗中得出，試驗結(jié)論還可能受到許多不確定因素的影響。等到產(chǎn)品投放市場后，產(chǎn)品疲勞強度耐久性問題的出現(xiàn)會使許多新產(chǎn)品失去競爭力，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時又使企業(yè)形象蒙受巨大的負面影響。CAE有限元分析軟件MSCNastran可以有效地解決此類問題。目前的很多科學的方法已經(jīng)能夠方便的分析出大部分材料的疲勞壽命。如今根據(jù)材料力學的相關(guān)理論所建立的疲勞裂紋擴展壽命的相關(guān)預(yù)測方法對于各產(chǎn)品的使用來說是個重大意義的發(fā)明結(jié)果。從對零部件的疲勞壽命進行初步的預(yù)測到通過科學的實驗方法來提高產(chǎn)品的壽命，如今的科學正朝著一個明朗的有光明前途的方向發(fā)展。1.3課題的設(shè)計思路關(guān)于靜強度分析，首先根據(jù)模型要求在Patran軟件中創(chuàng)建幾何模型，選擇合適的模型材料參數(shù)將模型構(gòu)建在主界面中。然后對其施加固定約束，并施加相應(yīng)的載荷。然后選中導(dǎo)入的模型，對其進行網(wǎng)格化處理。然后在載荷選項表中對其施加一定的載荷，確定材料參數(shù)。其次，在Analyze選項表下選擇模型創(chuàng)建的新文件對其進行分析處理。然后打開MSCNastran運行分析結(jié)果，然后回到Analyze選項表下選擇文件格式，運行文件分析結(jié)果。最后在Result選項表下查看分析結(jié)果。關(guān)于模態(tài)分析，首先要在實驗室搭建實驗平臺，通過對模型的不斷測試，得到三條不同的信號曲線和FFT曲線，通過分析這些曲線，得出實驗數(shù)據(jù)。另一方面，在PATRAN分析軟件上，對模型進行模態(tài)分析，最終得到模型的各階模態(tài)振型圖，然后將實驗室得到的實驗數(shù)據(jù)與分析軟件分析的結(jié)果數(shù)據(jù)進行比較比較驗證，最后得出結(jié)果。1.4軟件介紹、課題的實際意義及實用價值Patran是世界上使用最廣泛的CAE有限元分析（FEA）預(yù)/后處理軟件，能夠提供實體幾何建模，模型網(wǎng)格化，以及為MSCNastran，Marc,Abaqus,LS-DYNA,ANSYS,和Pam-Crash提供分析設(shè)置。Patran提供了能夠簡化線性，非線性，顯式動態(tài)方法，熱求解器，以及其他有限元求解器的分析工具。Patran提供的幾何建模工具能讓用戶從零開始創(chuàng)建模型，熟悉創(chuàng)建模型的具體步驟，從而使Patran能夠讓任何人在軟件中創(chuàng)建有限元幾何模型。軟件的全自動網(wǎng)格劃分系統(tǒng)可以輕松的在平面和立體上創(chuàng)建網(wǎng)格劃分（包括十六網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分）。軟件中有限元求解器的荷載，邊界條件和分析設(shè)置是系統(tǒng)設(shè)置好的，能夠最大限度地減少輸入文件時所不必要的麻煩。Patran的綜合性功能和各類測試功能可以使分析的模型快速得到用戶所需要的結(jié)果，以便用戶可以根據(jù)自己個人的需求進行產(chǎn)品性能評估和優(yōu)化用戶的設(shè)計。本課題的實際意義與實用價值是通過CAE有限元分析軟件PATRAN2016對有缺陷的柱體橫梁進行有限元幾何建模，并通過對其進行網(wǎng)格化，并它向施加一定的載荷，最終得出靜強度疲勞及應(yīng)力云圖。通過仿真模型和數(shù)據(jù)算法對其應(yīng)力云圖及S-N曲線進行分析，最終得到其疲勞強度，在得到其疲勞強度的基礎(chǔ)上對其剩余結(jié)構(gòu)壽命進行預(yù)測。通過模態(tài)分析可以確定模型的自然頻率、振型和參與系數(shù)。對產(chǎn)品進行模態(tài)分析的好處特別多，使用模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定的頻率進行振動；可以使工程師認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何進行響應(yīng)的；還可以有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)。在MSCNastran軟件中通過對產(chǎn)品進行疲勞強度分析可以對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剩余壽命進行預(yù)測，根據(jù)輸出結(jié)果可以有效地預(yù)防產(chǎn)品發(fā)生疲勞破壞，能夠在發(fā)生疲勞破壞之前對產(chǎn)品進行更換，避免市場上各類不必要的損失。同時，隨著有限元技術(shù)的出現(xiàn),為各大產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的技術(shù)支持,有限元技術(shù)能夠?qū)C械產(chǎn)品進行靜態(tài)分析與模態(tài)分析,從而加工機械產(chǎn)品能夠達到理想的強度與剛度,并可使加工機械的重量實現(xiàn)輕量化設(shè)計。第2章總體方案設(shè)計2.1方案設(shè)計得出柱體橫梁疲勞壽命、靜強度和模態(tài)的辦法主要有兩類：試驗法和試驗分析法。試驗法主要依靠試驗，它是直接通過與實際情況相同或類似的一次又一次的試驗來得到我們所想要得到的疲勞強度數(shù)據(jù)和模態(tài)分析結(jié)果。這種試驗法得到的數(shù)據(jù)雖然比較可靠，但是花費的人力物力大，工作周期長，耗資較大，不建議采用，慢慢的這種方法已經(jīng)被取代。而試驗分析法則與之不同。試驗分析方法是利用先進的有限元分析方法對產(chǎn)品進行疲勞強度分析及壽模態(tài)分析。目前，試驗分析方法中的有限元仿真分析技術(shù)已經(jīng)在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域（如汽車、航空航天和機器制造等）得到廣泛認可，并被廣泛的投入使用。與傳統(tǒng)的試驗法相比，有限元疲勞仿真分析計算能夠提供準確無誤的零部件表面的疲勞壽命分布，自動且準確的判斷零部件的疲勞壽命相對較薄弱的位置，還可以通過修改設(shè)計的方法預(yù)先避免一些不合理的壽命分布，有效控制和改善產(chǎn)品的剩余疲勞壽命。此外，隨著有限元技術(shù)的出現(xiàn),為各大產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的技術(shù)支持,有限元技術(shù)能夠?qū)C械產(chǎn)品進行靜態(tài)分析與模態(tài)分析,從而加工機械產(chǎn)品能夠達到理想的強度與剛度,并可使加工機械的重量實現(xiàn)輕量化設(shè)計。所以，試驗分析方法能夠減少試驗樣機的數(shù)量，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，從而可以有效的降低開發(fā)成本，為產(chǎn)品提高市場競爭力。本課題就是采用試驗分析方法展開試驗。通過CAE有限元分析軟件PATRAN2016對有缺陷的柱體橫梁進行有限元幾何建模，并通過對其進行網(wǎng)格化，并它向施加一定的載荷，最終得出疲勞應(yīng)力云圖及模態(tài)分析云圖，然后對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剩余壽命進行預(yù)測。同時在實驗室搭建實驗平臺，通過試驗得到柱體橫梁的模態(tài)曲線，然后對其進行模態(tài)分析。2.2設(shè)計說明2.2.1材料參數(shù)和模型介紹（1）材料參數(shù)采用的模型是長300mm，寬40mm，高20mm，厚1mm的長方體形狀的空心柱體橫梁，上表面存在缺陷。柱體橫梁材料是Q235鋼，Q235的材料參數(shù)為：彈性模量（E/Gpa）：200~210；泊松比（ν）：0.25~0.33；抗拉強度（σb/MPa）：375-500;密度：7.8e-9g/mm⒊。（2）模型介紹本課題的靜強度分析采用三種材料和大小都完全相同的模型，而它們的不同在于表面存在缺陷的大小不同，這樣能夠形成對比效果，容易對最后的結(jié)果進行比較，得出更準確可靠的靜強度分析結(jié)論。三種模型圖片具體見圖1：圖1三種模型數(shù)據(jù)具體見表1：編號長/mm寬/mm高/mm厚/mm豁口所在位置豁口長度寬度130040201距離固定端20mm處6mm1mm230040201距離固定端20mm處10mm1mm330040201距離固定端20mm處15mm1mm表1本課題的模態(tài)分析采用五個材料參數(shù)和大小都完全相同的模型，而它們的不同在于表面存在缺陷的大小不同和存在缺陷的數(shù)量不同，這樣能夠形成對比效果，容易對最后的結(jié)果進行比較，得出更準確可靠的靜強度分析結(jié)論。五個模型的圖片具體見下圖2.圖2五個模型的具體參數(shù)見表2編號長/mm寬/mm高/mm厚/mm豁口位置豁口長度寬度130040201距離左端20mm處6mm1mm230040201距離左端20mm處10mm1mm330040201距離左端20mm處15mm1mm430040201距離左端10mm、20mm處6mm1mm530040201距離左端10mm、20mm處10mm1mm表22.2.2課題描述本課題由一個簡單的帶有缺陷的柱體橫梁模型展開，在靜強度疲勞分析中，模型左端受固定約束，然后向其施加大小為1000N的均布載荷應(yīng)力，將1000N的應(yīng)力垂直作用在模型的表面。在Patran軟件中對柱體橫梁進行網(wǎng)格化，然后施加一定的載荷，在缺陷處將看到所受載荷的最高應(yīng)力。最后得出應(yīng)力云圖，分析疲勞結(jié)果。在模態(tài)分析中，通過Patran軟件對模型進行分析，在軟件中得出模型各階的振動頻率，以及各階模態(tài)振型圖。同時，在實驗室搭建試驗臺架，測出模型在受到一定載荷力時的振動頻率及傅里葉曲線圖，然后將兩個結(jié)果進行比較，得出結(jié)論。本課題中的所有應(yīng)力參數(shù)都是以MPa為單位的。2.2.3過程描述靜強度分析流程：開始→建立有限元模型→定義材料屬性→劃分網(wǎng)格定義單元類型→施加邊界條件→進行求解分析→獲得應(yīng)力場、材料特性、載荷信息、疲勞分析參數(shù)→導(dǎo)入Nastran數(shù)據(jù)庫→進行疲勞分析獲得應(yīng)力云圖。模態(tài)分析流程：開始→導(dǎo)入有限元模型→定義材料屬性→劃分網(wǎng)格定義單元類型→施加邊界條件→對模態(tài)進行擴展→檢查結(jié)果。2.2.4問題描述有限元分析技術(shù)是一種通過對數(shù)值進行離散化處理的解決方法，通過離散方法將被分析的模型劃分為若干個小單元,然后對其施加邊界條件與載荷、定義材料特性,以此獲得被分析對象的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等數(shù)據(jù),然后通過圖形技術(shù)來對運算結(jié)果進行顯示。利用有限元技術(shù)對模型進行分析時，過程主要包括三個階段，第一個是建模階段,根據(jù)被分析對象的實際工況與實際形狀為先決條件,通過這些條件來構(gòu)建有限元模型,通過構(gòu)建有限元模型,然后對要分析模型的整體結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，然后對其施加邊界條件與載荷、定義材料特性,以此獲得被分析對象的位移、應(yīng)變、應(yīng)力等數(shù)據(jù)。第二個是計算階段,在該階段中需要進行數(shù)值運算,因為在該階段的數(shù)據(jù)運算量很大,我們自己無法完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)計算，所以我們需要通過有限元分析軟件來進行自動完成。第三個就是后處理階段,在這個階段，軟件會進行數(shù)值的出來，并自行運算結(jié)果，使得到的結(jié)果能夠以特定的方式進行顯示，從而可以使我們能夠?qū)Ψ治瞿Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計合理性開展有效、客觀的評估,并針對評估結(jié)果提出具體的改進或優(yōu)化方法。PATRAN是一個無單元代碼的軟件，這就說明在疲勞分析的過程中我們必須要保證所有的代碼單元都是一致的。在進行疲勞分析時，我們需要非常清楚的是要使用到連續(xù)一致的模型單元，尤其是像單元壓力這樣的參數(shù)。同時疲勞材料性能必須輸入與模型材料性能的一致單位。在本課題中，我所使用到的材料應(yīng)力參數(shù)，如楊氏模量（E）和在MPA中定義的S-N曲線等等，這與其余的模型單位（與以毫米為單位的長度單位，以牛頓為單位的力單位）是一致的。當靜強度分析開始時，所有材料的疲勞應(yīng)力參數(shù)，包括楊氏模量（E），都在內(nèi)部轉(zhuǎn)換為以MPa單位的參數(shù)量。結(jié)果分析得出的所有壓力也都轉(zhuǎn)換為以MPA為單位，這樣我們就可以準確地查找到S-N曲線。為了做到這一點，還必須確定分析應(yīng)力單元的疲勞強度，即需要在分析前對材料進行靜強度計算和疲勞強度計算。這種靜強度分析是模型左端受固定約束，然后向其施加大小為1000N的均布載荷應(yīng)力，將1000N的應(yīng)力垂直作用在模型的表面，為了進行靜強度分析，我們必須要有一個FATIGUE案例來進行對照，F(xiàn)ATIGUE案例對照調(diào)用ID42的FTGDEF批量數(shù)據(jù)，但由于FTGDEF條目現(xiàn)在沒有定義實際的元素集或特定的、非默認的疲勞特性，所以模型上所有被定義的元素都會成為疲勞分析的一部分。MPa是默認的應(yīng)力單元系統(tǒng)。本課題中的所有應(yīng)力參數(shù)都是以MPa為單位的。施加周期載荷。在有限元模型中施加的載荷是一個10,00N的靜載荷。使用SOL101（靜力學）的疲勞分析采用了一種偽靜態(tài)方法，其中必須定義靜態(tài)載荷的循環(huán)變化。本課題中使用的時間信號是完全反向加載的。對于完全反向加載，R=-1。循環(huán)加載有時使用一個名為R-Ratio（R）的參數(shù)來描述，該參數(shù)是最小負載除以最大負載R，是平均應(yīng)力的度量。本課題中使用的S-N曲線是通過在不同的恒定振幅，完全反轉(zhuǎn)（R=-1）加載條件下測試大量拋光試樣而產(chǎn)生的。計算元素節(jié)點的平均應(yīng)力。計算元素節(jié)點平均應(yīng)力有兩種節(jié)點方法，兩種節(jié)點方法有兩種不同的結(jié)果。LOC=NODA用于計算基于節(jié)點平均應(yīng)力的節(jié)點損傷。LOC=NODE用于計算由于單個單元節(jié)點應(yīng)力在節(jié)點上的損傷。而且LOC=NODA是稍微非保守一點的。由于節(jié)點的平均應(yīng)力是由所有單元節(jié)點所受載荷應(yīng)力的平均值確定的，因此對于任何給定節(jié)點所確定的最高應(yīng)力通常都比最大的單元節(jié)點所受載荷的應(yīng)力變小，因此材料所受到的損傷會更小，材料的剩余結(jié)構(gòu)疲勞壽命更長。根據(jù)盡可能高的應(yīng)力計算壽命，從而計算每個單元的每個節(jié)點的疲勞壽命。然后通過Patran后處理器，當圖形顯示結(jié)果體現(xiàn)在節(jié)點上平均疲勞壽命時則使用LOC=NODE。先計算得出平均應(yīng)力，然后根據(jù)每個節(jié)點的單個應(yīng)力值計算每個節(jié)點的疲勞壽，這時就要使用LOC=NODA。計算單元中心的疲勞壽命（LOC=ELEM）時，只應(yīng)保留給單個微小單元節(jié)點，因為材料疲勞裂紋僅僅是在表面開始的。節(jié)點平均應(yīng)力就是將材料網(wǎng)格化后各個網(wǎng)格點上的平均應(yīng)力，這些節(jié)點應(yīng)力是利用MSCNastran中的網(wǎng)格點應(yīng)力發(fā)生器確定的。在進行模態(tài)分析時，模態(tài)分析主要分為四步,第一步是對所需要結(jié)構(gòu)的有限元模型進行構(gòu)建,在建模時需對材料密度、楊氏模量、泊松比等進行定義,第二步是進行荷載施加并求解,第三步是對模態(tài)進行擴展,第四步是對計算結(jié)果進行檢查。模態(tài)提取方法采用分塊LANCZOS方法以及子空間迭代法。通過LANCZOS分塊方法可對壓力機所具有的固有頻率實施模態(tài)分析,進而獲得不同頻率中柱體橫梁所產(chǎn)生的振動變形情況,進而得到柱體橫梁的各階模態(tài)分析圖。2.2.5文件描述PATRAN和Nastran軟件在運行過程中會生成很多的文件，主要包括：.db、.bdf、.op2、.xdb、.f04、.f06、patran.ses.**、jou.db文件是Patran的數(shù)據(jù)庫文件，用于保存各種幾何信息和有限元模型的信息。.bdf文件是由Patran生成的，供Nastran讀取的文件，其中保存著在patran中所建立的有限元模型的所有信息，Nastran就是根.bdf文件來進行運算的。.op2文件和.xdb文件是Nastran計算結(jié)果輸出文件，由Patran來讀取并進行后置處理。.f04文件是系統(tǒng)信息統(tǒng)計文件，可以用文本編輯器打開，其記錄了本次分析中的系統(tǒng)信息。.f06文件是分析運算過程記錄文件。Patran.ses.**文件是對話文件，其記錄了本次分析過程從Patran打開到退出期間所有的對話過程。.jou文件是日志文件，記錄了用戶在數(shù)據(jù)庫中的所有操作，利用日至文件，可以重建模型，即使原來創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫文件丟失。在使用軟件對模型進行分析時，先由Patran生成.db文件，再生成.bdf文件，然后由Nastran讀取.bdf文件并進行計算。

第三章靜強度分析和穩(wěn)態(tài)分析3.1靜強度分析3.1.1模型的創(chuàng)建試驗臺搭建測試過程如下圖3所示：圖3本課題在進行有限元分析之前，我使用到了第三方建模軟件UG10.0。根據(jù)測量的模型實物的尺寸標準，在UG10.0中進行幾何建模。分別創(chuàng)建了1號模型，2號模型和三號模型。模型圖見下圖4，圖5，圖6。圖41號模型圖圖52號模型圖圖63號模型圖3.1.2靜強度分析過程第一步：創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫File→New→輸入新的文件名→點擊OK（AnalysisCode=MSCNastran，AnalysisType=Structural）→OK第二步：導(dǎo)入模型File→import→選擇模型文件→Apply（Object=Model,Source=Unigraphics-NX）第三步：劃分有限元網(wǎng)格Mesh→Create/Mesh/Solid→ElemShape=Tet，Mesher=TetMesh，Topology=Tet10→InputList（輸入Solid1）→勾掉AutomaticCalculation→Value=0.3→Apply第四步：施加固定約束、邊界條件Loads/BCs→Create/Displacement/Nodal→EnterfixedfortheNewSetName→ClickonInputData..→Enter<00O>underTranslationsonly.→Enter<00O>underRotationsonly?！鶦lickOK.Then→ClickonSelectApplicationRegion....→SettheGeometryFiltertoGeometry→ClickunderSelectGeometryEntitiesthenontheSurfaceorFaceicon.→SelectbothpinholefacesandclickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第五步：施加載荷CreateapressurethatwillbeappliedtothetopsurfaceofthemodelLoads/BCs→Create/Pressure/ElementUniform→EntermodelpressureastheNewSetName.→ClickonInputData....→Enter1000.0forPressure.→ClickOK.ThenClickonSelectApplicationRegion...→SettheGeometryFiltertoGeometry.→ClickunderSelectSolidFaces,thenselectthetopfaceofthemodel,andclickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第六步：檢查固定載荷LoadCases:Actions=Modify→ClickontheDefaultloadcase.→Checktoseethatthecorrectloadsareassigned→ ClickCancel.第七步：定義材料特性Createamaterialpropertyforthemodel:Materials→Create/isotropic/ManualInput→EntersteelfortheMaterialName.→ClickonInputProperties...→Enter2000000and0.3fortheElasticModulusandPoissonRatio,respectively.→ClickOK.→ClickApply.第八步：定義單元屬性Createa3Delementpropertyforthemodel:Properties→Create/3D/Solid→Entermodel1forPropertySetName.→ClickonInputProperties....→ClickontheMatPropNameicon,andchoosesteelfromSelectMaterial→ClickOK.→ClickonSelectApplicationRegion.→ClickonSelectMembersandselectSolid1.→ClickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第九步：進行分析SendthemodeltoMSC.Nastranandanalyzethemodel:Analysis→Analyze/EntireModel/Fullrun→ClickonSolutionTypetoLinearStatic→ClickonSolutionParameters…ClickonResultsOutputFormation→SetResultsOutputFormattoXDBandprint→Clickok→Clickok→Clickok→ClickApply（點擊Apply后PATRAN會把任務(wù)交給Nastran求解，此時會彈出DOS模式的窗口，運算完成后該窗口自行關(guān)閉。）第十步：分析結(jié)果ReadintheresultsfileintoPatranbyattachingtheXDBfile:Analysis→AccessResults/AttachXDB/ResultEntities→ClickonSelectResultsFiles…→Selectmodel1.XDBandclickOK.→ClickApply第十一步：后處理顯示應(yīng)力云紋圖：Action→Create,Object→QuickPlot,SelectResultCases→DefaultStaticSubcase,SelectFringeResult→StressTensor,Quantity→vonMises,→ClickonApply.此時模型的應(yīng)力云紋圖就顯示出來了。3.1.3靜強度分析結(jié)果1號模型的應(yīng)力云圖如下圖7所示：圖71號模型的應(yīng)力云圖由圖7的應(yīng)力云圖可以看出，在受到1000N的持續(xù)載荷作用下，1號模型在缺陷處和施加固定約束處受到的應(yīng)力最大，1號模型所受到的最大應(yīng)力為5.97+05N,最小應(yīng)力為1390N，發(fā)生的最大位移為117mm。2號模型和3號模型的整個靜強度分析過程如出一轍，唯一的不同就是柱體橫梁表面的缺陷大小不同，這就會導(dǎo)致模型所能承受的最大壓力不同，缺陷處所受到的載荷應(yīng)力顯示也不同，在這里我就不做過多的說明。下面來看一下2號模型和三號模型的應(yīng)力云圖。2號模型和3號模型的應(yīng)力云圖如下圖8、圖9所示圖82號模型應(yīng)力云圖由圖8的應(yīng)力云圖可以看出，在受到1000N的持續(xù)載荷作用下，2號模型在缺陷處和施加固定約束處受到的應(yīng)力最大，2號模型所受到的最大應(yīng)力為8.96+05N,最小應(yīng)力為1600N，發(fā)生的最大位移為120mm。圖9三號模型應(yīng)力云圖由圖9的應(yīng)力云圖可以看出，在受到1000N的持續(xù)載荷作用下，3號模型在缺陷處和施加固定約束處受到的應(yīng)力最大，3號模型所受到的最大應(yīng)力為9.01+05N,最小應(yīng)力為1680N，發(fā)生的最大位移為124mm。3.2模態(tài)分析在PATRAN中模態(tài)分析是被用來確定模型或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的振動特性的一種分析方法，通過模態(tài)分析可以確定模型的自然頻率、振型和參與系數(shù)。對產(chǎn)品進行模態(tài)分析的好處特別多，使用模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定的頻率進行振動；可以使工程師認識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何進行響應(yīng)的；還可以有助于在其他動力分析中估算求解控制參數(shù)。模態(tài)分析中，需要設(shè)置模型的材料性能參數(shù)，這些材料參數(shù)都涉及到單位制，如果在性能設(shè)置上出現(xiàn)單位非封閉狀態(tài)的話，就會對計算結(jié)果有非常大的影響。本課題用到的單位系統(tǒng)如下表3所示長度力應(yīng)力質(zhì)量密度mmNMpaTT/mm⒊表33.2.1模型的創(chuàng)建在模態(tài)分析開始之前，我通過UG10.0對所需要的結(jié)構(gòu)進行了模型的創(chuàng)建。本課題在模態(tài)分析的過程中總共用了五個模型，這五個模型的大小，尺寸，各類材料參數(shù)都一致。五個模型的區(qū)別在于存在的缺陷和不同缺陷所在的位置不同。模態(tài)分析需要進行實驗臺架的搭建，通過試驗結(jié)果與分析結(jié)果作對比，搭建的試驗臺架，如上文圖3所示。1號、2號和3號模型的具體形狀見上文中的圖4、圖5和圖6,4號和5號模型的具體形狀見下文的圖11和圖12.圖114號模型圖125號模型3.2.2模態(tài)分析過程第一步：創(chuàng)建一個新的數(shù)據(jù)庫File→New→輸入新的文件名→點擊OK（AnalysisCode=MSCNastran，AnalysisType=Structural）→OK第二步：導(dǎo)入模型File→import→選擇模型文件→Apply（Object=Model,Source=Unigraphics-NX）第三步：劃分有限元網(wǎng)格Mesh→Create/Mesh/Solid→ElemShape=Tet，Mesher=TetMesh，Topology=Tet10→InputList（輸入Solid1）→勾掉AutomaticCalculation→Value=0.3→Apply第四步：定義材料特性Createamaterialpropertyforthemodel:Materials→Create/isotropic/ManualInput→EntersteelfortheMaterialName.→ClickonInputProperties...→Enter2000000and0.3and7.8e-9fortheElasticModulusandPoissonRatioandDensity,respectively.→ClickOK.→ClickApply.第五步：定義單元屬性Createa3Delementpropertyforthemodel:Properties→Create/3D/Solid→Entermodel1forPropertySetName.→ClickonInputProperties....→ClickontheMatPropNameicon,andchoosesteelfromSelectMaterial→ClickOK.→ClickonSelectApplicationRegion.→ClickonSelectMembersandselectSolid1.→ClickAdd.→ClickOK.→ClickApply.第六步：進行分析SendthemodeltoMSC.Nastranandanalyzethemodel:Analysis→Analyze/EntireModel/Fullrun→ClickonSolutionTypetoNormalmodes→ClickonSolutionParameters…ClickonResultsOutputFormation→SetResultsOutputFormattoXDBandprint→Clickok→Clickok→ClickonSubcases…→Letnumberofdesiredrootsfrom10to20→Clickok→ClickApply.第七步：分析結(jié)果ReadintheresultsfileintoPatranbyattachingtheXDBfile:Analysis→AccessResults/AttachXDB/ResultEntities→ClickonSelectResultsFiles…→Selectmodel1.XDBandclickOK.→ClickApply（點擊Apply后PATRAN會把任務(wù)交給Nastran求解，此時會彈出DOS模式的窗口，運算完成后該窗口自行關(guān)閉。）第八步：后處理模型的各階模態(tài)的頻率在SelectResultCases中可以找到。顯示模態(tài)：Action→Create,Object→QuickPlot,SelectResultCases→DefaultMode1：Freq…,SelectFringeResult→EigenvectorsTranslational,Quantity→Magnitude,SelectDeformationResult→EigenvectorsTranslational→ClickonApply.3.2.3結(jié)果分析在運行分析結(jié)果之前，設(shè)置選擇截取前20階模態(tài)，然后調(diào)用Nastran進行求解，讀入結(jié)果文件，選擇截取各階模態(tài)分析的結(jié)果。1號模型的各階模態(tài)的分析結(jié)果見下表4.階次頻率/HZ階次頻率/HZ71500.6142969.582156.8173582.1122689.8193945.6表41號模型的各階模態(tài)振型，如下圖13所示。（a）第七階模態(tài)振型（b）第八階模態(tài)振型（c）第十二階模態(tài)振型（d）第十四階模態(tài)振型（e）第十七階模態(tài)振型（f）第十九階模態(tài)振型結(jié)論：模型模態(tài)分析的前6階的振動頻率近乎接近于0，模型為剛體振動。由表4可以看出來，從第七階開始，模型的振動頻率上升到了1500HZ左右，模態(tài)振型為YOZ平面內(nèi)