加强筋板料的理论分析

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1、3.4Patran分析的基本理论3.4.1Patran分析的三个基本阶段本文以带加强筋的S型弧面板弹簧作为研究对象，以MSC.PATRAN/NASTRAN为建模和计算工具，对其整体结构进行有限元分析，得到在各种工况下较为精确的应力及位移情况。MSC.Patran有限元软件在解决静力问题时的三个基本阶段：（1）前处理：读入或创建几何模型，设定材料和单元属性，施加载荷以及边界条件，进行有限元网格的划分。Patran软件能自动地划分大部分有限元网格，但必须提供相应的指令和设置参数。前处理过程中，每进行下一步操作前，都必须确保输入数据的正确性。

2、（2）数值分析：软件自动生成描述单元性能的矩阵，并把这些矩阵组合成表示有限元结构的大型矩阵方程，然后进行求解，得到每个节点上的场量值。（3）后处理：有限元解和由它得到的数值被列出来或者用图示的形式显示出来。Patran后处理过程中除了列出或显示的变量外，其他操作都是自动的。在应力分析中，典型的显示包括动画、等值线、X-Y曲线图、云纹图等后处理功能。3.4.2Patran分析的一般流程Patran建模和分析的一般流程，归纳如图3-2所示。图3-2静力分析流程图3.5板弹簧静载有限元模拟过程3.5.1单位制的选择在有限元分析之前，首先要选择

3、一套封闭的单位制，否则无法得到准确的结果，失去应有的意义。表3-1提供了PATRAN最常用的两套单位制。表3-1两套常见的单位制本次分析选择的一套封闭的单位制为“mm，MPa，N”。3.5.2分析解算器的确定在创建分析模型前，首先要确定分析的类型，再根据所要进行的分析类型选用合适的解算器。MSC.PATRAN/NASTRAN软件提供了多种解算器，如ABAQUS、ANSYS5、MSC.Marc、MSC.Nastran、MSC.Dytran、LS-DYNA3D等。MSC.Nastran解算器是软件默认的解算器，本次模拟过程中也选用该解算器作

4、为计算工具。Nastran的静力分析功能支持全范围的材料模式，包括各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。分析类型除了最基本的线性分析、还有非线性分析、塑性、蠕变等。3.5.3有限元模型的建立建立贴近实际的几何模型是进行有限元分析的基础，同时对有限元分析结果的精确性也具有重要的意义。为获得较高精度的几何模型，要严格按照尺寸图的规格建立。S型弧面板弹簧板宽为150.00mm，展开总长为227.00mm，厚度为0.70mm，形状如图3-3所示。a)原始形状b)起筋形状图3-3S型弧面板弹簧基于材料是均匀且各向同性、

5、没有任何缺陷和损坏的假设条件下建立有限元分析模型。材料表面的划痕或加工痕迹等因素可能导致在分析过程中出现额外的应力，影响分析结果。在有限元分析中，网格划分是一个非常重要的环节。网格划分的合理性有利于提高模拟结果的准确性和减少计算时间。确定划分方法，输入划分网格参数，首先对整个对象进行粗略划分。由于S弯处是主要的分析部位，在粗划分的基础上进一步细划分。有限元模型的创建可以通过网格划分参数的改变而发生改变。如果网格尺寸过大，则有可能分析的精度不高导致结果不够精确；如果尺寸过小，则计算时间将会延长，浪费资源。因此，细化的网格尺寸适中是确保计算

6、准确又不失资源的前提。c图为经过Patran软件划分的整体有限元模型，为了查看该网格划分的质量，通过Tool工具栏中checkelems检查的网格均为六面体网格，由此可判断出网格质量较好，网格划分如图3-4所示。(a)S弯未细化网格(b)S弯细化网格(c)细化网格的有限元整体结构图3-4有限元模型3.5.4材料属性任何实体都是由各种材料构成的，材料是实际结构的承载体，Patran软件支持多种材料本构关系的定义。在静载分析过程中，需要定义材料的弹性模量和泊松比。这两个参数可由单向拉伸试验测得，如表3-2所示0Cr17Ni7Al不锈钢主要的

7、性能参数[56]。表3-20Cr17Ni7Al不锈钢各项材料性能参数为了与建模时的单位制保持一致，与之相对应的弹性模量，泊松比，屈服应力。3.5.5边界条件与载荷的设置边界条件是对模型的某一部分施加约束，使其保持不变（零位移）或移动给出量的位移（非零位移）。在静态分析工程中需要设置足够的边界条件，以防止模型在任意方向上产生移动或转动，否则，在计算过程中求解器将会中断而使模拟过程过早结束。载荷是指直接或间接作用于结构上，使结构内部产生内力（如轴力，弯矩，剪力，扭矩等）和变形（如转角，裂缝等）。只有施加与实际相符的受力情况才能得到正确的分析

8、结果。如图3-3所示，板料上端面通过四个螺栓孔与汽车轮毂相连接，为了简化模型，在建模时将上部端面的四个螺栓孔补充完整，对应位置进行相应的约束。由于固定于轮毂上，所以上部端面在、、三个方向的位移和转动均为零。