MSC.Patran

MSC.Patran（精选3篇）

MSC.Patran 第1篇

有限元方法 (Finite Element Methods) 这个名词第一次出现, 到今天有限元在工程上得到广泛应用, 经历了三十多年的发展历史, 理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化, 就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体, 实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析, 得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析, 这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题[1]。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高, 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视, 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径, 现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算, 其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃[2,3]。

有限元网格生成方法研究领域已取得许多重要成果, 形成了独特的方法论体系, 提出了许多有效的算法并研制出一些成功的工程化软件产品, 现在用得比较多的软件主要有ANSYS、MSC.Patran和Deform等。而本文就是利用MSC.Patran对路灯杆进行模态分析。

1 路灯杆的基本参数及建模

路灯杆的材料是镀锌的合金钢, 根据机械设计师手册[4]查得此材料的一些基本参数如表1所示。

由于路灯杆不易进行直接测量, 所以在午后通过阳光投影法可测得路灯杆的几何尺寸如下:底座:300 mm×300 mm×10 mm、主杆下段外径D1:160 mm长度L1:2 000mm, 壁厚b:5mm、主杆上段外径D2:90mm长度L2:5 890mm, 壁厚b:5mm、反光罩简化为一等腰梯形, 上底:760mm;下底:1 100mm;高:1 180mm。根据以上数据并利用Pro/ENGINEER Wild-fire 3.0对路灯杆进行3D实体建模, 结果如图1所示。

但是由于MSC.Patran软件中的需要的是.stp格式的文件, 而Pro/ENGINEER Wildfire 3.0所生成的是.prt格式的文件, 所以要进行数据转换, 即把.prt格式文件转化成.stp格式文件的, 输出step文件时选择实体和壳, 点击确定即可。

2 有限元分析过程

在本文中, 首先运用Pro/Engineer建立3D模型, 再用MSC.Patran软件进行FEM分析, 求解出固有频率和其相应的振型[5], 具体步骤如图2所示。

(1) MSC建模

在进行FEM分析之前, 首先需要新建一个MSC分析文件, 其新建文件及文件导入步骤为:New Database→File→Import, 输入文件名即可。

(2) 网格划分

网格划分是有限元分析中的一个重要的步骤, MSC软件中有自动划分网格的功能, 选择MESH→SOLID, 然后选择输入实体名称, 再确定网格大小即可。

(3) 边界条件设置

网格划分结束后, 就是对待分析的零件进行边界条件设置, 其中边界条件包括边界运动, 边界载荷, 边界温度等设置, 本次分析只需对边界运动过程, 以及固定边界, 以及受力等进行设置。

若对零件进行不同的状态分析, 则要对边界受力进行设置, 模态分析则不需要设置力的边界条件。而静应力分析, 以及压杆稳定性分析则需要对力进行设置。

(4) 材料参数设置

边界条件设置完成后则需对零件材料进行设置, 由于路灯杆的材料选用为镀锌的合金钢, 点击Input Options输入表1中材料特性参数。

(5) 路灯杆的材料特性选择

刚才所设置的材料特性要赋予路灯杆, 点击Input Properties将材料特性赋予路灯杆。

(6) 分析计算

MSC.Patran软件可以静应力分析 (LINEAR STATIC) , 压杆稳定性 (BUCKLING) , 模态分析 (NORMAL MODES) 等有限元动态性能分析, 本文只对路灯杆进行模态分析 (NORMAL MODES) 。不同分析选择下面对话框中不同选项。

(7) 模态分析结果

在不同的频率下的模态结果如图3所示。

由图3可知, 路灯的前7阶模态的频率为1.124 6 Hz、1.126 3 Hz、6.533 Hz、8.830 1 Hz、11.056 Hz、20.707 Hz、22.788 Hz, 前2阶模态比较接近, 3—5比较接近, 6和7阶模态较接近。前7阶段模态对应的振形主要是路灯部分发生扭转变形, 其中前2阶主要是灯头发生摆动, 3-7阶不但是灯头发生摆动, 同时灯杆也发生弯曲摆动。交流电的工频为50 Hz, 而路灯的前7阶模态远离其交流电工频, 避免了电流引起的振动。

3结论

有限元分析方法 (FEM) 作为一个对产品的预先处理方法, 现已广泛被用于工程设计以及制造中, 本文利用MSC.Patran对路灯杆进行模态分析, 得到了路灯杆的七种模态, 路灯杆的固有频率为1.124 6 Hz表现为水平弯曲, 固有频率为1.126 3 Hz表现为垂直弯曲, 固有频率为8.830 1 Hz表现为扭曲。根据该模态分析结果:

(1) 前7阶模态远离工频, 保证在通电情况下避免发生共振。

(2) 在安装路灯杆时周围设备的振动频率尽量避开路灯杆的固有频率, 以免发生共振, 从而路灯杆的使用安全性。

参考文献

[1]李积彬, 冯平.计算机辅助工程:CAE有限元分析篇[Z].深圳:深圳大学, 2005.

[2]罗飞, 曾齐高, 陈恒亮, 等.基于Pro/Mechanica的电梯曳引机承重梁的模态分析[J].机电工程技术, 2014 (02) :57-60, 101.

[3]谢占功, 李积彬, 罗飞, 等.深海潜水泵轴系的有限元分析研究[A].2009海峡两岸机械科技论坛论文集[C].2009:476-481.

[4]毛谦德, 李振清.机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.

MSC.Patran 第2篇

转速切断装置是燃气涡轮起动机的重要工作部件, 包括上壳体、下壳体、齿轮-锥形盘转子系统和微动开关等, 上壳体通过5个螺栓与起动机壳体固定, 通过2个螺栓与下壳体连接;下壳体底端的从动齿轮与起动机输出轴上的大齿轮啮合。转速切断机构结构如图1所示。

转速切断装置工作时, 其内部转动部件随起动机的转动部件一起转动, 接受转速输入;装置接受转速后将其转换为对顶杆的机械力;机械力推动触头改变簧片位置, 微动开关输出通断信号。为了保证转速切断装置工作稳定, 关键是保证转速能够准确转换为对顶杆的机械力, 同时保证微动开关簧片在工作过程中能够按照触头的位置稳定实现接通和断开。

分析认为, 振动是造成转速切断装置失效的主要原因, 主要表现为工作过程中提前切断。本文利用有限元分析软件, 对转速切断装置进行分析, 并通过试验的方法进行验证, 为结构的减振设计提供依据。

2 模态分析

作为多自由度系统中的一种固有属性, 模态可由系统的特征矢量与特征值二者共同表示[1,2]。计算系统的模态数是模态分析的主要目的, 分析的结果可以为振动故障的诊断、结构动态特性的优化以及结构的特性分析提供依据[3,4,5,6]。

3 固有模态计算

本研究项目的数值分析中, 利用UG软件进行转速切断装置的三维建模。针对三维模型, 在MSC.Patran软件中继续完成前处理, 建立有限元模型, 并进行后处理和计算。

将转速切断装置的有限元模型导入MSC.Patran软件进行后处理, 计算自由-自由状态和固定状态的固有模态。其中, 自由-自由状态为转速切断装置单一结构的情况;考虑到转速切断装置是通过螺钉固定在起动机壳体上, 因此在其上壳体顶盖的5个螺孔上施加约束, 计算转速切断装置固定状态的固有模态情况, 来模拟它在起动机上的真实状态。计算结果如图2、图3所示。

自由-自由状态下, 转速切断装置的固有模态呈现3阶, 形态分别为弯曲、弯曲耦合和扭转;固定状态下, 转速切断装置的固有模态呈现4阶, 形态分别为纵向弯曲、横向弯曲、垂直上下和扭转。转速切断装置固有频率计算结果见表1。

4 转动部件的固有频率分析

将转动部件的有限元模型导入MSC.Patran软件进行后处理, 计算转动部件在自由-自由状态下的固有模态。转动部件与上、下壳体通过轴承连接, 没有典型固定状态。

计算时, 将两个转子视为刚体, 弹性轴只有扭转自由度, 即构成两自由度的扭振系统, 为与实际使用约束条件相吻合, 采用自由-自由状态进行固有频率分析, 较大的齿轮转子旋转自由度为θ1, 较小的齿轮转子旋转自由度为θ2。转动部件在自由-自由状态的固有模态呈现2阶。转动部件的固有频率计算结果见表2。

5 固有频率试验结果与计算结果对比

为了验证所建立的有限元模型的准确性, 频率试验是必须的。通过脉冲力进行激励, 振动系统会在激励力消失以后产生自由振动, 记录下系统自由振动过程中簧上质量的运动信号就可以获取系统的固有频率和阻尼比。

用锤击法进行试验模态分析, 试验时, 用海绵垫支撑转速切断装置, 使待测装置的边界条件近似为自由—自由状态。首先使用微型力锤敲击待测装置, 产生激振。在待测装置上设置待测点, 利用激光测振仪测量待测点的加速度响应。通过动态信号分析仪, 采用单输入/单输出频响函数识别技术, 针对收集到的信号, 通过激振与测量获得转速切断装置的频响函数矩阵, 再采用频域模态参数识别方法, 获得其固有频率。

试验得到的转速切断装置自由—自由状态下不同频率的振幅特性见图4, 读取振幅峰值可以得到转速切断装置的固有频率。

试验测得的转速切断装置固有频率和有限元计算结果的对比见表3。

由表3可知, 在自由-自由状态下, 转速切断装置有限元仿真具有较高的可信度。当前由于试验条件限制, 无法进行转速切断装置固定状态的固有频率试验, 但从自由-自由状态的对比, 可以认为所建立的有限元模型具有较高的可信度, 能够反映转速切断装置的基本动力学特性, 由有限元模型计算的固定状态的固有频率也是可信的。

6 结论

(1) 根据转速切断装置的特点, 建立了转速切断装置及其转动部件的有限元模型。使用有限元模型计算了转速切断装置自由-自由状态和固定状态下的固有模态, 计算了转动部件自由-自由状态下的固有模态。根据各固有模态情况, 得到了转速切断装置及其转动部件的固有频率。

(2) 固有频率试验模拟了转速切断装置在自由-自由状态下的情况, 测试的结果与计算结果基本一致, 验证了通过有限元方法对转速切断装置进行模态分析的可行性。

参考文献

[1]冯振宇, 王莉平, 王轩, 等.基于PATRAN的全机柔性模型研究及模态分析[J].中国民航大学学报, 2010 (5) :27-28.

[2]方同, 薛璞.振动理论及应用[M].西安:西北工业大学出版社, 2002.

[3]梁双翼, 陈晨, 尹辉.基于有限元方法电主轴模态分析[J].制造业自动化, 2012 (1) :23-24.

[4]Luo X, Cheng K, Ward R.The effects of machining process variables and tooling characterization on the surface generation[J].Advanced Manufacturing Technology, 2004, 25 (3) :56-59.

[5]傅志方.振动模态分析与参数识别[M].北京:机械工业出版社, 1990.

MSC.Patran 第3篇

关键词：移动除尘罩,顶部集尘罩,底梁支架,结构,稳定性

1 引言

2011年我国钢产量约6.8亿t, 每炼1t钢约产生0.12~0.14t钢渣, 2011年钢渣产生量约9000万t, 所以钢渣的快速高效处理及金属回收是炼钢生产的重要环节。近些年将高达1650℃液态钢渣直接进行热闷处理的工艺技术逐渐被全国大部分钢厂采用[1,2]。但直接向热闷装置内高温钢渣喷水后产生大量的含尘水蒸汽, 需要及时收集处理。为此, 专门设计了轨道式长距离移动式排气除尘罩, 可以沿着地面轨道移动至位于地面以下的热闷装置上方, 收集处理含尘蒸汽。移动式排气除尘罩车结构如图1所示。

2 移动式排气除尘罩车

移动式排气除尘罩车结构如图1所示。这种移动式排气除尘罩属于非标设备, 出口管道中心高度达9m, 底梁支架轮廓尺寸长10m, 宽8m, 高2m, 需要自力行走, 行走机构采取类似单梁起重机的驱动方式, 两轮驱动[3]。其特点是跨度和高度较大, 因不在露天使用, 不考虑其他外部载荷。

本文针对移动式排气除尘罩的整体结构特点, 将其分为顶部锥形结构和底梁支架结构分体建模进行分析, 借助有限元分析, 一是根据分析找出结构中的薄弱部位, 验证设计方案, 提出改进建议;二是为今后同类设备的设计提供参考和依据。本文采用大型有限元分析软件MSC.Patran/Nastran进行建模和分析[4,5]。

3 移动排气除尘罩顶部结构分析

3.1 有限元建模

移动式排气除尘罩顶部结构主要由两个锥形集尘罩和连接的管道组成, 采用钢板焊接。锥形集尘罩是由钢板焊接而成的锥形结构, 钢板厚度5mm, 排气管道和支撑腿也由钢板焊接而成, 管道壁厚2mm, 管道支撑腿钢板厚度5mm。根据结构的特点建立模型, 网格类型为面网格, 单元类型为壳单元。材料选用碳素结构钢Q235, 弹性模量为2×1011Pa, 泊松比为0.25, 密度为7850kg/m3, 载荷为重力载荷, g=9.8m/s2, 因为不是露天使用, 故不考虑风载荷、雪载荷等外部载荷。在顶部锥形集尘罩结构与底梁支架相连接的部分设置约束, 模拟底梁支架对顶部结构的支撑作用[6]。

3.2 计算结果

通过分析处理, 结果显示在顶部锥形结构的外侧表面中心部位, 发生应力最大值, 最大应力为20.5MPa, 小于材料的强度极限, 但是数值偏大。在该位置也发生最大变形, 最大变形为7.56mm。应力和变形如图2和图3所示。分析结果表明, 单独由钢板焊接而成的顶部锥形集尘罩在结构上存在薄弱的位置, 在设计中要进行适当改进。本例中, 可以在锥形集尘罩的外侧表面焊接角钢, 并将角钢呈网格状布置以加强集尘罩的刚度, 改善其应力应变情况。从分析的应力和变形云图中也可以看出, 方形管道的有些部位也出现了应力稍大的情况, 虽然不是很明显, 但是也应予以考虑, 也可以在管道外部加设角钢加强筋或者加强箍, 增加结构的刚度。

3.3 等效约束力计算

为了对底梁支架进行进一步分析, 选定顶部锥形集尘罩结构中与底梁结构直接连接的点为等效约束点, 得到等效的约束力, 作为后续的底梁支架结构分析的外部载荷。等效约束示意如图4所示。等效约束的计算数值如表1所示。

4 底梁支架的计算

4.1 有限元建模

移动式排气除尘罩底梁支架为框架式结构, 主要由侧边梁、横梁、竖向支撑梁构成, 侧面由钢板焊接而成。由于侧面钢板在此结构中不起支撑作用, 主要是起密闭作用, 因此在建模时进行合理简化, 不考虑侧面钢板, 只建立框架结构的有限元模型[7]。网格类型采用一维网格, 单元类型采用梁单元。材料选用碳素结构钢Q235, 弹性模量为2×1011Pa, 泊松比为0.25, 密度为7850kg/m3。底梁支架的载荷主要由两部分, 一是底梁支架自身重力载荷, g=9.8m/s2;二是顶部结构传递下来的外部载荷, 即根据等效约束力计算出的顶部结构的约束力的反作用力。

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4.2 计算结果

分析处理结果显示, 在底梁支架底部侧边梁中间位置发生应力最大值, 最大应力为18.4MPa, 在底梁支架中间横梁的中心位置发生最大变形, 最大变形为1.28mm。应力图和变形图以及最大值的发生位置如图5和图6所示。底梁支架底部侧边梁是整个罩车的重量载荷的主要受力结构, 并且也是自行驱动机构的安装位置, 如果采用与其他梁结构相同的尺寸, 会产生局部的应力集中, 分析结果表明模型建立合理, 符合理论和实际情况。在设计中, 可以适当加大底部侧边梁高度宽度比, 并在驱动结构安装位置进行局部加强, 提高结构的刚度。中间横梁的中心位置, 由于要同时承受两侧传递下来的重力载荷, 且此处梁的跨度比较大, 因此发生最大变形, 分析结果也表明模型的建立和分析是合理的。在设计中, 可以在中间横梁和两侧竖向支撑梁连接的位置设置三角斜拉支撑, 提高整体结构的刚度。另外, 对于两侧的横梁虽然未出现变形最大值, 但是受力情况也与中间横梁类似, 也是容易出现较大变形的部位, 可采用相同措施处理。

5 底梁支架的稳定性分析

5.1 有限元建模

由于移动式排气集尘罩高度较高, 跨度较大, 为了进一步验证设计方案, 提高整体结构的稳定性, 对底梁支架结构进行稳定性分析。底梁支架主要是由梁组成的框架式结构, 由6个竖向箱型梁支撑腿支撑所有的重量。箱型梁的壁厚为7mm, 高度300mm, 宽220mm。模型的尺寸、约束和载荷如前文底梁支架结构分析中所述。

5.2 计算结果

第一阶稳定状态:屈曲载荷为现有载荷总效果的841.28倍时, 出现如图7所示的第一阶稳定状态, 失稳效果为整体结构的y方向失稳。

第二阶稳定状态:屈曲载荷为现有总效果的1487.2倍时, 出现第二阶稳定状态, 失稳效果为整体结构的x方向, 如图8所示。

本文还选择了同样截面尺寸, 高度200mm, 宽度300mm, 腹板厚度为7mm, 截面为H型梁的底梁支架模型进行了稳定性分析。分析表明, 其屈曲载荷为现有载荷总效果的33.623倍时, 出现第一阶稳定状态, 失稳效果为中间一个支撑腿沿x方向的局部失稳, 如图9所示。屈曲载荷为现有载荷总效果的33.997倍, 出现第二阶稳定状态, 如图10所示。失稳效果也是中间一个支撑腿沿x方向的局部失稳[8,9,10]。对比可以看出竖向支撑腿采用箱形梁结构时, 稳定性明显高于H型梁。

6 结论

本文运用了大型有限元分析软件MSC.Patran/Nastran, 对一种新型设备移动式排气除尘罩的结构和稳定性进行了有限元分析, 对整体结构进行了合理简化, 并且分为顶部锥形结构和底梁支架结构建立了两个独立模型。经过计算, 得到精确的应力分布和变形情况。结果表明, 最大应力和最大变形的发生位置都和理论的预测及实际情况是相符合的, 模型的简化、建立和分析是合理的。本文还对底梁支架进行了稳定性分析, 对箱型梁和H型梁两种截面的梁构成的竖向支撑梁的稳定性进行了对比, 对比结果表明竖向支撑梁采用箱形梁时, 稳定性明显高于H型梁。建模过程中模型的合理简化显著提高了分析效率, 分析方法和结果可以为同类设备的设计提供参考和依据。

参考文献

[1]王绍文, 梁富智, 王纪曾.固体废弃物资源化技术与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2003.

[2]钱雷.我国钢渣综合利用的现状和“十二五”展望[J].中国钢铁业, 2012 (S1) :1-3.

[3]孙健, 等.一种移动式排蒸汽除尘罩车装置:中国, ZL200910084151.9[P].2011-03-16.

[4]马爱军, 周传月, 王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[5]刘兵山, 黄聪.Patran从入门到精通[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.

[6]陈建来, 丁晓红, 王峰, 等.大型电除尘器灰斗结构分析及优化设计[J].矿山机械, 2008, 36 (15) :102-105.

[7]侯永超, 杨兆建, 王义亮.大型电除尘器底梁及支架的有限元分析[J].太原理工大学学报, 2005, 36 (3) :293-295.

[8]傅志方, 华宏星.模态理论分析与应用[M].上海:上海交通大学出版社, 2000.

[9]邵永波, 彭靓.轴压作用下薄壁方钢管局部屈曲失稳的有限元分析[J].烟台大学学报 (自然科学与工程版) , 2008, 21 (4) :304-309.