用PATRAN对正六边形拉杆的有限元分析 - 图文

用PATRAN对正六边形拉杆的有限元分析

一.问题的描述

六边形截面

如图所示为一拉杆。其中参数分别为D1=15，D2=40，长度L0=150、L1=180、L2=330，计算模型中采用的单位为：长度mm，质量为Kg，拉力P的单位为N，应力MPa。泊松比：0.3，杨氏模量：2.1×105 MPa，重力加速度：9.8 m/s2。拉杆材料为Q235，求载荷下的应力和变形，以便进行强度校核和刚度分析分析模型 二．分析模型

由于模型的正六边形截面是轴对称的，所以可以只建1/12的模型，最后通过镜像的全部的网格，为了建模的方便和处理好过渡面，拟在proe里面建模型，并分别输出igs格式的1/12曲面和全部的实体模型，将曲面导入Patran里面进行网格划分，横截面上用映射网格划分模式划分四边形网格，然后将其拉伸成六面体网格，大小截面连接处通过旋转生成六面体网格约束施加在拉杆中间节点，固定沿轴向自由度和两沿径向自由度，将载荷P换成压强施加在两端，用Nastran作为求解器。

三．模型建立过程

利用三维建模软件绘制模型

启动Proe?文件?新建?零件?进入建模界面

定义模型参数：文件?属性?模型属性?单位选择以下单位

图3

步骤1旋转：

?选择在Top绘制草图如下：

图4 图5

步骤2：点击创建基本平面DTM1偏移旋转曲面15mm

图6

步骤2：选择DTM1草绘内切圆半径R=7.5正六边形如图, 并使用边形顶点，将六边形打散

分别选取正六

步骤3：选择旋转曲面并选择如图所示参照，草绘R=20的圆（端面），并使用别选取圆和辅助线相交的点，将圆按照六边形顶点的方向打散

步骤4：

分

选择面草绘轨迹如下

步骤5：插入?扫描混合?选取参照（轨迹）?选取截面?

步骤6：拉伸?选择扫描混合所得六边形截面?选取参照?

?创建拉伸截面?拉伸深度

75mm

步骤7：

?选取模型?

步骤6：拉伸?选择扫描混合所得六边形左边截面?打开线框

?选取参照?做左边六分之

一大圆的圆弧?选择拉伸切除深度165mm?

步骤8：分析过渡截面

导出模型：六分之一模型和全模型

步骤1：文件?保存副本?类型（igs）?弹出对话框?选择文档

步骤2：（此步骤应该在步骤7：时进行）文件?保存副本?类型（igs）?弹出对话框?选择

?名称laganmoxing(1/6).igs

?名称laganmoxing1.igs文档

四．划分网格与求解

导入六分之一拉杆实体laganmoxing(1/6).igs文档：

步骤1：启动Patran→File→new→laganmoxing.db文件，如下图：

图16

步骤2：File→Imput→桌面→laganmoxing(1/6).igs文件，得到下图：

图17

说明：检查导入模型原点和patran建模区原点是否重合，打开应用工具栏Geometry输入以下参数建立坐标原点（0,0,0）其代号14

点击Apply出现，刚好满足

步骤3：

建立工作平面：

步骤1：点击Geometry工具按钮得到如下对话框→单击“Action： Creat”→Object：Point→Method：XYZ，去掉Auto Execute 前面的钩，在point Coordinates List填入：[0 4 0],点击Apply，创建点Point12，如图。同理在point Coordinates List填入：[3.464 2 0] 创建点Point13

步骤2：点击Geometry工2具按钮得到如下对话框→单击“Action： Creat”→Object：Vector

→Method：2Point，去掉Auto Execute 前面的钩，在Basic List Point填入：Point1 ，Tip List Point：Point 13，点击Apply，创建方向矢量Vector 1如图

步骤3：单击“Action： Creat”→Object：Plane→Method： Point—Vector，去掉Auto Execute 前面的钩，在Point List填入：Point13 ，Vector List：Vector 1，点击Apply，创建方向平面 Plane 1

步骤4：单击“Action： Creat”→Object：Plane→Method： Point—Vector，去掉Auto Execute 前面的钩，在Point List填入：Point5 ，Vector List：Coord 0.3，点击Apply，创建方向平面 Plane 2

同理在Point List填入：Point8 ，Vector List：Coord 0.3，点击Apply，创建方向平面 Plane 3

步骤4：单击“Action： Transform”→Object：Plane→Method： translate，去掉Auto Execute 前面的钩，在Direction Vector填入：<0 0 -1> ，Vector Magnitude：8，Plane List：Plane2，点击Apply，创建方向平面Plane 4如下图

同理在：Vector Magnitude：16，Plane List：Plane4，点击Apply，创建方向平面Plane 5

在几何实体截面上建立圆弧曲线：

（为了更好地画网格，必须将几何实体的几个截面切开。为了切面，除了建立工作平面外，还必须在模型的两端创立两条圆弧曲线）

步骤1：单击“Action： Creat”→Object：Curve→Method：2D Arc2point，去掉Auto Execute 前面的钩，Const ruction Plane List：Coord0.3在Center Point List填入：Point1 ，starting Point List：Point12，Ending Point List：Point13点击Apply，在左端面生成圆弧曲线Curve1如图

步骤2：单击“Action： Transfrom”→Object：Curve→Method：Translatet，去掉Auto Execute 前面的钩，Refer.Coordinate Frame：Coord0在Direction Vector填入：<0 0 165>，Vectormagnitude填入：165，在Curve List：Curve1点击Apply，在右端面生成圆弧曲线Curve2如图

切割曲面

步骤1：单击“Action： Edit”→Object：Surface→Method：Break，在Option中选择：Curve，

Apply，删除Surface16:18,如图所示

步骤2：单击“Action： Transfrom”→Object：Surface→Method：Rotate，去掉Auto Execute 前面的钩，Refer Coordinate Frame：Coord0在Axis填入：Coord0.3，Rotation填入：-60，在Surface List：Surface3（利用对称面来新建中间面）点击Apply，生成中间面Surface如图

步骤2：建立工作平面，单击“Action： Creat”→Object：Plane→Method： Point—Vector，去掉Auto Execute 前面的钩，在Point List填入：Poin9 ，Vector List：Coord 0.3，点击Apply，创建方向平面Plane 4

步骤3：单击“Action： Transform”→Object：Plane→Method： translate，去掉Auto Execute 前面的钩，在Direction Vector填入：<0 0 -10> ，Vector Magnitude：10，Plane List：Plane4，点击Apply，创建方向平面Plane 5

步骤4： Vector Magnitude：10，Plane List：Plane5，点击Apply，创建方向平面Plane 6如下图

步骤5：单击“Action： Edit”→Object：Surface→Method：Break，在Option中选择：Plane，

去掉Auto Execute 前面的钩，Surface List：Surface12（用鼠标左键点击模型前表面）在Break Plane List填入：Plane 4 ，点击Apply，弹出Message对话框点击：Yes For All，利用平面Plane 4对前表面进行切割如图，生成Surface13和 Surface14（左右两个面）

步骤6：同理，利用平面Plane6对前表面中间下区域Surface13进行切割如图生成Surface 15和Surface16（左右两个面）；利用平面Plane1对前表面中间下区域Surface16进行切割如图生成Surface 17和Surface18（上下两个面）；利用平面Plane5对前表面中间下区域Surface18进行切割如图生成Surface 19和Surface20（左右两个面）；再利用平面Plane1对前表面中间下区域Surface15进行切割如图生成Surface 21和Surface22（上下两个面）；切割结果如下图

对切割好的面Surface 19、Surface 20、 Surface 22进行网格

步骤1：单击“Action：Creat”→Object：Mesh Seed→Type：Uniform，在Number of Elements中填入：6、4，保留Auto Execute 前面的钩，Curve List：Surface19.2（可利用Shift+鼠标左键点击模型此处不规则四边形的一直边与一弧边，和一对直边），点击Apply，系统将自动执行网格种子的创建

步骤2：单击“Action：Creat”→Object：Mesh→Type：Surface，在Elem Shape选择：Quad，在Mesher选择：IsoMesh，在Topology选择：Quad4，在Surface List填入：Surface19（也可利用鼠标左键点击模型不规则四边形区域），点击Apply，系统将完成此不规则四边形区域网格划分如图

步骤3：同步骤1在Number of Elements中填入：14和8，Curve List：Surface22.3（可利用Shift+鼠标左键点击模型四边形的两对直边），Apply，系统完成网格种子的创建；单击“Action：Creat”→Object：Mesh→Type：Surface，在Elem Shape选择：Quad，在Mesher选择：IsoMesh，在Topology选择：Quad4，在Surface List填入：Surface22，点击Apply，系统将完成此不四

边形区域网格划分如图

步骤4：单击“Action： Creat”→Object：Curve→Method：point，去掉Auto Execute 前面的钩， starting Point List：Node1086（用左键选择左边线第四个点），Ending Point List：Point24点击Apply，在左端面生成直线Curve3如图，并用Curve3 切割Surface20，生成Surface 23和Surface24（上下两个面）；

步骤5：单击“Action：Creat”→Object：Mesh Seed→Type：Uniform，在Number of Elements

中填入：6、4，保留Auto Execute 前面的钩，Curve List：Surface23:24（可利用Shift+鼠标左键点击模型此处两四边形的上下直边和左右直边），点击Apply，系统将自动执行网格种子的创建

步骤6：单击“Action：Creat”→Object：Mesh→Type：Surface，在Elem Shape选择：Quad，在Mesher选择：IsoMesh，在Topology选择：Quad4，在Surface List填入：Surface23.1:24.4（也可利用鼠标左键点击模型两四边形区域），点击Apply，系统将完成此两四边形区域网格划分如图

步骤7：删除辅助平面Plane 4、5、6和辅助线Curve3，此步骤后生成的模型如下

由中心部分纵截面网格旋转生成体网格

将Surface 19、Surface 20、 Surface 23、 Surface 24上面的面网格旋转成体网格

步骤1：单击“Action：Sweep”→Object：Element→Type：Arc，在Delete Original Elements前面打勾，单击Mesh Control，弹出以下对话框，在Element Length填：5，单击Ok，返回原界面，在Axis填入：Coord0.3, 在Sweep Angle填入：60，在Basic Entity List：用Shift+左键矩形框选Surface 19、20、 23、 24所有单元，点击Apply，系统将生成体网种

镜像生成整个网格模型和导入实体模型

步骤1：点击Geometry工具按钮得到如下对话框→单击“Action： Creat”→Object：Vector→Method：Point-Vector，去掉Auto Execute 前面的钩，在Option选择：Surface，在Surface List填入：Surface22 ， Point List：Point 1，点击Apply，创建方向矢量Vector 2,如图

步骤2：单击“Action：Create”→Object：Plane→Method：Point-Vector， Auto Execute 前面的钩，Point List：Point 1，在Vector List：Vector 2在点击Apply，系统创建平面plane 4

步骤2：单击应用工具栏Elements，单击“Action：Transfrom”→Object：Element→Method：

Mirror，在Define Mirror Plane Normal中填入：Plane 4，Auto Execute 前面的钩，Elements List：可利用鼠标左键框选击模型中全部网格单元，点击Apply，系统将自动执行网格的镜像

步骤3：单击应用工具栏Elements，单击“Action：Transfrom”→Object：Element→Method：Mirror，在Define Mirror Plane Normal中填入：Coord0.1，Auto Execute 前面的钩，Elements List：可利用鼠标左键框选击模型中全部网格单元，点击Apply，系统将自动执行网格的镜像

步骤4：点击Geometry工具按钮得到如下对话框→单击“Action： Create”→Object：Vector

→Method：Normal，去掉Auto Execute 前面的钩，在Option选择：Element Surface，在Element Surface List填入：Elm 1988.1（用左键点选与水平想平的单元） ， Point List：Node6014，点击Apply，创建方向矢量Vector 3,如图

步骤5：同步骤2可以在原点处创建Plane5，并利用Plane5镜像成模型的二分之一网格

步骤6：同步骤3利用Plane3镜像得到模型的完整网格

（导入实体模型）

步骤7： File→Imput→桌面→laganmoxing.igs文件，得到下图：

（注意此处实体模型和网格模型重合，主要是在Proe建模过程中以坐标原点为建模起点，如果实体模型与网格模型不重合，可以使用Geometry→单击“Action：Transfrom”→Object：Solid→Method：Position，对实体给定三个目标点进行定位，平移，旋转缩放，使实体模型和网格模型重合，并删除辅助平面Plane4、5、6） 消除重复节点将网格和实体模型关联起来

步骤1：单击应用工具栏Elements，单击“Action：Equivalence”→Notes to be Excluded：用左键框选图形区所有节点，在Equivalence Tolerance填入：0.1，点击Apply，将模型中所有节点进行合并

步骤2：单击“Action：Associate”→Object：Element，在Method选择：Solid，Element List：用左键选取实体，点击Apply，将网格和三维实体模型关联起来

定义边界条件和加载

五 计算结果分析

图20

施加载荷及边界条件：

图21

得到如下图：

图22

进行求解： （说明：由于电脑是Win7 64位系统，NASTRAN2010没装好，所以求解用的是ANSYS10.0）

计算得出下面的位移云图和变形云图：

图23

图24

计算结果分析：

由位移云图可知，最大位移发生在整个箱形梁的中间位置，其位移值为0.528mm，位移分布从两头小，中间大的特点，符合实际情况；

由应力云图可知，最大应力发生在两端约束的圆角的位置，最大应力值为174.683MPa，说明此处有应力集中，需要改进，又由应力云图整体应力分布均匀，可知该结构合理。 五、结论

由于此结构中最大厚度为16mm，所以Q235屈服极限为247MPa，所以其许用应力为247/1.33，即为185.714MPa,最大应力在许用应力范围之内，此结构合理。 ,

计算得出下面的位移云图和变形云图：

图23

图24

计算结果分析：

由位移云图可知，最大位移发生在整个箱形梁的中间位置，其位移值为0.528mm，位移分布从两头小，中间大的特点，符合实际情况；

由应力云图可知，最大应力发生在两端约束的圆角的位置，最大应力值为174.683MPa，说明此处有应力集中，需要改进，又由应力云图整体应力分布均匀，可知该结构合理。 五、结论

由于此结构中最大厚度为16mm，所以Q235屈服极限为247MPa，所以其许用应力为247/1.33，即为185.714MPa,最大应力在许用应力范围之内，此结构合理。 ,

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/chq7.html