MSCPATRAN2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

В.Г. Мельников, С.Е. Иванов, Г.И. Мельников, А.С. Моторин.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ В СИСТЕМЕ

MSC PATRAN.

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2014

УДК 531

В.Г. Мельников, С.Е. Иванов, Г.И. Мельников, А.С. Моторин, Лабораторные работы в системе MSC PATRAN.- СПб: НИУ ИТМО, 2014.

–83 с.

Впособии излагаются методические рекомендации по выполнению лабораторных работ в системе инженерного анализа MSC PATRAN.

Пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки “ Управление в технических системах” и магистров, обучающихся по направлению подготовки - "Приборостроение".

Рекомендовано к печати Ученым советом Естественнонаучного факультета

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

© Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2011

© В.Г. Мельников, С.Е. Иванов, Г.И. Мельников, А.С. Моторин, 2014.

2

3

4

Введение.

Впособие приводятся основные лабораторные работы (раздел 1) выполняемые бакалаврами, обучающимися по направлению подготовки

“Управление в технических системах” по дисциплине “ Компьютерные технологии решения уравнений с распределенными параметрами” и расширенные лабораторные работы (раздел 2), выполняемые магистрами, обучающимися по направлению подготовки - "Приборостроение" по дисциплине “ Системы компьютерного моделирования и инженерного анализа”.

Всоответствии с требованиями к результатам освоения основных образовательных программ бакалавриата лабораторные работы 1-3 предназначены для поддержки следующих общепрофессиональных компетенций выпускника: способностью выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат; способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных.

Всоответствии с требованиями к результатам освоения основных образовательных программ магистратуры лабораторные работы 4-8 предназначены для поддержки следующих общепрофессиональных компетенций выпускника: способность использовать результаты освоения фундаментальных и прикладных дисциплин магистерской программы; способность осознать основные проблемы своей предметной области, определить методы и средства их решения.

Лабораторные работы выполняются в комплексе конечно-элементного анализа MSC.Patran-Nastran, который обеспечивает проведение всех этапов лабораторной работы и экспериментального исследования. Программный комплекс MSC.Patran-Nastran обеспечивает полный набор расчетов, включая расчет напряженно-деформированного состояния, запасов прочности, исследование установившихся и неустановившихся динамических процессов, собственных частот и форм колебаний, анализ устойчивости объектов, решение задач теплопередачи, акустических явлений, нелинейных статических состояний и колебаний, переходных процессов, анализ сложного контактного взаимодействия, расчет критических частот и вибраций роторных машин. В программном комплексе применяется автоматическая оптимизация параметров, формы и топологии конструкций. Широкие возможности оптимизации позволяют использовать программный комплекс для автоматической идентификации компьютерной расчетной модели и планирования экспериментов. Программный комплекс MSC.Patran-Nastran предоставляет возможности расчёта характеристик работы конструкций из композиционных материалов и позволяет решать задачи моделирования систем управления, систем терморегулирования.

5

Табл 1.1. Геометрические размеры бруса по вариантам

1.3. Порядок выполнения работы.

В работе одноосное напряженное состояния бруса моделируется двумя подходами, в соответствии с двумя вариантами его конечноэлементного представления. Первым вариантом является одномерная геометрическая модель, составленная из конечных элементов стержневого типа Rod. Вторым вариантом модели является трехмерная геометрическая модель бруса, составленная из трехмерных конечных элементов - тетраэдров Tet10. По результатам компьютерного расчета двух вариантов конечноэлементных моделей в MSC.Patran|Nastran и сопоставления их с результатами проверочного аналитического расчета определяются относительные погрешности расчетов.

1.Выбор согласованной системы единиц измерения.

Вкачестве согласованной системы единиц будем применять систему,

обозначаемую в MSC.Patran как «SI (mm-N-Ton)», в которой силы исчисляются в Ньютонах, длины - в миллиметрах, нормальное напряжение σ и модуль Юнга E - в мегапаскалях (МПа).

2.Построение геометрической модели объекта.

Вданной задаче следует задать две альтернативные геометрические модели объекта: одномерную и трехмерную.

7

Y

Z X

Рис 1.2. Одномерная и трехмерная геометрические модели бруса в

MSC.Patran

Для построения трехмерной модели бруса воспользуемся библиотекой примитивов MSC.Patran (Geometry|Create|Solid|Primitive). Построим трехмерную модель бруса с началом в нуле глобальной системы отсчета, ось бруса направим вдоль оси X глобальной системы отсчета. Для этого в полях ввода «X Length List», « Y Length List», «Z Length List» необходимо задать длину l бруса (0.1), высоту поперечного сечения h бруса и ширину поперечного сечения b бруса (таблица 1.1),

Одномерной моделью бруса является отрезок длиной l . Для его задания применим метод построения отрезка по двум граничным точкам

(Geometry|Create|Curve|Point), задав в полях ввода «Starting Point List» и «Ending Point List» координаты начала и конца бруса. Построим альтернативную одномерную модель, сонаправленную с трехмерной моделью и расположенную над ней (рисунок 1.3). А именно, в полях ввода граничных точек отрезка зададим следующие числовые значения координат: «Starting Point List»=[0, 2h, 0] , «Ending Point List»= [l, 2h, 0], где

l - длина бруса в соответствии с номером варианта.

В результате получаем две геометрические модели бруса (рисунок 1.2). Следует отметить, что геометрические модели в системах конечноэлементного анализа применяются лишь на начальном этапе решения задачи для построения на ее основе конечноэлементной модели. При наличии конечноэлементного представления объекта этап построения геометрической модели можно пропустить.

3. Разбиение геометрической модели на множество конечных элементов

Для двух построенных геометрических моделей будут применены разные типы конечноэлементного разбиения: одномерная геометрическая модель будет разбита на одномерные стержневые конечные элементы Rod, трехмерная геометрическая модель будет разбита на трехмерные конечные элементы Tet (рисунок 1.4).

8

123456

123456

123456

123456

123456

50000.

50000.

50000.

50000.

50000.

Y

Z X

Рис 1.5. Одномерная и трехмерная модели с заданными граничными условиями и приложенной растягивающей нагрузкой

Приложенная к стержню сила задается аналогично, проекциями на координатные оси глобальной системы координат < Fx , Fy , Fz > которые в

данной задаче имеют вид < 50000, 0, 0>.

Одномерная и трехмерная модели с приложенными растягивающей нагрузкой и заданными граничными условиями показаны на рисунке 1.5., где граничные условия вида «123456» обозначают ограничение всех шести степеней свободы в соответствующих узлах двух моделей, а вектора с числовыми значениями 50000 обозначают приложенную растягивающую нагрузку.

5. Моделирование материалов.

Для задания свойств материала бруса воспользуемся встроенной в MSC.Patran библиотекой материалов. Из главного меню программы перейдем в библиотеку материалов

Utilites|Materials|MaterialSessionFileLibrary и выберем материал в соответствующей системе единиц. Для стального бруса, рассматриваемого в системе единиц СИ (мм-Н-тонны), выберем материал «steel-iso-SI-mm-N- Ton». Материал появится в списке доступных материалов меню Materials, значения заданных в нем библиотечных констант можно посмотреть или скорректировать после двойного клика на его названии. В частности, библиотечное значение модуля нормальной упругости, заданное для материала «steel_iso_SI_mm_N_Ton», равно E = 210000 МПа.

6. Задание свойств конечных элементов.

Задаваемые свойства элементов и их минимальный набор существенно различаются от вида конечноэлементного разбиения объекта. В частности, как показано ниже они различаются для одномерных и трехмерных элементов.

10