北航宇航学院飞设实验报告

——圆柱壳体结构有限元分析

ZY1315228 张晶

1.圆柱加筋壳体结构有限元分析介绍

 圆柱加筋壳结构如图1所示，一端固定，表面有分布载荷。结构、材料特性、约束与载荷的具体形式将在后面给出。试用MSC.Patran/Nastran建立圆柱加筋壳的有限元模型并计算它的位移与应力。

图 1 圆柱加筋壳结构

2.模型描述

2.1 结构

1）壳

圆柱壳半径为，长为。它由两部分组成，一部分是复合材料结构，从固定端到中部，长3m，厚6.2mm；另一部分是金属材料结构，从中部到自由端，长3m，厚2mm。

2）加筋梁

有纵向加筋与环向加筋，沿壳分布如图2所示，均为金属材料。

图 2 圆柱壳上加筋梁分布

纵向加筋共沿周向对称分布如图3所示，截面形状为L型，具体尺寸与指向如图4所示。

图 3 周向对称分别L型梁 R=0.53m    图 4 L型梁截面尺寸 w=h=10mm t=3mm

环向加筋共3条，分别位于壳的两端与中部，截面形状为矩形，具体尺寸如图5所示。

图 5 矩形梁截面尺寸 w=h=10mm

2.2 材料

1）金属材料

即copper，，。

2）复合材料

面板(facesheet)：，，，。

芯(core)：，，，，，。

层合板：由面板和芯组成，具体铺层形式和方向如图6所示。其中每层面板厚0.3mm，芯厚5mm。

图 6 复合材料铺层

2.3 约束与载荷

圆柱壳一端固定，如图7所示。

图 7 固定端

壳的内表面有分布载荷（Y轴如图3所示）。

3.建模过程

3.1几何模型的建立

1.建立新的数据库，输入全局参数，最大尺寸为6米

File/new

New database name:             sylindrical shell structure

Ok 

⏹Based on model

Approximate maximun model    

Dimesion:                           6.0         

Analysis code:                       MSC.Nastran 

Analysis type:                      structure     

Ok

 2.建立名为”shell”的一个新组

Group/create

New group name:                      shell

⏹Make current 

Apply

Cancle

 3.绘制一半径为0.5m的圆，并通过面拉伸命令形成壳体

⏹Geometry 

Action                              creat    

Object                               curve   

Method                              2D Circle

Circle radius                          0.5     

Construction plane list                 coord 0.3  

Center point list                      [0 0 0]

Apply

   Action                               create 

Object                              surface

Method                             extrude

Tanslation vector                      <0 0 3>

Curve list                             curve 1

Apply

  4.复制刚刚生成的圆柱壳体

Action                               tranform

Object                                surface 

Method                            translate

Surface list                         surface 1

Direction vector                     <0 0 1> 

Vector magnitude                      3      

Repeat count                          1      

Apply

   5.建立一个新的组取名为”circular_beam”

Group/create

New group name:                 circular beams

⏹Make current 

Apply

Cancle

6.通过复制生成另外两个圆形梁曲线

Action                            tranform

Object                              circle   

Method                            translate

Curve list                         curve 1 

Direction vector                       <0 0 1> 

Vector magnitude                      3      

Repeat count                          2      

Apply

7.纵向筋的绘制，建立一个名为” longitudinal beams”的新组

Group/create

New group name:                     longitudinal beams

⏹Make current 

Apply

Cancle

8.沿长度方向创建一条直线

Action                               creat

Object                               curve

Method                              point

Starding point                        point 1

Ending point                         point 3 

Apply

9.通过旋转的方法创建直线，旋转角度为45°

Action                              transform

Object                              curve   

Method                            rotate   

Rotation angle                      45     

Repeat count                        7      

Curve list                           curve 4 

Apply

图 31几何模型建立完成

1.1显示组”shell”，并设置为当前组

Group/post

Select group to post:                  shell

Apply

Cancle

 3.2有限元网格划分    

  1.将组”shell”设置为当前组

Group/post

Select group to post:                  shell

Apply

Cancle

  2.生成”mesh seed” 

⏹Elements

Action                              create    

Object                              mesh seed

Type                                uniform  

Number of elements:

  Number=                        32       

Curve list                          curve 1   

Apply

Number of elements:

  Number=                          30       

Curve list                           surface 1.1 2.1 

Apply

  3. 选择”isomesh”，生成四边形单元

Action                             creat

Object                              mesh

Type                              surface

Elem shape                         quad

Mesher                               IsoMesh

Topology                           Quad4

Surface list                        surface 1 2

Apply

4.显示组“longitudinal beams” 并且设置为当前组

Group/post

Select group to post:                 longitudinal beams

Apply

Cancle

   5.用curve的方式划分longitudinal beams的网格

Action                            creat

Object                              mesh

Type                             curve

Topology                          bar2

curve list                             curve 4:11

Apply

   6.显示组“cicular beams” 并设置为当前组

Group/post

Select group to post:                   circular beams

Apply

Cancle

   7.用curve的方式划分circular beams的网格

Action                              creat

Object                               mesh

Type                                curve

Topology                          bar2

curve list                          curve 1:3

Apply

   8.节点等效

在面的边上重复创建了节点，因此需要将节点等效

Action:                             equivalence 

Object:                            all

Type:                            tolerance cube

Equivalence tolerance:                 0.004     

Apply 

图3-2 有限元网格划分完成

3.3 材料属性添加

3.3.1 复合材料的添加

 1.facesheet和core材料添加

⏹Material

Action:                          create

Object:                            2d orthotropic

Method:                           manual input

Material name:                     facesheet

Input properties

Constitutive model:                  linear elastic

Elastic modulus 11:                  1e11      

Elastic modulus 22:                   1e10      

Poisson ratio 12:                     0.1       

Shear modulus 12:                    1.5e10     

Apply

Material name:                    core

Input properties

Constitutive model=:                  inear elastic

Elastic modulus 11=:                   100       

Elastic modulus 22=:                 100       

Poisson ratio 12:                      0.3        

Shear modulus 12:                  50        

Shear modulus 23:                   1e6       

Shear modulus 13:                   1e6       

Apply

图3-3 core材料属性

图3-4 facesheet材料属性

 2.复合材料属性添加，用core和facesheet材料铺成复合材料

Action:                             create        

Object:                           composite     

Method:                           laminate      

Material name:                      compsite_layers

Laminated composite                

图3-5 复合材料建立完成

 3.铜的材料属性添加

Action:                            create      

Object:                             isotropic    

Method:                           manual input

Material name:                       copper     

Input properties

Elastic modulus=                    1e11       

Poission ratiao=                     0.33       

Ok  

Apply

 4.创建单元属性并将单元属性赋给壳单元

   Group/post

Select group to post:               shell 

Apply

Cancle

⏹Properties 

Action:                            create        

Object:                             2D          

Type:                               shell         

Property set name:                    composite shell 

Options:                             lanminlate   

Input properties

Material name:                    m:composite_layers

Ok

Select members:                    ele 1:960      

Ok

Apply

Action:                          create        

Object:                            2D          

Type:                             shell         

Property set name:                    copper shell   

Options:                             homogenous 

Input properties

Material name:                       m:copper

Thickness:                            2E-3

Ok

Select members:                      ele 961:1920

Ok

Apply

5.建立本地坐标圆柱系

在壳的地步中心点建立一个本地圆柱坐标系，编号1，用于定义纵向L型梁的指向。 

⏹Geometry

Action                                 create    

Object                                  coord    

Method                                 3point   

Coord ID list                            1       

Type                                  cylindrical

Refer. Coordinate frame                    coord 1   

Origin                                [0 0 0]   

Point on axis 3                            [0 0 1]   

Point on plan1-3                       [1 0 0]   

Apply

6.创建L型的单元属性并将其赋给L型梁单元

Action:                                create

Object:                                1D

Type:                                 beam

Property set name                        copper_beam

Material name:                       m:copper

Input properties                  

Beam library                    

Action                               create       

Object                                standard shape

Method                               nastran standard

New section name                       L           

 L 

W=                                 10e-3

H=                                  10e-3

t1=                                        3e-3 

t2=                                   3e-3 

  Ok 

  Section name                            L            

 Material name                         m:copper      

 Bar orientation                          <-1 0 0>coord 1

Ok  

  Select application region:                 ele 1921:2400 

  Ok  

  Apply

 Action:                               create

Object:                                 1D

Type:                                beam

Property set name:                        L-beam

Material name:                          m:copper

Input properties                  

Beam library                    

Action                                create

Object                                standard shape

Method                               nastran standard

New section name                      rectangle

    W=                                   10e-3

H=                                   10e-3

  Ok

  Section name                           rectangle

 Material name                          m:copper

 Bar orientation                         <-1 0 0>coord 1

Ok

  Select application region:                 ele 2401:2496

  Ok

  Apply

  3.4 固定边界条件建立

⏹  Loads/BCs

Action:    create     

Object:     displacement

Method:    nodal     

New set name:    fixed_node

Input data

Translation    <0,0,0>

Rotations    < ,  , >

Analysis coordinate frame:    coord 0

Ok

Selet applicaytion region…

⏹FEM

   Application region:    node 1:29:4

   Add  

Ok   

Apply 

图3-6固定边界加载完成

3.5 建立壳内表面压力场

1.创建一个变化的标量场

⏹Field 

Action:    create

Object:    spatial

Method:    pcl function

Field name:    linear_load

Field type:    scalar

Coordinate system type:    Real

Coordinate system:    coord 0    

Scalar function:    200*abs(‘Y)

Apply

Create the pressure load that will reference the field function.

⏹Loads/BCs

Action:    create        

Object:     pressure      

Method:    element uniform

New set name:    surface_load  

Target element type:    2D          

Input data

Loads/BCs set scale factor    1         

Pressure:    

Bot surf pressure     f:linear_load

Analysis coordinate frame:    coord 0    

Ok

Selet applicaytion region…

⏹FEM

   Application region:    ele 1:1920

   Add  

Ok   

Apply 

图3-7  内表面加变化的压力载荷

2.压力载荷和边界条件组装到名为“shell_loads”的工况里面。

⏹Load cases

Action:    create         

Load case name:    shell_load      

Type    static          

Assign/prioritize load/BCs:    Disp_fixed_node

    Press_shell_load

Ok   

Apply

3.6 将建好的模型提交给Nastran分析

⏹Analysi

Action:    analyze       

Object:    entire modle   

Method:    full run       

Job name:    cylindrical_shell

Solution type:    linear static    

Subcase select    

Available load cases:    shell_load    

Ok   

Apply

3.7 读取并查看分析结果

⏹Analysis

Action:    access results 

Object:    attach XDB   

Method:    result entities  

Available jobs:    cylindrical_shell

Select results file…

Select results file:    cylindrical_shell.XDB

⏹Results

Action:    create                 

Object:    quick plot              

Select results cases:    cylindracal_shell         

Select fringe result:    stress tensor            

Quanlity:    magnitude             

Select deformation result:         displacements translational

Apply

4.结果分析

  各部位各层应力—变形图如下

图4-1 z1层

图4-2 z2层

图4-3 复合材料第1层

图4-4 复合材料第2层

图4-5 复合材料第3层

图4-6 复合材料第4层

图4-7 复合材料第5层