平板孔口参数化模型的程序实现方法

邓文亮

摘 要：针对工程应用中常见的带孔板面构件，在PATRAN平台建立了参数化有限元模型，采用NASTRAN软件进行有限元分析，得到孔口最大应力。结果表明，圆孔直径与圆孔边的最大应力关系密切，圆孔直径增大，圆孔边的最大应力随之增大，当圆孔直径接近平板宽度，圆孔边的最大应力趋于无限大。该结论对于飞机设计人员有着很直观的效果和指导意义。

关键词：PATRAN/NASTRAN；孔板；应力集中；数值模拟；二次开发

中图分类号：V421.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0135-03

Abstract： The parametric finite element model is established on the PATRAN platform for the common panel members with holes in engineering application. The maximum stress at the orifice is obtained by finite element analysis with NASTRAN software. The results show that the diameter of the circular hole is closely related to the maximum stress on the edge of the circular hole. The maximum stress on the edge of the circular hole increases with the increase of the diameter of the circular hole. When the diameter of the circular hole approaches the width of the flat plate， the maximum stress on the edge of the circular hole tends to infinity. This conclusion has a very intuitive effect and guiding significance for aircraft designers.

Keywords： PATRAN/NASTRAN； orifice plate； stress concentration； numerical simulation； secondary development

1 概述

在金属结构设计中，常常会根据需要在工件上加工出一定直径的圆孔，由于孔口的存在必然破坏金属材料的连续性，进而引起主应力弯曲绕行[1]。应力作用线在孔边密集弯曲，造成局部应力增大的现象，这就是材料力学中常见的应力集中现象。应力集中的存在会使材料的脆性加大，构件的强度降低，尤其会严重影响交变应力下构件的持久疲劳极限[2]。因此利用现代计算机技术数值模拟分析带圆孔平板受力工况进行数值模擬，建立参数化有限元模型，通过数值分析得出最优的开孔直径，这样在满足结构强度要求的前提下，可以减轻结构重量，尤其对于飞机设计人员有着很直观的效果和指导意义。

本文描述了平板孔口参数化模型的程序实现方法，重点介绍了圆孔直径最大化的建立方法以及约束的自动施加。

2 基本理论

图1表示厚度为t，宽度为B的板条，在中心线上有一直径为d的圆孔。当板条拉伸时，？滓max发生在最小截面y-y上圆孔边缘的A点。

3 平板孔口参数化模型实现

3.1 平板孔口参数化设计

根据平板孔口的参数形式，设计了的参数输入菜单，图2显示了下拉式参数菜单。主要的PCL函数是：

uil_primary.get_menubar_id（）

//得到MSC/PATRAN 菜单标识号

ui_menu_create（） //创建菜单

ui_cascadeitem_create（） //创建菜单条目

ui_item_create（） //创建子菜单

ui_exec_function（） //显示菜单条目

3.2 平板孔口的参数输入窗体

根据平板孔口的参数描述，应用MSC.Patran的PCL语言编写了输入窗体（图3）。该程序需要应用MSC.Patran提供的窗体框架定义（appforms.p，appstrings.p，uiforms.p），同时所编写的PCL程序需要应用CPP编译转换为CPP程序，以此就包含了窗体筐架定义参数。主要的PCL函数是：

ui_form_create（） //建立窗体

ui_labelicon_create（） //建立标识符

ui_databox_create（ ） //数据输入

ui_form_display（ "Yuankong" ） //显示窗体

ui_form_hide（ "Yuankong" ） //隐藏窗体

ui_writec（） //消息输出

ui_wid_get（databox1_id，"VALUE"， d ）

//获取输入数据

3.3 绘制几何图形

几何图形的绘制是应用MSC.Patran的PCL语言，按照图3输入的几何参数进行的。主要的PCL函数是：

ui_form_create（） //建立窗体

ui_labelicon_create（） //建立标识符

ui_databox_create（） // 数据输入

ui_form_display（"Yuankong"）//显示窗体

ui_form_hide（"Yuankong"）// 隐藏窗体

ui_writec（） // 消息输出

ui_wid_get（databox1_id， "VALUE"， d ）

获取输入数据

3.4 模型自动建立

平板孔口应力集中的有限元模型采用二维单元。应用PATRAN的PCL语言，调用相关函数完成有限元模型的建立，所有参数皆通过文件方式传递，建立的有限元模型见图4。

为了能够使得圆孔直径尽可能大，采用了建立线段中点函数，在宽度方向以线段中点为判据可以达到圆孔直径无线接近平板宽度。

主要的PCL函数是：

asm_const_grid_xyz（） //建立点

asm_const_line_2point（） //连点连线

asm_const_grid_interp_point（） //建立线段中点

sgm_const_surface_2curve（） //建立平面

sgm_transform_mirror（） //面镜像

fem_create_nodes_1 （） // 建立节点

fem_create_mesh_surf_4（） //网格划分

fem_equiv_all_group4 （） // 合并重合点

material.create（） // 定义材料

elementprops_create（） //定义材料特性

loadsbcs_create2（）//定义载荷与约束

pref_fa_set（） //隐藏标识符

ui_answer_message（）//自动回答响应函数

3.5 生成NAS卡片数据

通过PCL[3]函数调用实现NASTRAN计算工况的定义。由于该方向模型没有约束，而有限元分析时又必须包含约束，因此，设置了NASTRAN提供的补充约束参数：PARAM，BAILOUT，-1，该参数输入方法为：点击PATRAN平台分析选项Analysis→Subcases→Direct Text Imput中的窗体输入平确定。主要的PCL函数是：

mscnastran_subcase.create（） //计算工况

mscnastran_subcase.create_char_param（） //载荷定义

jobfile.open（）// PATRAN数据库自动打开

jobfile.close（）//PATRAN数据库自动关闭

3.6 进行NAS分析

根据当前路径确定PATRAN数据库文件名称，同时确定NASTRAN执行程序的路径，调用PCL函数utl_process_spawn进行平板孔口应力集中的自动计算。

3.7 NAS结果数据读取

自动显示平板孔口应力集中的等效应力云图和位移云图。主要的PCL函数是：

ga_viewport_create（） //新建窗体

res_data_load_dbresult（）//显示位移结果

res_data_load_dbresult（） //显示应力结果

uil_viewport_post_groups.posted_groups（） //切换显示组云图显示结果见图5和图6。

4 实例计算

对圆孔直径参数化，其他参数描述为：平板长度为0.6m，平板宽度为0.02m平板厚度为0.02m，材料弹性模量为1.0×1012Pa，材料泊松比为0.3，拉伸载荷为40000N，温度载荷为20℃常温度。圆孔直径与孔边最大应力计算结果见图7。圆孔板应力集中系数计算结果见图8，计算结果与理论值[3]相当吻合。

5 结束语

通过数值仿真可以发现，圆孔直径与圆孔边的最大应力关系密切，圆孔直径增大，圆孔边的最大应力随之增大，当圆孔直径接近平板宽度，圆孔边的最大应力趋于无限大，事实上，当圆孔直径大于平板宽度之半，其应力水平已经很高。

圆孔直径过小，最大应力则出现在平板边角处，根据圣维南原理：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一點的主矩也相同），那么近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。

参考文献：

[1]任学平，高耀东.弹性力学基础及有限单元法[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[2]杨立权，杨立专，吕青青，等.平板孔口应力集中的数值模拟及理论分析[J].煤矿机械，2012（2）：65-67.

[3]MSC Software.Patran PCL reference[K].2012.