УДК 624.01:004.9Femap with NX Nastran
ББК 38.5с515
Р93
Р93
Рычков, Сергей Павлович.
Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran / С. П. Рычков.
— 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 785 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем.
требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ;
экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-643-2
В книге детально рассмотрен интерфейс программы Femap, в том числе средства
построения геометрической модели и автоматизированного создания конечно-элементных
сеток. Большое внимание уделено описанию библиотеки конечных элементов,
способам задания внешних воздействий и граничных условий. Эффективная
работа с подобной программой требует, кроме знания интерфейса, также обширных
знаний в предметной области, поэтому книга в той или иной мере затрагивает большое
количество дисциплин, таких как теория метода конечных элементов; статика
и динамика конструкций; теория упругости, сопротивление материалов; строительная
механика; устойчивость упругих систем; оптимизация конструкций.
Издание предназначено для специалистов в области проектирования конструкций,
которые хотели бы самостоятельно изучить пакет программ Femap with NX
Nastran и применять его в своей профессиональной деятельности. Книга также будет
полезна в качестве справочника студентам, аспирантам и преподавателям, а также
всем пользователям, имеющим опыт работы с подобными пакетами.
УДК 624.01:004.9Femap with NX Nastran
ББК 38.5с515
Электронное издание на основе печатного издания: Моделирование конструкций в среде
Femap with NX Nastran / С. П. Рычков. — Москва : ДМК Пресс, 2016. — 784 с. — ISBN 978-597060-421-2.
— Текст : непосредственный.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было
форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные
с использованием книги.
В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.
ISBN 978-5-89818-643-2
© Рычков С. П., 2012
© Оформление, издание, ДМК Пресс, 2016
Стр.3
Содержание
Предисловие ..............................................................19
Глава1
Применение метода конечных элементов
в расчете конструкций .............................................26
1.1. Краткие основы и алгоритмы метода конечных
элементов ............................................................... 28
1.1.1. Основные соотношения для дискретных
систем ..................................................................... 33
1.1.2. Физические и нормальные координаты .......... 34
1.1.3. Метод перемещений ...................................... 35
1.1.4. Метод сил ....................................................... 35
1.1.5. Алгоритм решения статической задачи .......... 36
1.2. Статический расчет конструкций............................... 38
Глава 2
Компоненты программ Femap/NX Nastran
и их взаимодействие. Файлы .................................45
2.1. Конфигурирование.................................................... 48
2.1.1. Конфигурирование Windows ........................... 48
2.1.2. Конфигурирование Femap/NX Nastran ........... 49
2.2. Файлы Femap и Nastran ............................................ 51
Глава 3
Интерфейс пользователя ........................................... 54
3.1. Окна .......................................................................... 55
3.2. Доступ к командам ................................................... 56
3.3. Объекты данных ........................................................ 57
3.4. Диалоговое окно выбора объектов – Entity Selection ... 58
3.4.1. Методы выбора объектов ............................... 60
3.4.2. Альтернативные методы быстрого выбора
объектов .................................................................. 61
3.5. Графический выбор объектов .................................... 62
3.6. Определение координат точки и вектора .................. 62
Стр.6
6
Содержание
3.6.1. Диалоговое окно задания точки
в пространстве – Locate Coordinate Definition ........... 64
3.6.2. Диалоговое окно задания вектора –
Vector Definition ........................................................ 66
3.7. Операции с файлами – меню File ............................... 68
3.7.1. Открытие файла модели ................................ 68
3.7.2. Сохранение файла модели ............................ 68
3.7.3. Импорт и экспорт файлов .............................. 68
3.7.4. Выполнение анализа и виды анализа
в Femap ................................................................... 72
3.7.5. Использование примечаний и ссылок ............ 72
3.7.6. Использование печати и копирования ............ 75
3.7.7. Команды меню Messages ............................... 77
3.7.8. Перестройка файла модели ........................... 77
3.7.9. Предварительные назначения ........................ 77
3.8. Инструменты – меню Tools ........................................ 79
3.8.1. Отмена и восстановление выполненных
операций ................................................................ 79
3.8.2. Рабочая Плоскость – Workplane ...................... 80
3.8.3. Закрепляемые панели инструментов .............. 82
3.8.4. Инструменты операций –
Operational Tools ...................................................... 84
3.8.5. Инструменты объектов – Entity Tools .............. 87
3.8.6. Инструменты измерений – Measuring
Tools ........................................................................ 91
3.8.7. Инструменты проверок – Checking Tools ........ 93
3.9. Создание геометрических объектов – меню
Geometry ............................................................... 100
3.10. Создание соединений – меню Connect ................. 101
3.11. Создание объектов расчетной модели – меню
Model ..................................................................... 102
3.11.1. Создание систем координат ...................... 103
3.11.2. Создание функций ..................................... 105
3.12. Модификация объектов модели – меню Modify ..... 108
3.12.1. Операции с кривыми .................................. 109
3.12.2. Операции перемещения объектов .............. 111
Стр.7
Содержание
7
3.12.3. Редактирование параметров модели .......... 116
3.12.4. Расширенные средства модификации
объектов ................................................................ 118
3.13. Вывод информации – меню List ............................ 126
3.13.1. Вывод информации об объектах подменю
Tools ...................................................................... 126
3.13.2. Вывод информации о геометрических
объектах ............................................................... 127
3.13.3. Вывод информации об объектах
расчетной модели ................................................. 129
3.13.4. Вывод результатов расчета ........................ 131
3.13.5. Вывод информации о группах
и о модели ............................................................. 137
3.13.6. Назначение вывода .................................... 138
3.14. Удаление объектов модели – меню Delete ............ 138
3.14.1. Удаление объектов меню Tools ................... 139
3.14.2. Удаление геометрических объектов ........... 139
3.14.3. Удаление объектов расчетной модели ....... 139
3.14.4. Удаление результатов расчета ................... 141
3.14.5. Удаление объектов из библиотек ................ 142
3.13.6. Удаление групп и видов .............................. 142
3.15. Операции с группами объектов модели –
меню Group ........................................................... 142
3.15.1. Создание и установка активной группы ...... 142
3.15.2. Команды манипуляций группами ................ 143
3.15.3. Команды добавления определенных
объектов в группу .................................................. 147
3.16. Управление отображением модели
в графических окнах – меню View .......................... 149
3.16.1. Управление видами .................................... 150
3.16.2. Модификация видов ................................... 151
3.17. Управление отображением модели
в графических окнах – меню Window ...................... 153
3.17.1. Команды управления окнами видов ............ 153
3.17.2. Команды перерисовки окон видов .............. 154
3.18. Доступ к справочной системе – меню Help ........... 154
Стр.8
8
Глава 4
Содержание
Средства создания геометрической модели ... 155
4.1. Создание точек ...................................................... 156
4.2. Создание кривых ..................................................... 156
4.2.1. Построение прямых линий ........................... 157
4.2.2. Построение дуг ............................................ 159
4.2.3. Построение окружностей ............................. 160
4.2.4. Сплайны ...................................................... 162
4.2.5. Создание кривых из поверхностей ............... 166
4.3. Типы поверхностей ................................................. 167
4.4. Создание граничных поверхностей ......................... 168
4.4.1. Команды подменю Boundary Surface ............ 168
4.5. Построение поверхностей ...................................... 169
4.5.1. Диалоговое окно задания плоскости ............ 169
4.5.2. Построение поверхностей по углам
и кромкам .............................................................. 171
4.5.3. Образование поверхностей
выталкиванием, вращением и вытягиванием
по направляющей ................................................. 172
4.5.4. Создание плоской, цилиндрической
и сферической поверхностей ................................. 172
4.5.5. Смещение и преобразование
поверхностей ......................................................... 174
4.6. Серединные поверхности ....................................... 174
4.6.1. Создание и редактирование простых
поверхностей ......................................................... 174
4.6.2. Автоматическое создание серединной
поверхности .......................................................... 175
4.6.3. Полуавтоматическое создание
серединной поверхности ....................................... 176
4.7. Объемы и твердые тела ........................................... 177
4.8. Твердотельное геометрическое моделирование ..... 177
4.8.1. Активация твердого тела .............................. 178
4.8.2. Создание и редактирование твердых тел ..... 178
4.8.3. Модификация твердых тел ........................... 182
4.8.4. Логические операции с твердыми телами .... 182
Стр.9
Содержание
9
4.8.5. Операции разрезания и рассечения ............. 184
4.8.6. Очистка твердых тел ..................................... 187
4.9. Копирование геометрических объектов .................. 188
4.9.1. Копирование смещением ............................. 188
4.9.2. Радиальное копирование ............................. 189
4.9.3. Копирование масштабированием ................ 190
4.9.4. Копирование вращением ............................. 190
4.9.5. Копирование отражением ............................ 191
4.10. Геометрический интерфейс ................................... 191
4.10.1. Импорт геометрии ...................................... 193
4.11. Приемы создания твердотельных
геометрических моделей ....................................... 196
Глава 5
Моделирование конструкций конечными
элементами .............................................................. 203
5.1. Выбор системы единиц измерения ......................... 205
5.2. Объекты конечного элемента .................................. 206
5.3. Узлы и степени свободы в узле ................................ 207
5.4. Библиотека конечных элементов ............................ 208
5.4.1. Одномерные элементы ................................ 208
5.4.2. Двумерные элементы .................................. 219
5.4.3. Объемные элементы .................................... 228
5.4.4. Другие элементы ......................................... 231
5.5. Создание материалов ............................................. 234
5.5.1. Изотропные материалы ................................ 236
5.5.2. Ортотропные материалы .............................. 238
5.5.3. Анизотропные материалы ............................ 240
5.5.4. Нелинейные материалы ............................... 240
5.6. Пакет слоев укладки Layup ...................................... 247
5.7. Создание свойств элементов ................................. 249
5.7.1. Свойства элементов Rod, Tube
и Curved Tube ......................................................... 251
5.7.2. Свойства элементов Beam, Bar
и Curved Beam ....................................................... 253
5.7.3. Свойства элемента Spring/Damper .............. 258
Стр.10
10
Содержание
5.7.4. Свойства элемента DOF Spring ..................... 259
5.7.5. Свойства элемента GAP ................................ 260
5.7.6. Свойства элемента Shear Panel .................... 260
5.7.7. Свойства элементов Plate, Bending Only,
Membrane .............................................................. 261
5.7.8. Свойства элемента Laminate ........................ 262
5.7.9. Свойства элемента Axisymmetric .................. 264
5.7.10. Свойства элемента Solid ............................. 264
5.7.11. Свойства элемента Mass ............................ 265
5.7.12. Свойства элемента Slide Line ...................... 266
5.7.13. Свойства элемента Weld/Fastener ............... 266
5.8. Создание узлов и элементов по одному ................. 266
5.8.1. Создание узлов ............................................ 266
5.8.2. Создание элементов .................................... 268
5.8.3. Создание элемента GAP ............................... 273
5.8.4. Создание и применение Rigid-элементов ..... 275
5.8.5. Создание элемента Slide Line ....................... 288
5.8.6. Создание элемента соединения
Weld/Fastener ......................................................... 291
Глава 6
Средства автоматизированного создания
сеток конечных элементов ................................... 298
6.1. Создание сеток на геометрических объектах .......... 299
6.1.1. Команды управления параметрами сетки ..... 299
6.1.2. Команды разбиения геометрической
модели .................................................................. 314
6.2. Создание сеток без использования геометрии ....... 322
6.2.1. Построение сетки в области между
узлами ................................................................... 322
6.2.2. Построение сетки по заданным группам
узлов ..................................................................... 323
6.2.3. Построение связей между узлами
модели .................................................................. 324
6.2.4. Создание сетки в произвольной области ...... 327
6.3. Модификация сеток ................................................ 328
Стр.11
Содержание
11
6.3.1. Редактирование сетки .................................. 328
6.3.2. Переразбиение сетки ................................... 329
6.3.3. Очистка сетки ............................................... 330
6.3.4. Редактирование параметров сетки
на импортированной геометрии ............................ 331
6.3.5. Создание окантовок и ребер жесткости ........ 331
6.3.6. Сглаживание сетки ....................................... 333
6.4. Копирование сеток .................................................. 333
6.5. Создание сеток выдавливанием, вращением
и вытягиванием ..................................................... 334
6.5.1. Создание сеток выдавливанием ................... 334
6.5.2. Создание сеток вращением .......................... 337
6.5.3. Создание сеток вытягиванием ...................... 337
Глава 7
Моделирование соединений ................................ 338
7.1. Автоматический поиск и создание соединений ....... 340
7.2. Создание соединений на основе поверхностей
контакта ................................................................. 341
7.3. Свойства соединения .............................................. 342
7.4. Задание контактных сегментов ............................... 342
7.4.1. Выбор объектов, определяющих сегмент ..... 344
7.5. Создание соединения или контактной пары ........... 344
7.6. Создание объема жидкости .................................... 345
7.7. Создание сегментов болта ..................................... 347
7.8. Создание сегментов ротора ................................... 347
Глава 8
Нагрузки и граничные условия ............................. 349
8.1. Типы нагрузок ......................................................... 350
8.2. Создание и активация варианта нагрузок ................ 353
8.3. Объемные нагрузки ................................................. 354
8.4. Узловые нагрузки ................................................... 356
8.5. Элементные нагрузки .............................................. 359
8.5.1. Связь между узловыми и элементными
нагрузками ............................................................ 360
Стр.12
12
Содержание
8.6. Нелинейные силы .................................................... 362
8.7. Геометрические нагрузки ........................................ 363
8.7.1. Нагрузки в точке ........................................... 364
8.7.2. Нагрузки на кривой ....................................... 364
8.7.3. Нагрузки на поверхности .............................. 366
8.7.4. Приведение геометрических нагрузок
к узловым и элементным нагрузкам ....................... 367
8.8. Задание параметров нелинейного
и динамического нагружения ................................. 367
8.8.1. Параметры нелинейного нагружения ............ 368
8.8.2. Параметры динамического нагружения ........ 372
8.9. Манипулирование нагрузками ................................ 381
8.9.1. Создание нового варианта
копированием ........................................................ 381
8.9.2. Создание комбинаций нагрузок.................... 381
8.9.3. Создание нагрузок из выходных данных ...... 382
8.9.4. Преобразование нагрузок
со свободного тела в нагрузки варианта
нагружения ............................................................ 384
8.10. Граничные условия ................................................ 385
8.10.1. Создание и активация варианта
граничных условий ................................................. 385
8.10.2. Узловые закрепления ................................. 385
8.10.3. Использование симметрии модели ............ 387
8.10.4. Закрепления на геометрии ......................... 389
8.10.5. Приведение закреплений на геометрии
к узловым закреплениям ........................................ 391
8.10.6. Манипулирование закреплениями .............. 391
8.10.7. Уравнения связи ......................................... 391
8.10.8. Жесткие элементы на основе уравнений
связи ..................................................................... 392
8.10.9. Алгоритм наложения связей
на перемещения узлов ........................................... 393
8.10.10. Постоянные закрепления .......................... 395
8.11. Редактор данных на поверхностях – Data Surface
Editor ........................................................................ 395
Стр.13
Содержание
13
Глава 9
Управление отображением модели
и результатов ........................................................... 403
9.1. Команда выбора вида ............................................. 404
9.1.1. Отображение модели и выбор данных
для отображения модели ....................................... 405
9.1.2. Отображение результатов на модели ........... 406
9.1.3. Отображение нагрузок на свободное тело .... 411
9.1.4. Вывод графиков результатов расчета
и функциональных зависимостей модели ............. 412
9.2. Команда задания опций изображения ..................... 415
9.3. Команда назначения видимости объектов ............... 421
9.4. Структура выходных наборов данных ...................... 422
9.5. Манипулирование результатами ............................ 428
9.5.1. Создание и активация наборов и векторов
результатов ........................................................... 428
9.5.2. Создание выходных данных и заполнение
векторов результатов ............................................. 430
8.5.3. Манипулирование данными векторов
результатов ........................................................... 432
9.5.4. Обработка комплексных векторов ................ 440
Глава 10
Структура входного файла программы
Nastran и параметры анализа .............................. 444
10.1. Структура входного файла программы Nastran ...... 445
10.1.1. Секция управления выполнением
задания ................................................................. 445
10.1.2. Секция управления расчетными
случаями................................................................ 446
10.1.3. Секция основных исходных данных ............. 446
10.1.4. Параметры управления
последовательностью решения ............................. 448
10.1.5. Запись символов, целых и вещественных
чисел ..................................................................... 449
Стр.14
14
Содержание
10.1.6. Узлы ........................................................... 450
10.1.7. Системы координат .................................... 450
10.1.8. Элементы в NX Nastran ............................... 451
10.1.9. Задание свойств материалов ..................... 455
10.1.10. Статические нагрузки ............................... 456
10.1.11. Закрепления перемещений
в отдельных узлах .................................................. 457
10.1.12. Связь перемещений нескольких
узлов ..................................................................... 457
10.1.13. Параметры нелинейного расчета –
карта NLPARM ........................................................ 457
10.2. Группы степеней свободы .................................... 459
10.2.1. Описание групп степеней свободы ............. 459
10.2.2. Группы степеней свободы
при динамической редукции .................................. 462
10.3. Подготовка параметров анализа – создание
варианта анализа ................................................... 463
10.3.1. Структура варианта анализа ....................... 465
10.3.2. Опции разделов варианта анализа ............. 468
10.3.3. Параметры нелинейного анализа –
подраздел Nonlinear Options .................................. 470
10.3.4. Параметры модального анализа –
подраздел Modal/Buckling ..................................... 472
10.3.5. Параметры динамического анализа –
подраздел Dynamics .............................................. 474
Глава 11
Задачи статики в линейной
постановке .................................................................477
11.1. Расчет пластины с отверстием .............................. 478
11.2. Анализ прямоугольного кессона ............................ 485
11.2.1. Создание расчетной модели кессона
и решение статической задачи .............................. 486
11.2.2. Анализ результатов расчета
прямоугольного кессона ........................................ 492
Стр.15
Содержание
15
11.3. Проблемы сочетания элементов Веаm
и Membrane ........................................................... 495
11.4. Моделирование конструкций
из композиционных материалов ............................ 498
11.4.1. Двухосное растяжение пластины ............... 498
11.4.2. Моделирование трехслойных оболочек –
конструкций с заполнителем ................................. 503
11.4.3. Анализ цилиндрической оболочки
из композита ......................................................... 506
11.5. Анализ распределения усилий в заклепочном
шве ........................................................................ 516
11.6. Расчет незакрепленных конструкций ..................... 518
11.6.1. Рекомендации по выбору кинематических
степеней свободы .................................................. 522
11.6.2. Корректность решения ............................... 522
Глава 12
Нелинейный статический анализ
конструкций ............................................................. 524
12.1. Решение задачи запрессовки цилиндра ................ 525
12.1.1. Особенности моделирования .................... 527
12.1.2. Анализ результатов .................................... 533
12.1.3. Моделирование контакта с помощью
аппарата Connect ................................................... 535
12.2. Анализ остаточных деформаций рессоры ............. 536
Глава 13
Решение контактных задач ................................... 547
13.1. Решение задачи контакта трубы и втулки .............. 548
13.1.1. Моделирование контакта элементами
Slide Line ................................................................ 549
13.1.2. Анализ результатов по элементу Slide Line .. 556
13.1.3. Моделирование контакта средствами
Connect .................................................................. 557
13.2. Анализ контакта в отверстии элементами GAP ...... 561
Стр.16
16
Глава 14
Содержание
Анализ устойчивости и несущей способности ... 564
14.1. Линейный анализ устойчивости............................. 565
14.2. Расчет потери устойчивости цилиндрической
оболочки ............................................................... 572
14.2.1. Создание расчетной модели и анализ
устойчивости по Эйлеру ........................................ 573
14.2.2. Анализ результатов расчета потери
устойчивости ........................................................ 575
14.3. Потеря устойчивости конструкций, работающих
на растяжение ....................................................... 578
14.4. Деформационный анализ устойчивости ............... 581
14.5. Устойчивость цилиндрической оболочки ............... 582
14.6. Анализ несущей способности стрингерной
панели ................................................................... 585
14.7. Анализ систем с прощелкиванием ........................ 590
14.7.1. Анализ закритического поведения
пологой оболочки .................................................. 592
14.8. Выполнение рестартов .......................................... 596
14.8.1. Использование рестартов в нелинейных
расчетах ................................................................ 598
14.8.2. Анализ закритического поведения
конструкций с использованием рестарта ............... 601
Глава 15
Фрагментация модели ........................................... 604
15.1. Получение граничных условий для фрагмента
из анализа полной модели ..................................... 608
15.2. Решение статических задач с использованием
подконструкций ..................................................... 614
Глава 16
Динамический анализ конструкций .................... 618
16.1. Уравнения движения ............................................. 619
16.1.1. Система с одной степенью свободы ........... 620
16.1.2. Система со многими степенями свободы
и проблема собственных значений ........................ 626
Стр.17
Содержание
17
16.2. Анализ собственных форм и частот ...................... 632
16.2.1. Вычисление собственных форм
и частот квадратной пластины ............................... 633
16.2.2. Собственные формы и частоты
преднапряженных конструкций .............................. 635
16.3. Анализ переходных процессов .............................. 637
16.3.1. Метод разложения по собственным
формам ................................................................. 640
16.3.2. Метод прямого интегрирования ................ 642
16.4. Частотный анализ отклика .................................... 645
16.4.1. Колебания консольной балки ...................... 645
16.4.2. Колебания идеализированного прямого
крыла .................................................................... 650
16.5. Спектральный анализ ............................................ 655
16.5.1. Генерация спектра отклика ......................... 659
16.5.2. Приложение спектра отклика ...................... 665
16.5.3. Анализ сейсмических воздействий ............. 669
16.6. Применение подконструкций в задачах
динамики. Прямой матричный ввод ....................... 674
16.6.1. Метод Релея–Ритца .................................... 675
16.6.2. Редукция по Гайану – метод статической
конденсации .......................................................... 675
16.6.3. Покомпонентный синтез форм ................... 677
16.6.4. Применение прямого матричного ввода ..... 678
Глава 17
Нелинейный динамический анализ .................... 683
17.1. Моделирование копровых испытаний
рессорного шасси ................................................. 684
Глава 18
Оптимизация конструкций .................................... 694
18.1. Общая формулировка проблемы оптимизации ..... 696
18.2. Обзор оптимизационной модели........................... 703
18.3. Создание оптимизационной модели
в программе Femap ............................................... 704
18.4. Оптимизация трехстержневой фермы ................... 708
Стр.18
18
Содержание
18.5. Проектирование оптимальной окантовки
оконного выреза .................................................... 711
18.6. Оптимизация стыка цилиндрической
и сферической поверхностей оболочки ................. 723
Глава 19
Анализ ошибок ......................................................... 732
19.1. Плохая обусловленность и вырожденность
матрицы жесткости .................................................. 733
19.2. Выявление механизмов и вырожденных
степеней свободы в модели ................................... 738
19.3. Применение нелинейного вида анализа
для получения более устойчивого результата ........ 740
19.4. Диагностика ошибок в NX Nastran .......................... 742
Глава 20
Основы выполнения тепловых расчетов............ 749
20.1. Анализ прочности учетом температур ................... 750
20.2. Модель для теплового расчета .............................. 751
20.2.1. Конечные элементы .................................... 752
20.2.2. Материалы ................................................. 753
20.2.3. Нагрузки и граничные условия .................... 753
20.2.4. Начальные условия ..................................... 754
20.3. Пример выполнения теплового расчета ................ 755
20.3.1. Стационарный тепловой расчет .................. 755
20.3.2. Нестационарный тепловой расчет .............. 757
20.4. Анализ прочности при действии тепловых
нагрузок ................................................................ 760
20.4.1. Тепловой расчет оболочки .......................... 761
20.4.2. Статический расчет оболочки
при температурном нагружении ............................ 764
Список литературы ................................................. 766
Предметный указатель ............................................... 768
Стр.19