【转帖】CATIA与MSC.Nastran的联合应用

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CATIA与MSC.Nastran的联合应用
www.iCAD.com.cn  2003-6-17  CAD世界
  
一、前言
CATIA的造型功能十分强大，但在基于Windows平台的V5版本中，其有限元分析模块还不很完善。所以对于复杂零件，采用CATIA建模、MSC.Nastran进行有限元分析的方法具有很强的实际意义。CATIA向MSC.Patran中传递数据的文件格式有很多种，经过验证，采用CATPART、CATIA MODEL和STP格式传递模型的格式比较有效，其他格式可能会出现数据丢失现象。
蒙皮长桁结构是飞机机翼的常用结构，包括蒙皮、缘条、填充结构、腹板和加强片五个部分，它的三视图和结构图如图1所示。本文将以此结构为例说明CATIA向MSC.Patran中传递数据的方法，并且分别使用CATIA和MSC.Nastran进行有限元分析，并对比它们的计算结果。
  
图1 在CATIA中蒙皮长桁三视图及结构图
二、蒙皮长桁结构件的CATIA建模
在MSC.Patran中，几何建模的过程直接服务于有限单元网格的划分，而CATIA中的建模是为了描述实体的几何特征。由于CATIA与MSC.Patran在建模方式上存在差异，因此在CATIA中必须以一定的方式建立模型，在MSC.Patran中才能分析和计算。针对蒙皮长桁结构，需将此部件分成31个实体才能在MSC.Patran中实现网格划分与计算。由于缘条与腹板连接处存在三角填充结构，因此蒙皮、腹板和缘条需要划分成很多个实体（以不同颜色表示），以便在MSC.Patran中可以方便地划分单元格，如图2所示。图3是在CATIA中建立的蒙皮长桁结构的左视图、正视图、顶视图和底视图。
  
图2 CATIA中建立的实体  
  
a)左视图 b)正视图
  
c)顶视图 d)底视图
图3 蒙皮长桁结构视图
由于在几何实体的描述方式上存在巨大差异，将CATIA建立的模型转换到MSC.Patran中时，无论采用哪种中间格式，都是以实体作为基本的传递单元，实体内部的信息无法显性地表达出来。例如，CATIA中一个3层板结构的实体转换到MSC.Patran中就变成了一个单层板结构的实体，原来的分层信息全部丢失。如果需要保留原来的分层信息，就必须在CATIA中将包含三层板的单个实体转化为单层板的三个实体。为了获得比较高的网格质量，需要使用六面体和五面体划分网格，而不规则的几何形体是无法使用六面体或者五面体来划分单元格的，所以必须将缘条以及缘条与腹板的连接部划分为几个规则实体。同时考虑到蒙皮与缘条以及加强片与腹板之间有限单元格的连续性，也必须将蒙皮和腹板划分为几个实体。
三、蒙皮长桁结构件的应力分析
1．采用MSC.Nastran对蒙皮长桁结构件进行应力分析
将CATIA中建立的模型读入MSC.Patran，以实体为单元划分有限元网格。鉴于形状的限制，对三角填充结构实体使用五面体单元划分，而其余实体都采用六面体单元划分。对腹板与缘条连接拐角处，由于可能出现应力集中，应该将网格细化。蒙皮长桁结构的有限元网格图如图4所示。
为了方便与CATIA的分析结果对比，将蒙皮长桁结构的材料都取为钢，弹性模量210GPa，泊松比0.3。蒙皮的两个侧面固支，在腹板顶部每个节点上施加载荷，合力1920N，方向沿Z轴正方向。使用MSC.Nastran进行分析，在MSC.Patran中生成应力、位移云纹图，如图5所示。
  
图4 MSC.Patran中有限元网格
  
图5 MSC.Patran中应力云纹图与位移云纹图
2．采用CATIA对蒙皮长桁结构件进行应力分析
目前CATIA V5版本的分析模块还只能分析各向同性材料结构件，在CATIA V4版本中功能强大的复合材料分析模块还未加入到CATIA V5版本中。对三维实体进行分析时，能选择的单元形式只有四面体单元，所以在分析精度上与MSC.Nastran还有较大差距。不过在单元类型选择中，有一种“Parabolic”四面体单元，也就是一种曲面四面体单元。用这种单元来描述不规则实体，例如腹板与缘条的连接拐角，精度要比“Linear”四面体高得多，但计算时间同时也呈几何级数的增加。对可能出现应力集中的地方，可以定义局部的网格密度。在CATIA中划分的有限元网格如图6所示。
将蒙皮长桁结构的材料都取为钢，弹性模量210GPa，泊松比0.3。蒙皮的两个侧面固支，在腹板顶部施加均布载荷，合力1920N，方向沿Z轴正方向。进行有限元分析，得出应力和位移云纹图，如图7所示。
  
图6 CATIA中划分有限元网格
  
图7 CATIA中的应力云纹图与位移云纹图
四、结果分析与结论
采用MSC.Nastran进行应力、位移分析已成为航天航空工程界的标准。将CATIA分析结果与MSC.Nastran分析结果对比，可以检验CATIA分析结果的好坏。对比图5和图7可以看到，应力和位移的分布规律基本上是一样的。为了精确地比较两次分析结果，在模型上沿腹板与缘条连接处画一条曲线，如图8所示。
在整个结构中，极限应力出现在该区域，所以此区域的应力分布能够大概体现整个模型的应力状态。对两次分析的结果，沿着此曲线分析对比应力与位移的变化。沿此曲线取10个节点，由于有限单元格划分方式不同，节点位置无法完全一致。按照从腹板到缘条的顺序依次确定每一节点的应力，并将其拟合为曲线，如图9所示。将两次分析结果中每一节点的位移值拟合为曲线，如图10所示。
  
图8 腹板与缘条连接处
  
图9 应力分布曲线 图10 位移分布曲线
从图9和图10中可以看出，采用CATIA与MSC.Nastran进行分析所得应力、位移分布曲线的变化趋势是基本一致的，但是在具体的数值上还存在一定的差异。由此可以得出以下几点结论。
(1) 因为CATIA的建模功能比较强大，而分析功能有限，所以采用CATIA的建模功能和MSC.Nastran的分析功能相结合的方法解决比较复杂的工程实际问题是可行的。
(2) 采用特定的中间格式，可以将CATIA建立的模型转化到MSC.Patran中。为了方便在MSC.Patran中进行有限单元格划分，必须以一定的方式建立几何模型，并将其分为若干个实体，同时还要考虑各个实体有限单元格之间的连接问题。
(3) CATIA与MSC.Patran之间的文件传递格式还有值得改进的地方。目前，从CATIA向MSC.Patran仅可传递实体信息。希望随着CAD/CAM/CAE技术的发展，以后可以实现其他的几何信息传递；分析后的模型传回CATIA中的再修改；生成的工程图显示剖面信息等。
  
原作者：□ 黄聪 刘兵山 燕瑛 韩凤宇 王立朋 成传贤
来 源：不详

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