CATIA与MSC的联合应用

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1、CATIA与MSC.Nastran的联合应用www.icad.com.cn  2003-5-19  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、CATIAMODEL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

2、、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

3、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2CATIA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

4、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.Nas

5、tran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

6、、位移云纹图，如图5所示。图4MSC.Patran中有限元网格图5MSC.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CATIAV5版本的分析模块还只能分析各向同性材料结构件，在CATIAV4版本中功能强大的复合材料分析模块还未加入到CATIAV5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

7、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6CATIA中划分有限元网格图7CATIA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.Nastra

8、n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