彈性力學(xué)仿真軟件：MSC Nastran：材料屬性與單元類型選擇

彈性力學(xué)仿真軟件：MSCNastran：材料屬性與單元類型選擇1彈性力學(xué)仿真軟件：MSCNastran：材料屬性與單元類型選擇1.1簡(jiǎn)介1.1.1MSC_Nastran概述MSCNastran是一款廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、電子等行業(yè)的高級(jí)有限元分析軟件。它由MSCSoftware開發(fā)，能夠進(jìn)行線性和非線性靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)以及多體動(dòng)力學(xué)等多領(lǐng)域的仿真分析。MSCNastran的核心優(yōu)勢(shì)在于其強(qiáng)大的求解器和廣泛的單元庫，能夠處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，提供精確的解決方案。1.1.2彈性力學(xué)仿真基礎(chǔ)彈性力學(xué)仿真主要關(guān)注材料在受力作用下的變形和應(yīng)力分布。在有限元分析中，結(jié)構(gòu)被離散成多個(gè)小單元，每個(gè)單元的材料屬性和幾何形狀被定義，然后通過求解器計(jì)算整個(gè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。基本的彈性力學(xué)原理包括胡克定律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、平衡方程和邊界條件。在MSCNastran中，用戶可以定義材料屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，并選擇合適的單元類型，如殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧龋瑏頊?zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的行為。1.2材料屬性定義在MSCNastran中，材料屬性的定義是通過MAT1卡來完成的，適用于各向同性材料。MAT1卡需要指定材料的彈性模量（E）、泊松比（NU）、密度（RHO）等參數(shù)。**Example:定義一個(gè)各向同性材料**

MAT1,1001,3.0E7,0.3,0.3E-3MAT1表示材料類型。1001是材料的唯一標(biāo)識(shí)符。3.0E7是彈性模量（E），單位為psi。0.3是泊松比（NU）。0.3E-3是密度（RHO），單位為lb/in^3。1.3單元類型選擇選擇正確的單元類型對(duì)于準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。MSCNastran提供了多種單元類型，包括：實(shí)體單元（C3D8）：適用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析。殼單元（CQUAD4）：用于薄殼和板結(jié)構(gòu)的分析。梁?jiǎn)卧–BAR）：適用于梁和框架結(jié)構(gòu)的分析。1.3.1實(shí)體單元示例實(shí)體單元（如C3D8）用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析，能夠準(zhǔn)確模擬材料的體積變形。**Example:定義一個(gè)C3D8實(shí)體單元**

CTETRA,10001,1001,1,2,3,4CTETRA表示單元類型為四面體實(shí)體單元。10001是單元的唯一標(biāo)識(shí)符。1001是材料屬性的引用。1,2,3,4是組成單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。1.3.2殼單元示例殼單元（如CQUAD4）用于薄殼和板結(jié)構(gòu)的分析，能夠模擬彎曲和剪切變形。**Example:定義一個(gè)CQUAD4殼單元**

CQUAD4,10002,1001,1,2,3,4CQUAD4表示單元類型為四邊形殼單元。10002是單元的唯一標(biāo)識(shí)符。1001是材料屬性的引用。1,2,3,4是組成單元的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。1.3.3梁?jiǎn)卧纠簡(jiǎn)卧ㄈ鏑BAR）用于梁和框架結(jié)構(gòu)的分析，能夠模擬軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。**Example:定義一個(gè)CBAR梁?jiǎn)卧?*

CBAR,10003,1001,1,2CBAR表示單元類型為梁?jiǎn)卧?0003是單元的唯一標(biāo)識(shí)符。1001是材料屬性的引用。1,2是組成單元的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)。1.4結(jié)構(gòu)分析流程在MSCNastran中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基本流程包括：模型建立：定義幾何、材料屬性和單元類型。網(wǎng)格劃分：將結(jié)構(gòu)離散成有限元網(wǎng)格。加載和邊界條件設(shè)置：施加載荷和定義邊界條件。求解：運(yùn)行分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。結(jié)果后處理：查看和分析結(jié)果，如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等。1.5結(jié)論通過合理定義材料屬性和選擇合適的單元類型，MSCNastran能夠高效準(zhǔn)確地進(jìn)行彈性力學(xué)仿真分析。掌握這些基本概念和操作是進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。請(qǐng)注意，上述示例中的代碼和數(shù)據(jù)樣例是基于MSCNastran的標(biāo)準(zhǔn)輸入格式，即BulkDataFormat。在實(shí)際應(yīng)用中，這些參數(shù)需要根據(jù)具體問題和材料特性進(jìn)行調(diào)整。2彈性力學(xué)仿真軟件：MSCNastran：材料屬性定義2.1材料屬性輸入方法在MSCNastran中，材料屬性的輸入主要通過定義材料卡片來實(shí)現(xiàn)。這些卡片允許用戶指定材料的彈性、塑性、熱學(xué)等特性。最常用的材料卡片是MAT1，適用于各向同性材料。2.1.1示例：定義一個(gè)各向同性材料$定義材料屬性，材料ID為1，各向同性材料

MAT1(1)

1.0,0.3,29000000,0.3,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

$E1為彈性模量，G12為剪切模量，NU12為泊松比，RHO為密度在上述代碼中，MAT1卡片用于定義各向同性材料，其中1.0是材料ID，29000000是彈性模量（E1），0.3是泊松比（NU12），0.3是密度（RHO）。這些參數(shù)是材料的基本屬性，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移。2.2常見材料屬性參數(shù)2.2.1彈性模量（E）彈性模量是材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，表示材料抵抗彈性變形的能力。2.2.2泊松比（NU）泊松比是材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的絕對(duì)值比，反映了材料在受力時(shí)橫向收縮的程度。2.2.3密度（RHO）密度是材料單位體積的質(zhì)量，用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的重量和慣性。2.2.4剪切模量（G）剪切模量是材料抵抗剪切變形的能力，是彈性模量和泊松比的函數(shù)。2.3復(fù)合材料定義復(fù)合材料在MSCNastran中通常使用MAT8卡片定義，可以指定各層材料的屬性和厚度。2.3.1示例：定義一個(gè)復(fù)合材料$定義復(fù)合材料屬性，材料ID為101

MAT8(101)

1.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

29000000,0.3,0.3,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

10.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

$第一層材料ID為1，厚度為10.0

PLY1(1)

101,1,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

$第二層材料ID為2，厚度為5.0

PLY1(2)

101,2,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0在上述代碼中，MAT8卡片用于定義復(fù)合材料，101是復(fù)合材料ID。PLY1卡片用于定義復(fù)合材料的每一層，其中1和2是層ID，分別對(duì)應(yīng)不同的材料ID和厚度。復(fù)合材料的每一層可以有不同的材料屬性，通過這種方式，可以模擬具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和性能的復(fù)合材料。2.4單元類型選擇在定義材料屬性后，選擇合適的單元類型對(duì)于準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。MSCNastran提供了多種單元類型，包括殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧取?.4.1殼單元（SHELL）殼單元用于模擬薄板和殼體結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)蒙皮、汽車車身等。常見的殼單元類型有CQUAD4和CTRIA3。2.4.2實(shí)體單元（SOLID）實(shí)體單元用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，如發(fā)動(dòng)機(jī)部件、連接件等。常見的實(shí)體單元類型有CHEXA和CTETRA。2.4.3梁?jiǎn)卧˙EAM）梁?jiǎn)卧糜谀M長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，如橋梁、框架等。常見的梁?jiǎn)卧愋陀蠧BAR和CBEAM。2.4.4示例：定義一個(gè)四邊形殼單元$定義四邊形殼單元，單元ID為1001

SHELL(1001)

1001,1,101,0.1,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0

1,2,3,4

$1,2,3,4是節(jié)點(diǎn)ID，101是材料ID，0.1是厚度在上述代碼中，SHELL卡片用于定義四邊形殼單元，1001是單元ID，101是材料ID，0.1是厚度。節(jié)點(diǎn)ID1,2,3,4定義了殼單元的幾何形狀。2.5結(jié)論在MSCNastran中，正確定義材料屬性和選擇合適的單元類型是進(jìn)行彈性力學(xué)仿真分析的基礎(chǔ)。通過上述示例，我們可以看到如何定義各向同性材料、復(fù)合材料以及如何選擇和定義殼單元。這些知識(shí)將幫助工程師們更準(zhǔn)確地模擬和分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。3彈性力學(xué)仿真軟件：MSCNastran：?jiǎn)卧愋瓦x擇3.1單元類型概述在進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析時(shí)，選擇正確的單元類型是確保分析準(zhǔn)確性和效率的關(guān)鍵步驟。MSCNastran提供了多種單元類型，包括實(shí)體單元、殼單元、梁?jiǎn)卧?、桿單元、四面體單元等，每種單元都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)。3.1.1實(shí)體單元實(shí)體單元（SolidElements）是三維空間中的六面體或四面體單元，用于模擬具有三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的物體。它們能夠準(zhǔn)確地表示物體的體積和形狀，適用于需要考慮物體內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變分布的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析。3.1.2殼單元?dú)卧⊿hellElements）是用于模擬薄殼結(jié)構(gòu)的二維單元，它們?cè)诤穸确较蛏现挥幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，可以大大減少模型的自由度，提高計(jì)算效率。殼單元適用于薄板、殼體、曲面等結(jié)構(gòu)的分析，能夠有效地模擬彎曲、剪切和膜應(yīng)力。3.2實(shí)體單元與殼單元對(duì)比實(shí)體單元和殼單元在結(jié)構(gòu)仿真中扮演著不同的角色，它們的主要區(qū)別在于：自由度：實(shí)體單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，而殼單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上通常只有三個(gè)平移自由度。厚度表示：實(shí)體單元通過單元的三維體積來表示厚度，而殼單元通過單元的屬性直接定義厚度。計(jì)算效率：由于殼單元的自由度較少，它們?cè)谟?jì)算時(shí)通常比實(shí)體單元更高效。適用場(chǎng)景：實(shí)體單元適用于需要詳細(xì)分析內(nèi)部應(yīng)力的厚結(jié)構(gòu)，而殼單元適用于薄殼結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)機(jī)翼、汽車車身等。3.2.1選擇原則結(jié)構(gòu)厚度：如果結(jié)構(gòu)厚度遠(yuǎn)小于其平面尺寸，應(yīng)優(yōu)先考慮使用殼單元。應(yīng)力分析需求：如果需要分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部的詳細(xì)應(yīng)力分布，實(shí)體單元是更好的選擇。計(jì)算資源：在資源有限的情況下，殼單元因其較低的自由度而成為更優(yōu)的選擇。3.3選擇合適單元類型的方法選擇合適的單元類型需要考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料屬性、載荷條件和分析目標(biāo)。以下是一些基本的指導(dǎo)原則：分析目標(biāo)：確定分析的主要目標(biāo)，如是進(jìn)行靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析還是熱分析。結(jié)構(gòu)特性：評(píng)估結(jié)構(gòu)的厚度、幾何復(fù)雜度和材料屬性。載荷條件：考慮載荷的類型和分布，以及邊界條件。網(wǎng)格劃分：根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸和分析精度要求，選擇合適的網(wǎng)格大小和形狀。3.3.1示例：選擇單元類型進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼分析假設(shè)我們正在使用MSCNastran進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)分析。機(jī)翼的厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度和寬度，因此殼單元是首選。此外，機(jī)翼承受的載荷主要是空氣動(dòng)力學(xué)載荷，這些載荷主要作用在機(jī)翼的表面，進(jìn)一步支持了使用殼單元的決定。在MSCNastran中，定義殼單元可以使用PSHELL屬性卡，該卡用于指定殼單元的材料屬性和厚度。例如：PSHELL,1,1,0.005這里，PSHELL定義了一個(gè)殼單元屬性，1是屬性ID，第二個(gè)1是材料屬性ID，0.005是殼單元的厚度。接下來，使用CQUAD4或CTRIA3單元類型來創(chuàng)建殼單元網(wǎng)格。CQUAD4是四邊形殼單元，而CTRIA3是三角形殼單元。選擇哪種單元類型取決于機(jī)翼的幾何形狀和網(wǎng)格劃分策略。CQUAD4,1001,1,1,2,3,4在這個(gè)例子中，CQUAD4定義了一個(gè)四邊形殼單元，1001是單元ID，1是屬性ID，1,2,3,4是構(gòu)成單元的四個(gè)節(jié)點(diǎn)ID。通過以上步驟，我們可以有效地在MSCNastran中選擇和定義殼單元，進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼的結(jié)構(gòu)分析。以上內(nèi)容詳細(xì)介紹了在MSCNastran中如何選擇實(shí)體單元和殼單元，以及如何定義殼單元屬性和創(chuàng)建殼單元網(wǎng)格。通過遵循這些指導(dǎo)原則和示例，可以確保結(jié)構(gòu)仿真分析的準(zhǔn)確性和效率。4案例分析4.1材料屬性與單元類型在實(shí)際案例中的應(yīng)用在進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真時(shí)，正確選擇材料屬性和單元類型是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。材料屬性包括彈性模量、泊松比、密度等，這些屬性直接影響結(jié)構(gòu)的剛度、變形和動(dòng)力響應(yīng)。單元類型的選擇則基于結(jié)構(gòu)的幾何形狀、載荷類型和仿真目的，常見的單元類型有殼單元、實(shí)體單元、梁?jiǎn)卧退拿骟w單元等。4.1.1橋梁結(jié)構(gòu)仿真橋梁結(jié)構(gòu)仿真中，材料屬性的設(shè)定需考慮混凝土、鋼材等的特性。例如，混凝土的彈性模量約為30GPa，泊松比約為0.16，而鋼材的彈性模量約為200GPa，泊松比約為0.3。在選擇單元類型時(shí)，對(duì)于橋梁的主梁部分，通常采用梁?jiǎn)卧ㄈ鏑BEAM）來模擬，因?yàn)榱簡(jiǎn)卧軌蚝芎玫夭蹲綇澢团まD(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)于橋面板和橋墩，則可能需要使用殼單元（如CQUAD4）或?qū)嶓w單元（如CTETRA）來更準(zhǔn)確地模擬其行為。4.1.2案例分析：橋梁結(jié)構(gòu)仿真假設(shè)我們要對(duì)一座混凝土橋梁進(jìn)行仿真，橋梁的主梁長(zhǎng)100米，寬2米，高1米。我們將使用梁?jiǎn)卧狢BEAM來模擬主梁，殼單元CQUAD4來模擬橋面板。4.1.2.1材料屬性設(shè)定-材料：混凝土

-彈性模量：30GPa

-泊松比：0.16

-密度：2400kg/m^34.1.2.2單元類型選擇-主梁：CBEAM

-橋面板：CQUAD44.1.2.3仿真設(shè)置在MSCNastran中，我們首先定義材料屬性：MATERIAL,1

EX,30E9,PRXY,0.16,DENSITY,2400.接著，定義梁?jiǎn)卧蜌卧篜SHELL,1,1,0.1

PBEAM,1,1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1這里，PSHELL定義了橋面板的殼單元屬性，PBEAM定義了主梁的梁?jiǎn)卧獙傩浴?.1.2.4載荷和邊界條件我們還需要設(shè)定載荷和邊界條件，例如在主梁的一端施加固定約束，在另一端施加垂直向下的載荷。GRID,1,0,0,0

GRID,2,100,0,0

CBEAM,1,1,2,1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1,0.1

SPC,1,1

FORCE,1,2,0,0,-10000.在上述代碼中，GRID定義了網(wǎng)格點(diǎn)，CBEAM定義了梁?jiǎn)卧?，SPC設(shè)定了邊界條件，F(xiàn)ORCE設(shè)定了載荷。4.2案例分析：飛機(jī)機(jī)翼仿真飛機(jī)機(jī)翼的仿真需要更復(fù)雜的材料屬性和單元類型選擇。機(jī)翼通常由復(fù)合材料制成，其材料屬性在不同方向上可能不同。此外，機(jī)翼的幾何形狀復(fù)雜，可能需要使用四面體單元（如CTETRA）來捕捉其細(xì)節(jié)。4.2.1材料屬性設(shè)定假設(shè)機(jī)翼的復(fù)合材料在纖維方向的彈性模量為150GPa，垂直于纖維方向的彈性模量為10GPa，泊松比分別為0.3和0.25，密度為1500kg/m^3。4.2.2單元類型選擇對(duì)于機(jī)翼的仿真，我們選擇CTETRA單元來模擬其復(fù)雜的幾何形狀。4.2.2.1仿真設(shè)置在MSCNastran中，定義復(fù)合材料屬性：MATERIAL,1

EX,150E9,PRXY,0.3,DENSITY,1500.

MATERIAL,2

EX,10E9,PRXY,0.25,DENSITY,1500.定義四面體單元屬性：PSOLID,1,1,2這里，PSOLID定義了使用材料1和2的四面體單元屬性。4.2.2.2載荷和邊界條件設(shè)定機(jī)翼的載荷和邊界條件，例如在機(jī)翼的翼尖施加垂直向下的氣動(dòng)載荷，在翼根施加固定約束。GRID,1,0,0,0

GRID,2,10,0,0

GRID,3,10,1,0

GRID,4,0,1,0

CTETRA,1,1,2,3,4,1

SPC,1,1

FORCE,1,2,0,0,-5000.在上述代碼中，GRID定義了網(wǎng)格點(diǎn)，CTETRA定義了四面體單元，SPC設(shè)定了邊界條件，F(xiàn)ORCE設(shè)定了載荷。通過這些案例分析，我們可以看到，材料屬性和單元類型的選擇對(duì)仿真結(jié)果有著直接的影響。合理的選擇能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的行為，從而提高仿真的可信度和實(shí)用性。5高級(jí)主題5.1非線性材料模型在彈性力學(xué)仿真中，非線性材料模型用于描述材料在大應(yīng)變、大應(yīng)力或溫度變化下的非線性行為。MSCNastran提供了多種非線性材料模型，包括但不限于：塑性材料模型：如BilinearIsotropicHardening（BIH）模型，用于模擬材料的塑性變形和硬化行為。超彈性材料模型：如Neo-Hookean模型，適用于模擬橡膠和生物材料等的超彈性行為。粘彈性材料模型：如Kelvin-Voigt模型，用于模擬材料的時(shí)變行為，如蠕變和應(yīng)力松弛。5.1.1示例：BilinearIsotropicHardening（BIH）模型在MSCNastran中定義BIH模型，需要在材料屬性中指定材料的彈性模量、泊松比以及塑性應(yīng)力-應(yīng)變曲線。以下是一個(gè)BIH模型的定義示例：MATERIAL,MID=1,TYPE=PLASTIC

1.0E7,0.3,0.0

1.0E6,0.005MID=1：材料ID為1。TYPE=PLASTIC：指定材料模型為塑性模型。1.0E7,0.3,0.0：彈性模量為10000MPa，泊松比為0.3，初始塑性應(yīng)變?yōu)?。1.0E6,0.005：第一個(gè)塑性應(yīng)力點(diǎn)為1000MPa，對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變?yōu)?.005。5.2高級(jí)單元類型介紹MSCNastran支持多種高級(jí)單元類型，用于更精確地模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料行為。這些單元類型包括但不限于：殼單元：如CQUAD4和CTRIA3，用于模擬薄殼結(jié)構(gòu)。實(shí)體單元：如CHEXA20和CTET10，用于模擬三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。梁?jiǎn)卧喝鏑BAR和CBEAM，用于模擬梁和框架結(jié)構(gòu)。5.2.1示例：CQUAD4殼單元CQUAD4是一個(gè)四節(jié)點(diǎn)的殼單元，可以用于模擬具有彎曲和剪切變形的薄殼結(jié)構(gòu)。定義CQUAD4單元時(shí)，需要指定節(jié)點(diǎn)ID和材料屬性。以下是一個(gè)CQUAD4單元的定義示例：SHELL,PID=1,MID=1

101,102,103,104,0.1PID=1：?jiǎn)卧獙傩訧D為1。MID=1：材料ID為1。101,102,1