Msc.patran有限元模型中约束的研究
2012-09-21曹飞龙
曹飞龙
中国商飞上海飞机设计研究院，上海 200232
Msc.patran有限元模型中约束的研究
曹飞龙
中国商飞上海飞机设计研究院，上海 200232
在Msc.patran有限元模型中，边界条件(约束)对有限元模型的计算结果有着非常重要的影响。本文就如何正确选择合适的约束进行了研究，并在有限元模型中对结构边界进行有效判断，从而能获得更准确的计算结果。
有限元；边界条件；约束
引言
Msc.patran中的有限元模型，当不受约束或者约束不足时，结构模型在外力作用下将会产生刚体运动，有限元计算结果提示结构刚度矩阵奇异，不能得出有效的内力结果。所以必须要通过约束，消除模型的刚体位移。
同时，在Mac.patran有限元模型中，对于同一有限元模型，在相同的载荷作用下，当采用不同的约束时计算出的结果可能会有很大的差别。因此，必须根据结构的真实约束状态引入正确的约束[1]。
1 约束对有限元计算结果的影响
1.1 约束不足对有限元结果的影响
1.1.1 总约束不足对有限元计算结果的影响
如图1立方体结构模型中，在其左上角和右上角分别施加<-100 -100 -100>、<100100100>的载荷。空间中的体元，需要约束掉
图1 总约束不足时有限元模型
1 ,2,3 方向约束。同时，约束仅取典型的链杆、铰链及球铰(对应约束1个、2个及3个自由度)
图2 总约束不足时有限元计算结果
1.1.2 必要约束不足对有限元计算结果的影响
如图3，在图1总约束不足的基础上，增加左下角的
图3 必要约束不足时有限元模型
图4 必要约束不足时有限元计算结果
1.2 不同约束对有限元计算结果的影响
1.2.1 完全约束情况1有限元计算结果
在图3模型基础上，调整右前下角约束
图4 完全约束情况1有限元模型
图5 完全约束情况1约束反力
1.2.2 完全约束情况2有限元计算结果
在图3模型基础上，调整左前下角约束
图6 完全约束情况2有限元模型
图7 完全约束情况2约束反力
由1.2.1节及1.2.2节有限元计算结果可知：相同模型，相同载荷，在不同约束情况下，其计算的结果可能有很大的不同。因此，必须根据结构的真实约束状态引入正确的约束。
1.3 完全约束的判断
经过计算，针对典型约束(链杆、铰链及球铰)，通过以下两种方式可以判断有限元模型是否完全约束。
1 ) 全铰链情况
约束的3个节点不在一个平行坐标轴的平面内；3个节点的约束（每个节点的两个约束方向构成一个平面）构成3个平行于3个坐标轴的平面，如图8所示。
图8 全铰链情况完全约束
2 ) 球铰链情况
约束的3个节点不在一个平行坐标轴的平面内；具有1个约束的约束点，其约束方向垂直于具有两个约束的约束构成的面，如图9所示。
图9 球铰情况完全约束
2 结语
通过对有限元模型中约束的研究，得知：有限元模型中，当采用不同的约束时计算出的结果可能会有很大的差别，必须根据结构的真实约束状态引入正确的约束。
给出了有限元模型完全约束的判断方法。
[1]有限元法-原理、建模及应用.北京：国防工业出版社，2004
Constrains in FEA Model of Msc.patran
Cao Feilong
Shanghai Aircraft Design And Research Institute, COMAC, Shanghai 200232
A
10.3969/j.issn.1001-8972.2012.18.014
曹飞龙(1975- )，男，硕士，研究方向为大型客机强度。
AbstractConstrains in FEA model of Msc.patran have great effect on result of calculation.This article studies the constrains and gives methods to produce correct constrains in FEA model,which result in a more accurate outcome.
KeywordsFEA; Boundary conditions; constrains
