NASTRAN軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析中的應(yīng)用

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1、NASTRAN軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析中的應(yīng)用 作者：蒙上陽唐國金雷勇軍 摘要：利用MSC/NASTRAN有限元分析—軟件分析運載火箭儀器艙的屈曲與振動、撞擊巖石、固體導(dǎo)彈裝藥結(jié)構(gòu)完整性、氣動加熱對固體導(dǎo)彈應(yīng)力場的影響、運載火箭豎立狀態(tài)振型等5個復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，結(jié)果表明，MSC/NASTRAN的分析精度較高。 關(guān)鍵詞：復(fù)雜結(jié)構(gòu)模態(tài)碰撞結(jié)構(gòu)完整性應(yīng)力分析MSC/NASTRAN軟件隨著社會發(fā)展的需要，在各個領(lǐng)域中出現(xiàn)了越來越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在工作過程中會承受多種外載荷的聯(lián)合作用，其應(yīng)力、應(yīng)變、位移、熱變形及振動響應(yīng)等問題的分析均比較復(fù)雜。過去由于計算機的限制，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析常

2、感到力不從心，近十年來隨著計算機技術(shù)和圖形設(shè)備性能的不斷提高，結(jié)構(gòu)CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，以及計算力學(xué)理論的進一步完善，結(jié)構(gòu)CAE_技術(shù)如今已成功地應(yīng)用于各種工程部門的結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用先進的結(jié)構(gòu)CAE分析軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，有利于節(jié)約研制費用、縮短研制周期，提高產(chǎn)品競爭能力。同時可以全面、精確分析設(shè)計對象的物理狀態(tài)，尋找最優(yōu)參數(shù)，以便進行經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以有限元法為基礎(chǔ)的各種通用結(jié)構(gòu)CAE分析軟件現(xiàn)階段種類非常多，它們以各自的優(yōu)勢在各自的工程部門得到了成功的應(yīng)用。一些著名結(jié)構(gòu)分析軟件包括MSC/NASTRAN，ANSYS，ABAQUS，MARCD，SAP91等。而其中由美國宇航局支

3、持發(fā)展的NASTRAN軟件以其完備的前后處理技術(shù)、優(yōu)化的數(shù)值求解方法、全面的結(jié)構(gòu)分析能力已成為有限元分析軟件的典范。下面僅就幾個具體例子對MSC/NASTRAN在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用做簡單介紹。 1復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析1.1某型號運載火箭儀器艙的屈曲與振動模態(tài)分析儀器艙是火箭結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一般位于火箭上部，其主要功能是為火箭的各種儀器設(shè)備提供有效的安裝空間和正常的工作環(huán)境。 在火箭工作過程中，儀器艙要承受較大的外載荷作用，包括軸向力、彎矩、剪力、外壓和振動載荷等，因此，儀器艙也是火箭結(jié)構(gòu)的承載部件。針對不同的設(shè)計用途和不同的承載情況，儀器艙所采用的結(jié)構(gòu)形式也不同，主要包括薄壁密框、桁梁式

4、薄壁加筋、整體壁板網(wǎng)格加筋、夾層薄壁的圓柱殼或截錐殼等結(jié)構(gòu)形式。 由于儀器艙內(nèi)的儀器設(shè)備起到控制、穩(wěn)定火箭正常飛行的關(guān)鍵性作用，所以在儀器艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須根據(jù)初步設(shè)計給出的外載荷情況、可靠性指標(biāo)及總體設(shè)計參數(shù)等，針對不同的設(shè)計模型，包括儀器設(shè)備的不同安裝位置、加筋形式和位置、開口大小和位置等因素建立合適的分析模型，進行儀器艙的強度剛度分析、穩(wěn)定性計算和振動特性分析，以便為結(jié)構(gòu)設(shè)計方案提供合理的理論依據(jù)，從多個分析模型中選擇出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 圖1儀器艙的結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分針對某型號運載火箭的復(fù)合材料前儀器艙的振動與穩(wěn)定性問題，采用四邊形四節(jié)點板殼單元(QUAD4)和兩節(jié)點梁

5、單元(BAR)為該儀器艙建立了144種不同的有限元分析模型，這些模型主要考慮了材料的鋪層方向、邊界條件、開口位置和開口補強方式等不同因素的組合。 如圖1所示為儀器艙的結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分。圖2給出了該結(jié)構(gòu)的軸壓屈曲模態(tài)和一階自由振動模態(tài)的示意圖。 圖2軸壓屈曲模態(tài)和一階自由振動模態(tài)(a)軸外壓聯(lián)合失穩(wěn)時的屈曲波形；(b)軸壓屈曲波形;(c)自由振動模態(tài)(加密網(wǎng)格) 1.2對巖石撞擊的分析碰撞是一種非常常見的現(xiàn)象，如車輛的碰撞、船體觸礁和子彈的侵徹等。對碰撞現(xiàn)象的分析與模擬所具有的重要價值是顯而易見的。碰撞事故的發(fā)生對乘員保護十分重要，同時被撞物的破壞程度分析也是很重要的。 1999年

6、12月11日，“9張家界國際特技飛行大獎賽一一飛機穿越天門洞”的表演，實現(xiàn)了人類首次架機穿越天然山洞的壯舉。在這次活動的籌劃期間，擔(dān)心萬一失敗發(fā)生飛機撞在洞壁上造成巖石崩塌，世上獨一無二的自然風(fēng)光不再，也是人類的巨大遺憾。 那么如果意外真的發(fā)生了，巖石會不會崩塌呢？這是能否舉行表演活動的關(guān)鍵之所在。 為了較準(zhǔn)確分析當(dāng)發(fā)生飛機碰撞洞體后，對洞體的破壞程度（主要是洞壁巖石的破壞區(qū)域），我們受中國平安保險公司長沙分公司的委托，采用MSC/NASTRAN軟件分析了碰撞可能造成的破壞區(qū)域，為保險公司的承保提供理論依據(jù)。計算中取碰撞時間是5X10-5S，并假設(shè)碰撞時，飛機的動能和燃料的爆炸能全部轉(zhuǎn)化為

7、巖石破壞所需的能量。計算結(jié)果表明，碰撞所引起的破壞區(qū)域相對天門洞來說是比較小的，破壞區(qū)域是一種局部現(xiàn)象，碰撞位置的變化不會引起破壞區(qū)域的擴大，即使發(fā)生飛機碰撞洞體事故，只會引起一個可修復(fù)的錐形破壞區(qū)域，不會對天門洞的景觀造成影響。 圖3有限元網(wǎng)格劃分 如圖3所示為計算天門洞巖碰撞問題的有限元網(wǎng)格示意圖。應(yīng)力分布圖。 圖4為碰撞點在洞體左側(cè)時的 IiMlirl1%~~眇.血(■Itl7■釉#*>1斗 rTk-i.■ilII4MUuflJr-li-nrLD■I t.ilj-diifiI 「mH-r、i-m4p/i,”??till'*ii1l*>i■*il4IHi-..■ir*'M*U

8、R-IWlH'-i*i/iitfiii-#i|-4^(?■b./I-rv?uMa***4'I^VIlY'XCBniIjiiitfim 圖4碰撞點在洞體左側(cè)時的應(yīng)力分布 (a)撞擊點應(yīng)力分布正視圖(b)撞擊點于XZ面上的應(yīng)力分布 1.3固體導(dǎo)彈裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析根據(jù)固體導(dǎo)彈在生產(chǎn)及使用過程中所承受的主要載荷(固化降溫、內(nèi)壓、軸向過載等)， 析其結(jié)構(gòu)完整性，即分析在各種載荷的聯(lián)合作用下發(fā)動機裝藥是否滿足強度、變形及斷裂力學(xué)準(zhǔn)則的要求，另外，固體導(dǎo)彈的裝藥為粘彈性材料。圖5為藥柱有限元網(wǎng)格劃分圖, 圖6(a)、(b)為危險截面及整個藥柱的應(yīng)變場。 GOM ItU.dpIfdstHiiO

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10、均勻的，當(dāng)取馬赫數(shù)為115時，由上式得表面溫度為：43311K，以此溫度模擬導(dǎo)彈呈吊掛狀態(tài)隨飛機飛行的氣動熱對發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性的影響，取表面溫度為43311K，如圖7（a）、（b）分別為發(fā)動機在1990s（約半小時）時的溫度及應(yīng)力場。 I 圖7發(fā)動機在1990s時的溫度及應(yīng)力場 （a）中截面上的溫度分布；（b）1990s時的應(yīng)力分布 計算結(jié)果表明，在氣動熱的作用下，發(fā)動機最危險的位置位于前端殼體與包覆層粘接部分。 1.5CZ-2E運載火箭豎立狀態(tài)動特性分析運載火箭的整體動力學(xué)特性是火箭總體設(shè)計過程中非常重要的設(shè)計參數(shù)，它對火箭的發(fā)射精度和控制系統(tǒng)的控制特性具有重要影響。運載火箭發(fā)射之

11、前，豎立在發(fā)射架上，外界環(huán)境對火箭的力學(xué)狀態(tài)會有較大影響，如溫度變化和風(fēng)載等。同時，火箭處于豎立狀態(tài)時,加注前和加注后的振動模態(tài)也存在差異，如圖8所示。為了保證發(fā)射可靠性和提高發(fā)射精度，有必要進行運載火箭豎立狀態(tài)動特性分析和風(fēng)載動響應(yīng)分析。 圖8豎直狀態(tài)的前3階振型示意圖 （a）加注前，火箭的前3階振型；（b）只加注燃燒劑，火箭的前3階振型；（c）加注后，火箭的前3階振型 本文采用一維梁單元建立了CZ22E運載火箭豎立狀態(tài)的有限元離散模型。計算中將推進劑液體的質(zhì)量處理為集中質(zhì)量或線分布質(zhì)量，邊界條件是芯級尾端固支。圖8給出了運載火箭豎立狀態(tài)的前幾階振型的示意圖。 2結(jié)語上面

12、簡述了MSC/NASTRAN在航天器儀器艙、固體導(dǎo)彈發(fā)動機裝藥及碰撞等問題上的運用，可見其分析精度是較高的，是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的得力助手。MSC/NASTRAN是個高度開放的系統(tǒng)，隨著認(rèn)識的深入無疑會在新的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用。 5 參考文獻1王心清，李興泉等1結(jié)構(gòu)設(shè)計1北京：宇航出版社，199412MSC公司1998年中國用戶年會論文集1北京:MSC公司北京辦事處編印，199813謝貽權(quán)，何福保1彈性和塑性力學(xué)中的有限元法1北京：機械工業(yè)出版社，198314賈乃華1宇航物理1北京：科學(xué)出版社，19901StrinathaHR，LewisRW1Afiniteelementmethodforthermovicoelasticanalysisofplaneproblems1ComputerMethodsinApllMech，1981，25:IAA2052p07051ZienkiewiczOC，WatsonM，KingIP1Anumericalmethodofviscoelasticstressanalyses1IntJMechSci，1968，101王錕，田維平1固體火箭發(fā)動機前、后翼藥柱三維有限元分析1推進技術(shù)，1997，(4)1(end)