МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ MSC NASTRAN Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний САМАРА Издательство СГАУ 2010 УДК СГАУ: 629.7 ББК 39.53 Составители: В.А. Комаров, А.А. Вырыпаев, А.С. Кузнецов, Л.В. Одинцова. Конечно-элементное моделирование авиационных конструкций в программном комплексе MSC NASTRAN: метод. указания / сост. [А.С. Кузнецов и д.р.]. – Самара : Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2010. – 69 с. В настоящее время метод конечных элементов является универсальным средством анализа конструкций, и среди многообразия CAD/CAM/CAE – программ пакеты конечно-элементного анализа играют важную роль. Для их эффективного применения требуется более профессиональная подготовка, чем для изучения интерфейса и шаблонных приѐмов работы. В методических указаниях рассматриваются инструменты работы в программе MSC/Nastran. Разбираются примеры создания МКЭ модели трапециевидного крыла. Проводится расчѐт и анализ результатов. Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 220305.65 - Автоматизированное управление жизненным циклом продукции по дисциплине «Автоматизация проектирования изделий». Также методические указания могут быть использованы для подготовки сотрудников сторонних организаций. Разработаны на кафедре «Конструкция и проектирование летательных аппаратов» СГАУ. © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2010 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение ..................................................................................................... 4 1 Интерфейс программного комплекса MSC.Nastran for Windows ......... 5 1.1 Рабочее окно программы .................................................................. 5 1.2 Обзор команд меню .......................................................................... 6 2 Инструменты создания конечно-элементной модели ......................... 16 2.1 Основы геометрического моделирования ..................................... 16 2.1.1 Создание точек .......................................................................... 16 2.1.2 Создание линий, окружностей и дуг ........................................ 17 2.1.3 Создание сплайнов .................................................................... 21 2.1.4 Создание поверхностей ............................................................ 24 2.2 Параметры конечно-элементной модели ....................................... 29 2.2.1 Создание материала и свойств ................................................. 29 2.2.2 Создание узлов и элементов ..................................................... 32 2.3 Автоматическое создание сетки ..................................................... 33 3 Инструменты задания граничных условий. Анализ ............................ 37 3.1 Задание нагрузок .......................................................................... 37 3.2 Задание граничных условий ........................................................ 38 3.3 Расчѐт конечно-элементной модели ........................................... 39 4 Инструменты просмотра результатов расчѐта ..................................... 41 5 Пример создания КЭМ крыла самолѐта с помощью программного комплекса MSC.Nastran ..................................................................................... 44 5.1 Импорт геометрии ........................................................................... 44 5.2 Создание конечно-элементной сетки ............................................. 45 5.2.1 Создание материала и свойств элементов ............................... 45 5.2.2 Разбиение лонжеронов на элементы ........................................ 49 5.2.3 Разбиение стрингеров на элементы ......................................... 53 5.2.4 Создание элементов нервюр..................................................... 54 5.2.5 Моделирование элементов обшивки ....................................... 56 5.3 Задание граничных условий модели .............................................. 57 5.4 Расчѐт и анализ результатов ........................................................... 62 Заключение ............................................................................................... 68 3 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время метод конечных элементов является универсальным средством анализа конструкций, и среди многообразия CAD/CAM/CAE – программ пакеты конечно- элементного анализа играют важную роль. Для их эффективного применения требуется более профессиональная подготовка, чем для изучения интерфейса и шаблонных приѐмов работы. В сущности, не имеет значения, какой пакет программ использовать, чтобы освоить расчѐт конструкций методом конечных элементов. Это могут быть известные коммерческие пакеты, например ANSYS, MSC/NASTRAN, MSC/MARC, ABAQUS, SAMCEF, или программы, разработанные в нашей стране – РИПАК, ДИАНА, Лира, МАРС. Главное, это соотношение «качество/цена». Одним из лучших соотношений «качество/цена» обладает пакет программ MSC.visualNASTRAN for Windows. Этот пакет соединяет в себе две программы – программу интерактивного создания и сопровождения расчѐтной модели FEMAP и программу анализа MSC/NASTRAN. В пособии описан интерфейс и основные инструменты работы в пакете MSC.visualNASTRAN for Windows. Также представлен пример создания конечно- элементной модели (КЭМ) крыла. В настоящее время в авиационной индустрии актуален вопрос конечно- элементного анализа авиационных конструкций, в связи с бурным развитием и широким применением в этой отрасли информационных технологий. Пособие может быть использовано инженерами авиационных конструкторских бюро и предприятий, для повышения своих навыков разработки авиационных конструкций, а так же студентами авиационных и других технических специальностей. 4 1 ИНТЕРФЕЙС ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА MSC.NASTRAN FOR WINDOWS 1.1 Рабочее окно программы Интерфейс пользователя включает в себя графический интерфейс, команды FEMAP, стандартные диалоговые окна и инструменты FEMAP, такие как рабочая плоскость, слои и т.д. Графический интерфейс выполнен в стандарте Windows. Все элементы среды моделирования FEMAP объединяет главное окно (см. Рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Главное окно и среда моделирования программы FEMAP Кроме главного окна FEMAP использует одно или несколько графических окон и окно сообщений. Главное меню содержит группы команд – File, Tools и т.д. Каждый элемент сопровождается выпадающим меню со списком команд, некоторые из которых имеют подменю. 5 Панель инструментов содержит кнопки, дублирующие команды меню View, которые связаны с опциями отображения модели, а также несколько команд меню File (см. Рисунок 1.2). Рисунок 1.2 – Панель инструментов Панель команд (Toolbar) содержит переключающиеся панели инструментов, дублирующих основные команды меню. Графическое окно служит для отображения модели и результатов расчѐта. Окно сообщений служит для отображения текстовой информации, которая генерируется во время работы. Статусная строка, находящаяся внизу, выполняет несколько функций: в частности, в этой строке находится справочная информация о модели. При установке курсора на кнопке панели инструментов или панели команд в статусной строке появляется краткое описание функции данной кнопки. При нажатии правой кнопки мыши появляется контекстное меню. Состав контекстного меню меняется в зависимости от места нажатия. 1.2 Обзор команд меню По каждому пункту меню разберѐм наиболее интересующие нас команды. Меню File (Файл) содержит команды для создания новых файлов, открытия существующих, экспорта/импорта, печати и т.д. (см. Рисунок 1.3):  New (Новый) – создание нового файла модели с расширением .mod; 6  Open (Открыть) – Открытие существующего файла модели с расширением .mod;  Save (Сохранить) – сохранение текущего файла, находящегося в среде моделирования;  Save As (Сохранить как) – сохранение текущего файла под новым именем; Рисунок 1.3 – Меню File  Import (Импорт) – импортирование геометрии, конечно-элементной модели и результатов расчѐтов из различных форматов. Подменю показано на рисунке 1.4 (см. Рисунок 1.4); Рисунок 1.4 – Подменю Import 7  Export (Экспорт) – экспортирование модели, находящейся в среде моделирования, в файлы различных форматов. Подменю показано на рисунке 1.5 (см. Рисунок 1.5); Рисунок 1.5 – Подменю Export  Analyze (Анализ) – расчѐт конечно-элементной модели;  Picture (Изображение) – работа с изображением графического окна. Позволяет сохранить изображение в различные форматы;  Program (Программа) – предоставляется возможность создания, редактирования и выполнения программ на языке Basic;  Rebuild (Перестроить) – проверка целостности текущей модели и сжатия базы данных, хранящейся в файле модели с расширением *.mod, при котором уменьшается размер файла;  Preferences (Установки) – настройка основных параметров среды моделирования;  Exit (Выход) – завершение работы с программой, сопровождающейся запросом на сохранение изменений в модели. В группе команд меню Tools (Инструменты) сосредоточены различные сервисные средства для работы с моделью (см. Рисунок 1.6): 8 Рисунок 1.6 – Меню Tools  Workplane (Рабочая плоскость) – при выборе команды появляется окно Workplane Management (Управление рабочей плоскостью) (см. Рисунок 1.7), используя которое можно определить рабочую плоскость редактирования геометрии модели;  Advanced Geometry (Расширенные средства геометрии) – опция включения или отключения команд твердотельного моделирования; Рисунок 1.7 – Окно Управление рабочей плоскостью  Toolbox (Панель инструментов) – опция включения/отключения дополнительных панелей инструментов (см. Рисунок 1.8), для ускорения доступа к командам меню; 9 Рисунок 1.8 – Панель инструментов  Parameters (Параметры) – команда для быстрого доступа к списку значений основных характеристик текущей модели и его изменению;  Variables (Переменные) – задание переменных или констант модели;  Layers (Слои) – определение слоѐв для работы со сложными геометрическими моделями;  Distance (Расстояние) – измерение расстояния между задаваемыми точками модели или графического окна;  Angles (Углы) – измерение углов;  Mass Properties (Массовые характеристики) – измерение длин, площадей, объѐмов, масс, моментов инерции и иных показателей объектов модели;  Check (Контроль) – проверка и устранение возможных несоответствий (совпадающие точки, узлы, элементы и т.д.) в модели, препятствующих еѐ нормальному расчѐту. Geometry (Геометрия) – меню, в котором сосредоточены основные средства для разработки геометрической модели (см. Рисунок 1.9) – создание точек, линий, поверхностей, объѐмов, твѐрдых тел, а также различные способы копирования объектов геометрии. 10