3.7 结构分析基础实例
3.7.1 实例：框架模型线性静力学分析
本节以一个框架模型为例，展示线性静力学分析的整个过程。框架模型如图3-8所示，约束前后板安装点上的自由度，在右边板的连接处施加集中载荷。基础模型仅包含网格及连接，需要创建材料、属性、固定约束、集中力载荷、线性静力学分析步。
图3-8 框架模型
模型设置
Step 01 创建线弹性材料。
- 打开HyperMesh，将求解器模板切换到OptiStruct。首先由File->Import菜单项导入frame＿as-semble＿base.fem模型。
- 在模型浏览器（Model Browser空白处右击并选择Create->Material，创建名为steel的材料卡片，卡片类型为MAT1，杨氏模量为210000MPa，泊松比为0.3，密度为7.85e-09。详细设置如图3-9所示。
Step 02 创建PSHELL属性。
- 在模型浏览器空白处右击并选择Create->Property，创建名为shell的属性卡片，卡片类型为PSHELL，关联上一步创建的steel材料，厚度设置为1mm。详细设置如图3-10所示。
- 按住‹Ctrl›键，同时选择1～11号以及20号component，在属性窗口将创建的shell属性赋予所有被选中的component。
图3-9 创建线弹性材料
图3-10 创建PSHELL属性
Step 03 创建约束。
- 在模型窗口选中Right＿Rail＿2和Left＿Rail＿2两个component，然后单独显示。
- 在模型浏览器空白处右击并选择Create->Load Collector，创建名为SPC的空约束卡片，卡片类型为None。
- 由Analysis->constraints进入创建约束面板。选择两个component 8个孔上的所有节点，勾选dof1～dof6，按图3-11所示设置创建约束。所有约束都保存到名为SPC的Load Collector中。
图3-11 创建约束
Step 04 创建载荷。
- 在模型浏览器空白处右击并选择Create->Load Collector，创建名为Force的空载荷卡片，卡片类型为None。
- 由Analysis->forces进入创建集中力面板。选择12336号节点，施加Y轴正方向500N的集中力。另外，在14751和14752号节点上分别施加Y轴正方向100N的集中力载荷，如图3-12及图3-13所示。
图3-12 创建集中力载荷
Step 05 创建分析步。在模型浏览器空白处右击并选择Create->Load Step，创建名为Force的载荷步。分析类型为Linear Static，SPC栏选择名为SPC的Load Collector，Load栏选择名为Force的集中力载荷，如图3-14所示。
图3-13 三个集中力载荷
图3-14 创建分析步
Step 06 提交计算。由Analysis->OptiStruct进入提交计算界面，在input file栏选择模型文件保存路径，按图3-15所示进行设置，单击OptiStruct提交计算。弹出图3-16所示的计算界面，并显示ANALYSIS COMPLETED，表示计算完成。
图3-15 提交计算
图3-16 计算界面
结果查看
单击图3-16中的Results按钮，将自动打开HyperView并读取计算结果.h3d文件。全局最大位移为0.82mm，最大应力为172.1MPa，位移及应力云图如图3-17所示。
图3-17 位移及应力云图
3.7.2 实例：飞机舱段结构屈曲分析
本例以飞机舱段结构为例，展示线性屈曲分析流程。模型为蒙皮加筋结构，如图3-18所示，该结构是机身和机翼的重要组成部分。对蒙皮面言，屈曲是其主要的设计失效模式，因而临界屈曲载荷是蒙皮结构强度的重要表征。模型中约束机身筒段一端，在另外一端施加弯矩，通过线性屈曲分析计算该弯矩的临界载荷。基础模型中已包含静力学分析工况，这里需要创建屈曲分析工况，解读屈曲分析结果。
模型设置
Step 01 导入并检查模型。打开HyperMesh，将求解器模板切换到OptiStruct。首先由File->Im-port导入fuselage＿base.fem模型，模型中已定义好线性静力学分析步，机身一端施加固定约束，另一端施加绕Y轴的弯矩1×1010N·mm，如图3-18所示。
Step 02 定义EIGRL卡片。
- 屈曲分析需要提取结构特征值，因此需要定义EIGRL卡片。
- 在模型浏览器中右击并创建名为EIGRL的Load Collector，卡片类型为EIGRL，模态频率下限为0Hz，模态阶次为一阶，具体设置如图3-19所示。
- 只要发生屈曲，即认为结构已经损坏，因此不需要关注更高阶次的屈曲。
Step 03 创建屈曲分析步。在模型浏览器中右击并创建名为buckling的分析步，分析类型为Linear buckling，STATSUB（BUCKLING）选择名为static的线性静力学分析步，METHOD（STRUCT）选择EIGRL卡片。具体设置如图3-20所示。
图3-18 线性静力学工况
图3-19 EIGRL卡片
图3-20 线性屈曲分析工况
Step 04 提交计算。由Analysis->OptiStruct面板提交计算，单击save as按钮可选择模型及结果文件保存路径，详细设置如图3-21所示。
图3-21 提交计算
结果查看
1）计算完成后，直接单击HyperMesh提交计算界面上的HyperView按钮，自动打开HyperView并导入结果文件。静力学工况下结构最大应力为112.7MPa，最大位移为6.2mm，如图3-22所示。
图3-22 静力学工况位移及应力云图
2）在Results浏览器中，将工况切换为buckling，如图3-23所示，屈曲因子为5.85，static工况中施加的弯矩为1×1010N·mm，因此整个模型发生一阶屈曲的临界弯矩为5.85×1010N·mm。屈曲形状云图如图3-23所示，屈曲发生在机身下部。
图3-23 屈曲分析结果
3.7.3 实例：汽车转向节惯性释放分析
本例以汽车转向节为例，展示惯性释放分析流程。转向节通过各种铰链连接到底盘系统上，在进行转向节的强度校核时，可首先通过多体动力学分析得到铰接点的力，然后将这些力施加到转向节上。转向节并没有施加任何约束，故可通过惯性释放的方式进行分析。在转向节的疲劳分析中，也会在每个连接点的每个自由度方向施加单位载荷，进行惯性释放分析，将单位载荷下的应力结合载荷历史进行疲劳分析。本模型只是一个流程展示，并没有取实际多体动力学分析中的载荷。模型如图3-24所示，基础模型已包含网格、材料、属性、载荷，接下来需要创建LOADADD，设置惯性释放参数，创建分析步提交计算。
模型设置
Step 01 导入并检查模型。打开HyperMesh，将求解器模板切换为OptiStruct。由File->Import导入kunckle＿inertia＿base.fem模型。模型已经在各拉杆球销以及耦合点创建好相应的力载荷，如图3-24所示。
图3-24 转向节载荷
Step 02 创建LOADADD卡片。
- OptiStruct不支持单个工况添加多个载荷卡片，因此需要创建一个LOADADD卡片将所有（10个）载荷放到一个载荷卡片中。
- 在模型浏览器中右击并创建Load Collector，命名为loadadd，将卡片类型修改为LOADADD，具体设置如图3-25所示。
图3-25 LOADADD卡片详情
Step 03 创建线性静力学分析步。在模型浏览器中右击并创建名为inertia的载荷步，将分析类型切换为Linear Static，在LOAD栏关联loadadd，详细设置如图3-26所示。
Step 04 定义惯性释放参数。由Analysis->control cards->PARAM->INREL激活惯性释放参数，并将INREL＿V1设置为-2。具体设置如图3-27所示。
图3-26 线性静力学分析步
图3-27 惯性释放参数
Step 05 提交计算。由Analysis->OptiStruct面板提交计算，单击save as按钮可选择模型及结果文件保存路径。具体设置如图3-28所示。
图3-28 提交计算
结果查看
惯性释放分析结果的位移是相对位移，没有实际意义。整个模型最大应力为251.4MPa，查看ISO云图可知，应力主要集中在两个球销位置。应力云图如图3-29所示。
图3-29 应力云图