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一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510433649.7

申請日:

2015.07.22

公開號:

CN105069201A

公開日:

2015.11.18

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150722|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 太原重工軌道交通設備有限公司; 太原科技大學; 太原市萬柏林區博睿金屬成型技術中心
發明人: 王群娣; 田繼紅; 閆耀洲; 張河清; 魏華成; 候佩云; 李樹林; 游曉紅; 劉志祥; 李景丹; 郭豐偉
地址: 030024山西省太原市經濟技術開發區電子街17號
優先權:
專利代理機構: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101 代理人: 王思俊
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510433649.7

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.20|||2015.12.16|||2015.11.18

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法,屬于有限元數值模擬機械強度分析技術領域。本發明針對通用有限元軟件對構件在不同工況條件下的應力狀態進行特定理論要求的綜合分析時可能會遇到的困難,其特征是:基于MSC.Marc/Mentat 2005軟件對不同工況條件下構件的有限元應力分析結果,通過提取各工況條件下單元積分點的應力分量數據,在通用有限元軟件之外設置并計算求解自定義應力函數數據,并通過數據替換的手段實現自定義應力函數數據在MSC.Marc/Mentat 2005有限元模型上的可視化顯示。本發明的優點及積極效果在于實現方法簡單易行,適用范圍廣,可避開專業軟件或二次開發的使用局限。

權利要求書

1.一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法,其特征是:在計算
機上基于MSC.Marc/Mentat2005軟件實現,其實施步驟是:
(1)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的PREPROCESSING
下完成以下操作:(1-1)在MESHGENERATION菜單下,設定COORDINATESYSTEM
選項為RECTANGULAR,并建立所要分析構件的合格的三維全六面體網格模型;
點擊ELEMENTTYPES->MECHANICAL->3-DSOLID->7->OK,并選擇所有單元,
將所有單元的類型指定為8節點六面體單元,連續兩次點擊RETURN返回到
MESHGENERATION菜單下;點擊SWEEP命令,進入SWEEP菜單,在SWEEP下
點擊ALL,在REMOVEUNUSED下點擊NODES和POINTS,點擊RETURN返回MESH
GENERATION菜單下;點擊RENUMBER->ALL;點擊MAIN回到MAINMENU界面;
(1-2)在GEOMETRICPROPERTIES菜單下,點擊NEW,新建NAME名為geom1
的幾何特性,并通過以下操作定義NAME名為geom1的幾何特性:在
MECHANICALELEMENTS下點擊3-D->SOLID->ASSUMEDSTRAIN->OK;將NAME
名為geom1的幾何特性施加到所有單元;點擊MAIN回到MAINMENU界面;
(1-3)在MATERIALPROPERTIES菜單下,點擊NEW,新建NAME名為material1
的材料特性,并通過以下操作定義NAME名為material1的材料特性:在
MECHANICALMATERIALTYPES下點擊ISOTROPIC,在相應ISOTROPIC
PROPERTIES菜單下填寫所需的相關材料特性的數值,點擊OK確認;將NAME
名為material1的材料特性應用到所有單元;點擊MAIN回到MAINMENU界面;
(1-4)在BOUNDARYCONDITIONS菜單下,在BOUNDARYCONDITIONCLASS下
選中MECHANICAL,針對工況條件1、工況條件2……直至工況條件N下的每
一個約束條件和每一個載荷,分別新建不同的邊界條件并分別命名,并加載
到相應點、線、面、節點、單元、單元邊、單元面等元素上,N為所有工況
條件的數量,且N為正整數,設置完畢后點擊MAIN回到MAINMENU界面;
(2)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的ANALYSIS下完成以下
操作:(2-1)在JOBS菜單下,通過以下操作設置工況條件1對應的job1并提交
有限元計算:點擊NEW,新建NAME名為job1,在ANALYSISCLASS下選中
MECHANICAL,在MECHANICALANALYSISCLASS菜單下選中INITIALLOADS,在
SELECTINITIALLOADS菜單下的BOUNDARYCONDITIONS下選中工況條件1下的
所有約束條件以及所有載荷對應的邊界條件名,點擊OK確認并返回上級菜單;
在MECHANICALANALYSISCLASS菜單下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,
在POSTFILE下選定文件輸出格式為ASCII,在AVAILABLEELEMENTTENSORS
下僅選中Stress,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS
菜單的ANALYSISDIMENSION下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊
CHECK檢查有限元模型,并按照提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,
在RUNJOB菜單下點擊SUBMIT(1),提交有限元分析計算;當EXITNUMBER顯
示為3004時有限元分析計算結束,所分析計算的結果會自動存入文件名為
case_job1.t19的有限元計算結果文件中,點擊OK返回JOBS菜單;(2-2)類比
上述步驟(2-1),在JOBS菜單下,分別設置工況條件2、工況條件3……直至
工況條件N對應的job2、job3……直至jobN并提交有限元計算,注意對應的
NAME名分別為job2、job3……直至jobN,對應的在SELECTINITIALLOADS菜
單下的BOUNDARYCONDITIONS下分別選中工況條件2、工況條件3……直至工況
條件N下的所有約束條件以及所有載荷對應的邊界條件名,對應的分析計算的
結果會自動存入文件名為case_job2.t19、case_job3.t19……直至
case_jobN.t19的有限元計算結果文件中;(2-3)在JOBS菜單下,通過以下操
作設置一個特定工況條件的job并提交有限元分析:點擊NEW,修改NAME項為
job,在ANALYSISCLASS下選中MECHANICAL,在MECHANICALANALYSISCLASS
菜單下選中INITIALLOADS,在SELECTINITIALLOADS菜單下的BOUNDARY
CONDITIONS下僅選中任一工況條件下的所有約束條件對應的邊界條件名,不
包括載荷,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單
下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,在POSTFILE下選定文件輸出格式
為ASCII,在AVAILABLEELEMENTSCALARS下通過選中UserDefinedVar#1
(UserSubPlOTV)、UserDefinedVar#2(UserSubPlOTV)……直到User
DefinedVar#M(UserSubPlOTV)來定義M個自定義輸出量,M為按照特定
的理論要求設置綜合分析所需要的自定義應力函數的個數,M為正整數,設置
完畢后點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單下的
ANALYSISDIMENSION下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊CHECK檢
查有限元模型,并按照提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,在RUNJOB
菜單下點擊SUBMIT(1),提交有限元分析計算,當EXITNUMBER顯示為3004
時有限元分析計算結束,所分析計算的結果會自動存入case_job.t19的有限
元計算結果文件中,點擊OK返回JOBS菜單;(2-4)點擊MAIN回到MAINMENU
界面,點擊FILES進入FILEI/O菜單,在MODEL下保存文件名為case.mud;
(3)以記事本格式打開上述后綴名為“.t19”的所有有限元計算結果文
件,每個文件中均可找到關鍵字A和后面與之最接近的關鍵字B,所述關鍵字A
為“=beg=52300(ElementIntegrationPointValues)”,所述關鍵字B為
“=end=”;在case_job1.t19、case_job2.t19……直至case_jobN.t19的有
限元分析計算結果文件中的所述關鍵字A和后面與之最接近的所述關鍵字B之
間的數據為相應工況條件下按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點
的六個應力分量的數據,所述六個應力分量的存放順序為:σxσyσzτxyτyz
τzx;在case_job.t19的有限元分析計算結果文件中的所述關鍵字A和后面與
之最接近的所述關鍵字B之間的數據為所述特定工況條件下按照單元編號順
序依次存放所有單元8個積分點的所述M個自定義輸出量的數據,所述M個自定
義輸出量的數據的存放順序為:UserDefinedVar#1(UserSubPLOTV)、
UserDefinedVar#2(UserSubPLOTV)……直到UserDefinedVar#M
(UserSubPLOTV);
(4)按照特定的理論要求設置綜合分析所需要的M個自定義應力函數,
所述M個自定義應力函數均是所述工況條件1、工況條件2……直至工況條件N
下的所有單元8個積分點的六個應力分量的函數;利用所述工況條件1、工況
條件2……直至工況條件N下所有單元8個積分點的六個應力分量數據在
MSC.Marc/Mentat2005軟件之外進行計算求解,確定并按照單元編號順序依
次存放所有單元8個積分點的M個自定義應力函數的數據,所述M個自定義應力
函數的數據格式以及存放格式要求與所述M個自定義輸出量的數據格式以及
存放格式完全相同,所述M個自定義應力函數的數據的存放順序可自行擬定,
并以記事本文件格式保存為shuju.txt;
(5)以記事本格式打開文件名為case_job.t19的有限元分析計算結果文
件,找到所述特定工況條件下按照單元編號順序依次存放的所有單元8個積分
點的所述M個自定義輸出量的數據,并用shuju.txt中按照單元編號順序依次
存放的所有單元8個積分點的所述M個自定義應力函數的數據替換,另存
case_job.t19為case_zong.t19;
(6)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的POSTPROCESSING下完
成以下步驟:點擊RESULTS,在POSTFILE下點擊OPEN打開case_zong.t19文件,
在SCALARPLOT下點擊SCALAR,在SELECTPOSTSCALAR下選中UserDefined
Variable1直到UserDefinedVariableM中的第J項,J為正整數且1≤J≤M,
通過選擇SCALARPLOT下的CONTOURBANDS、CONTOURLINES等相應選項可以
在RESULTS圖形界面中所述構件的三維六面體單元模型上以云圖、等值線等可
視化方式顯示第J個自定義應力函數的數據。

說明書

一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法

技術領域

本發明屬于有限元數值模擬機械強度分析領域,具體涉及一種自定義應力
函數的求解和可視化顯示方法。

技術背景

有限元法是一種利用數學近似的方法對真實物理系統進行虛擬仿真的數值
模擬技術,可分析構件在外負載狀態下的應力、應變和位移等場量信息。
MSC.Marc/Mentat2005是國際著名的通用有限元分析軟件,其中,MSC.Marc2005
是有限元分析模塊,MSC.Mentat2005是可視化的前后處理圖形交互對話界面,
其后處理可方便地以等值線、云圖等方式顯示構件的有限元分析結果。

在機械強度分析領域,采用有限元法來計算構件在確定工況條件下的應力
狀態已經被廣泛應用,大多數通用有限元軟件都可以實現該功能。但很多時候,
設計者不但需要關注構件在某一確定工況條件下的應力狀態,還需要根據特定
的理論要求對構件在不同工況條件下的應力狀態進行綜合分析并將結果可視化
顯示,而這種綜合分析以及可視化顯示往往超出了通用有限元軟件本身的功能,
因此只能選用專業軟件或對通用有限元軟件進行二次開發。由于專業軟件的發
展始終落后于相關理論的發展,而且對通用有限元軟件進行二次開發對操作者
要求較高,所以這種根據特定的理論要求對構件在不同工況條件下的應力狀態
進行綜合分析以及可視化顯示的技術需求往往無法及時得到相應的技術支持,
給工作帶來了很多困難。

發明內容

本發明的目的在于利用通用有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat2005,提供
一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法,來實現這種根據特定的理論要
求對構件在不同工況條件下的應力狀態進行綜合分析并將結果可視化顯示的功
能,解決當前存在的一些技術困難。

本發明是通過以下技術方案實現的,其特征是:在計算機上基于
MSC.Marc/Mentat2005軟件實現,其實施步驟是:

(1)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的PREPROCESSING下完
成以下操作:(1-1)在MESHGENERATION菜單下,設定COORDINATESYSTEM選
項為RECTANGULAR,并建立所要分析構件的合格的三維全六面體網格模型;點擊
ELEMENTTYPES->MECHANICAL->3-DSOLID->7->OK,并選擇所有單元,將所有單
元的類型指定為8節點六面體單元,連續兩次點擊RETURN返回到MESH
GENERATION菜單下;點擊SWEEP命令,進入SWEEP菜單,在SWEEP下點擊ALL,
在REMOVEUNUSED下點擊NODES和POINTS,點擊RETURN返回MESHGENERATION
菜單下;點擊RENUMBER->ALL;點擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-2)在
GEOMETRICPROPERTIES菜單下,點擊NEW,新建NAME名為geom1的幾何特性,
并通過以下操作定義NAME名為geom1的幾何特性:在MECHANICALELEMENTS下
點擊3-D->SOLID->ASSUMEDSTRAIN->OK;將NAME名為geom1的幾何特性施加到
所有單元;點擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-3)在MATERIALPROPERTIES菜
單下,點擊NEW,新建NAME名為material1的材料特性,并通過以下操作定義
NAME名為material1的材料特性:在MECHANICALMATERIALTYPES下點擊
ISOTROPIC,在相應ISOTROPICPROPERTIES菜單下填寫所需的相關材料特性的
數值,點擊OK確認;將NAME名為material1的材料特性應用到所有單元;點
擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-4)在BOUNDARYCONDITIONS菜單下,在BOUNDARY
CONDITIONCLASS下選中MECHANICAL,針對工況條件1、工況條件2……直至工
況條件N下的每一個約束條件和每一個載荷,分別新建不同的邊界條件并分別
命名,并加載到相應點、線、面、節點、單元、單元邊、單元面等元素上,N為
所有工況條件的數量,且N為正整數,設置完畢后點擊MAIN回到MAINMENU界
面;

(2)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的ANALYSIS下完成以下操
作:(2-1)在JOBS菜單下,通過以下操作設置工況條件1對應的job1并提交有限
元計算:點擊NEW,新建NAME名為job1,在ANALYSISCLASS下選中MECHANICAL,
在MECHANICALANALYSISCLASS菜單下選中INITIALLOADS,在SELECTINITIAL
LOADS菜單下的BOUNDARYCONDITIONS下選中工況條件1下的所有約束條件以及所
有載荷對應的邊界條件名,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSIS
CLASS菜單下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,在POSTFILE下選定文件
輸出格式為ASCII,在AVAILABLEELEMENTTENSORS下僅選中Stress,點擊OK確
認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單的ANALYSISDIMENSION
下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊CHECK檢查有限元模型,并按照
提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,在RUNJOB菜單下點擊SUBMIT(1),
提交有限元分析計算;當EXITNUMBER顯示為3004時有限元分析計算結束,所分
析計算的結果會自動存入文件名為case_job1.t19的有限元計算結果文件中,點
擊OK返回JOBS菜單;(2-2)類比上述步驟(2-1),在JOBS菜單下,分別設置工
況條件2、工況條件3……直至工況條件N對應的job2、job3……直至jobN并提交
有限元計算,注意對應的NAME名分別為job2、job3……直至jobN,對應的在
SELECTINITIALLOADS菜單下的BOUNDARYCONDITIONS下分別選中工況條件2、
工況條件3……直至工況條件N下的所有約束條件以及所有載荷對應的邊界條件
名,對應的分析計算的結果會自動存入文件名為case_job2.t19、
case_job3.t19……直至case_jobN.t19的有限元計算結果文件中;(2-3)在JOBS
菜單下,通過以下操作設置一個特定工況條件的job并提交有限元分析:點擊
NEW,修改NAME項為job,在ANALYSISCLASS下選中MECHANICAL,在MECHANICAL
ANALYSISCLASS菜單下選中INITIALLOADS,在SELECTINITIALLOADS菜單下的
BOUNDARYCONDITIONS下僅選中任一工況條件下的所有約束條件(不包括載荷)
對應的邊界條件名,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS
菜單下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,在POSTFILE下選定文件輸出格
式為ASCII,在AVAILABLEELEMENTSCALARS下通過選中UserDefinedVar#1
(UserSubPlOTV)、UserDefinedVar#2(UserSubPlOTV)……直到User
DefinedVar#M(UserSubPlOTV)來定義M個自定義輸出量,M為按照特定的
理論要求設置綜合分析所需要的自定義應力函數的個數,M為正整數,設置完畢
后點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單下的
ANALYSISDIMENSION下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊CHECK檢查
有限元模型,并按照提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,在RUNJOB菜
單下點擊SUBMIT(1),提交有限元分析計算,當EXITNUMBER顯示為3004時有限
元分析計算結束,所分析計算的結果會自動存入case_job.t19的有限元計算結
果文件中,點擊OK返回JOBS菜單;(2-4)點擊MAIN回到MAINMENU界面,點擊FILES
進入FILEI/O菜單,在MODEL下保存文件名為case.mud;

(3)以記事本格式打開上述后綴名為“.t19”的所有有限元計算結果文件,
每個文件中均可找到關鍵字A和后面與之最接近的關鍵字B,所述關鍵字A為
“=beg=52300(ElementIntegrationPointValues)”,所述關鍵字B為
“=end=”;在case_job1.t19、case_job2.t19……直至case_jobN.t19的有限
元分析計算結果文件中的所述關鍵字A和后面與之最接近的所述關鍵字B之間的
數據為相應工況條件下按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的六個
應力分量的數據,所述六個應力分量的存放順序為:σxσyσzτxyτyzτzx;在
case_job.t19的有限元分析計算結果文件中的所述關鍵字A和后面與之最接近
的所述關鍵字B之間的數據為所述特定工況條件下按照單元編號順序依次存放
所有單元8個積分點的所述M個自定義輸出量的數據,所述M個自定義輸出量的數
據的存放順序為:UserDefinedVar#1(UserSubPLOTV)、UserDefinedVar
#2(UserSubPLOTV)……直到UserDefinedVar#M(UserSubPLOTV);

(4)按照特定的理論要求設置綜合分析所需要的M個自定義應力函數,所
述M個自定義應力函數均是所述工況條件1、工況條件2……直至工況條件N下的
所有單元8個積分點的六個應力分量的函數;利用所述工況條件1、工況條件
2……直至工況條件N下所有單元8個積分點的六個應力分量數據在
MSC.Marc/Mentat2005軟件之外進行計算求解,確定并按照單元編號順序依次
存放所有單元8個積分點的M個自定義應力函數的數據,所述M個自定義應力函數
的數據格式以及存放格式要求與所述M個自定義輸出量的數據格式以及存放格
式完全相同,所述M個自定義應力函數的數據的存放順序可自行擬定,并以記事
本文件格式保存為shuju.txt;

(5)以記事本格式打開文件名為case_job.t19的有限元分析計算結果文
件,找到所述特定工況條件下按照單元編號順序依次存放的所有單元8個積分點
的所述M個自定義輸出量的數據,并用shuju.txt中按照單元編號順序依次存放
的所有單元8個積分點的所述M個自定義應力函數的數據替換,另存
case_job.t19為case_zong.t19;

(6)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的POSTPROCESSING下完成
以下步驟:點擊RESULTS,在POSTFILE下點擊OPEN打開case_zong.t19文件,在
SCALARPLOT下點擊SCALAR,在SELECTPOSTSCALAR下選中UserDefinedVariable
1直到UserDefinedVariableM中的第J項,J為正整數且1≤J≤M,通過選擇
SCALARPLOT下的CONTOURBANDS、CONTOURLINES等相應選項可以在RESULTS圖
形界面中所述構件的三維六面體單元模型上以云圖、等值線等可視化方式顯示
第J個自定義應力函數的數據。

本發明的優點及積極效果是:

(1)本發明可利用MSC.Marc/Mentat2005軟件平臺,提供一種簡單易用的
方法,使得在MSC.Marc/Mentat2005軟件之外經運算后的自定義應力函數數據
再返回到MSC.Mentat2005后處理界面中以云圖、等值線等可視化方式顯示。

(2)本發明所述的自定義應力函數可根據需求任意設置,克服了許多專業
商品軟件應用局限的缺點。

(3)本發明無須對MSC.Marc/Mentat2005軟件作只有專業人士才能完成的
程序二次開發工作,即可實現某些特定功能,簡便易用。

(4)本發明是在MSC.Marc/Mentat2005軟件平臺上,將積分點的應力數據
按照相關理論要求進行分析計算,再通過MSC.Mentat2005后處理程序自動插入
到節點上的。根據有限元理論分析可知,相對于節點處應力而言,積分點處的
應力更精確,所以采用積分點的應力內插或外延確定節點應力結果更為準確。

(5)因有限元應力分析時已經建立了相應的有限元單元模型,這樣只要把
相應數據導入即可輕松獲得所需的可視化顯示效果。

(6)可采用程序設計的方法或使用通用函數計算軟件提高積分點自定義
應力函數的計算效率。

附圖說明

圖1為異形截面懸臂梁在工況條件1下的受力狀態示意圖;

圖2為圖1的右視圖;

圖3異形截面懸臂梁在工況條件2下的受力狀態示意圖;

圖4為圖3的右視圖;

圖5為異形截面懸臂梁合格的三維全六面體網格模型;

圖6為加載了所有約束條件和所有載荷的異形截面懸臂梁的有限元模型;

圖7為case_job1.t19以記事本格式打開的部分數據界面;

圖8為case_job2.t19以記事本格式打開的部分數據界面;

圖9為case_job.t19以記事本格式打開的部分數據界面;

圖10為shuju.txt以記事本格式打開的部分數據界面;

圖11為case_zong.t19以記事本格式打開的部分數據界面;

因數據量非常大,為完整表達數據的結構,圖7至圖11中均采用三行省略
號來代替部分省略掉的數據;

圖12為綜合等效應力的云圖顯示;

圖13為綜合強度安全系數的云圖顯示;

圖14為綜合等效應力的等值線顯示;

圖15為綜合強度安全系數的等值線顯示;

圖中:

A——關鍵字“=beg=52300(ElementIntegrationPointValues)”;

B——關鍵字“=end=”;

C1——工況條件1和工況條件2下的位移邊界條件;

D1——工況條件1對應的有限元計算結果文件中第一個單元第1個積分點
的六個應力分量數據;

D2——工況條件2對應的有限元計算結果文件中第一個單元第1個積分點
的六個應力分量數據;

D3——特定工況條件下對應的有限元計算結果文件中第一個單元第1個積
分點的兩個自定義輸出量的數據;

D4——按照特定的理論要求計算獲得到的第一個單元第1個積分點的兩個
用戶自定義應力函數的數據,按照D3的數據格式以及存放格式排列;

D5——按照要求替換后case_zong.t19中的第一個單元第1個積分點的兩
個自定義應力函數的數據;

E1——工況條件1對應的有限元計算結果文件中按照單元編號順序依次存
放所有單元8個積分點的六個應力分量的數據;

E2——工況條件2對應的有限元計算結果文件中按照單元編號順序依次存
放所有單元8個積分點的六個應力分量的數據;

E3——特定工況條件下對應的有限元計算結果文件中按照單元編號順序依
次存放所有單元8個積分點的兩個自定義輸出量的數據;

E4——按照特定的理論要求計算獲得到的按照單元編號順序依次存放所有
單元8個積分點的兩個自定義應力函數的數據,按照E3的數據格式以及存放格
式排列;

E5——按照要求替換后case_zong.t19中的按照單元編號順序依次存放所
有單元8個積分點的兩個自定義應力分量數據;

F1——工況條件1的載荷;

F2——工況條件2的載荷;

具體實施方式

為詳細說明本發明的特點所在,茲以一較佳實施例并配合附圖說明。圖1和
圖2表達了異形截面懸臂梁在工況條件1下的受力狀態示意圖,圖3和圖4表達了
異形截面懸臂梁在工況條件2下的受力狀態示意圖,所示異形截面懸臂梁為同一
構件,形狀尺寸如圖示(單位:mm),材質為45鋼,材料彈性模量為2.1*105MPa,
屈服強度σs=360MPa,泊松比為0.3。工況條件1:一端固定,另一端承受載荷F1;
工況條件2:與工況條件1類似,一端固定,另一端承受載荷F2;特定的理論要
求如下:首先采用傳統等效應力理論分別分析該異形截面懸臂梁各點在工況條
件1和工況條件2下的等效應力,然后作綜合分析:比較該異形截面懸臂梁各點
在所述兩種工況條件下的等效應力,取較大值定義為該點的綜合等效應力
同時定義該點的綜合強度安全系數并且以云圖或等值線等可視化方
式顯示懸臂梁各點的綜合等效應力以及綜合安全系數n綜。顯然這種綜合分
析已經超出了通用有限元軟件本身的功能,而現階段又沒有相應的專業軟件可
供選用,對通用有限元軟件進行相應的二次開發因對操作者要求較高也不容易
實現,所以這種根據特定的理論要求對構件在不同工況條件下的應力狀態進行
綜合分析以及可視化顯示的的技術需求往往無法及時得到相應的技術支持,給
工作帶來了很多困難。

本發明可利用通用有限元分析軟件MSC.Marc/Mentat2005,提供一種自定
義應力函數的求解和可視化顯示方法,來實現這種根據特定的理論要求對構件
在不同工況條件下的應力狀態進行綜合分析并將結果可視化顯示的功能,解決
當前存在的一些技術困難。。

為便于表述,實施例中的有限元網格較大,實際應用時應根據需要細分。
本發明是一種自定義應力函數的求解和可視化顯示方法,在計算機上基于
MSC.Marc/Mentat2005軟件實現的,其過程是這樣的:

(1)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的PREPROCESSING下完成
以下操作:(1-1)在MESHGENERATION菜單下,設定COORDINATESYSTEM選項為
RECTANGULAR,并建立所要分析異形截面懸臂梁的合格的三維全六面體網格模
型,如圖5所示;點擊ELEMENTTYPES->MECHANICAL->3-DSOLID->7->OK,并選
擇所有單元,將所有單元的類型指定為8節點六面體單元,連續兩次點擊RETURN
返回到MESHGENERATION菜單下;點擊SWEEP命令,進入SWEEP菜單,在SWEEP下
點擊ALL,在REMOVEUNUSED下點擊NODES和POINTS,點擊RETURN返回MESH
GENERATION菜單;點擊RENUMBER->ALL;點擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-2)
在GEOMETRICPROPERTIES菜單下,點擊NEW,新建NAME名為geom1的幾何特性,
并通過以下操作定義NAME名為geom1的幾何特性:在MECHANICALELEMENTS下點
擊3-D->SOLID->ASSUMEDSTRAIN->OK;將NAME名為geom1的幾何特性施加到所有
單元;點擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-3)在MATERIALPROPERTIES菜單下,
點擊NEW,新建NAME名為material1的材料特性,并通過以下操作定義NAME名為
material1的材料特性:在MECHANICALMATERIALTYPES下點擊ISOTROPIC,在相
應ISOTROPICPROPERTIES菜單中填寫YOUNG’SMODULUS和POISSON’SRATIO的
數值分別為2.1*105和0.3后點擊OK確認,將NAME名為material1的材料特性應用
到所有單元;點擊MAIN回到MAINMENU界面;(1-4)在BOUNDARYCONDITIONS菜
單下,在BOUNDARYCONDITIONCLASS下選擇MECHANICAL,首先定義工況條件1對
應的所有約束條件以及所有載荷到相應元素上:點擊NEW,新建邊界條件并修改
NAME名為CONS1-1,并設置構件工況條件1下的約束條件C1到相應節點上;點擊
NEW,新建邊界條件并修改NAME名為LOAD1-1,并設置構件工況條件1下的載荷F1
到相應節點上;再定義工況條件2對應的所有約束條件以及所有載荷到相應元素
上:因工況條件2和工況條件1的約束條件相同,故此例中不再重復定義工況條
件2的約束條件,而以約束條件C1替代;點擊NEW,新建邊界條件并修改NAME名
為LOAD2-1,并設置構件工況條件2下的載荷F2到相應節點上,所定義的邊界條
件C1和載荷F1、F2如圖6所示,所對應的邊界條件名分別為CONS1-1、LOAD1-1和
LOAD2-1,設置完畢后點擊MAIN回到MAINMENU界面;

(2)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的ANALYSIS下完成以下操
作:(2-1)在JOBS菜單下,通過以下操作設置工況條件1對應的job1并提交有限
元計算:點擊NEW,新建NAME名為job1,在ANALYSISCLASS下選擇MECHANICAL,
在MECHANICALANALYSISCLASS下選中INITIALLOADS,在SELECTINITIALLOADS
菜單下的BOUNDARYCONDITIONS下選中工況條件1下的約束條件C1以及載荷F1對
應的邊界條件名CONS1-1和LOAD1-1,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICAL
ANALYSISCLASS菜單下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,在POSTFILE下
選定文件輸出格式為ASCII,在AVAILABLEELEMENTTENSORS下僅選中Stress,
點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單的ANALYSIS
DIMENSION下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊CHECK檢查有限元模型,
并按照提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,在RUNJOB菜單下點擊SUBMIT
(1),提交有限元分析計算;當EXITNUMBER顯示為3004時有限元分析計算結束,
所分析計算的結果會自動存入文件名為case_job1.t19的有限元計算結果文件
中,點擊OK返回JOBS菜單;(2-2)類比上述步驟(2-1),在JOBS菜單下,設置
工況條件2對應的job2并提交有限元計算,注意對應的NAME名為job2,對應的在
SELECTINITIALLOADS菜單下的BOUNDARYCONDITIONS下分別選中工況條件2下
的約束條件C1以及載荷F2對應的邊界條件名CONS1-1和LOAD2-1,對應的分析計
算的結果會自動存入文件名為case_job2.t19的有限元計算結果文件中;(2-3)
在JOBS菜單下,通過以下操作設置一個特定工況條件的job并提交有限元分析:
點擊NEW,修改NAME項為job,在ANALYSISCLASS下選中MECHANICAL,在MECHANICAL
ANALYSISCLASS菜單下選中INITIALLOADS,在SELECTINITIALLOADS菜單下的
BOUNDARYCONDITIONS下僅選中工況條件1下的約束條件C1對應的邊界條件NAME
名CONS1-1,點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS菜單
下點擊JOBRESULTS進入JOBRESULTS菜單,在POSTFILE下選定文件輸出格式為
ASCII,在AVAILABLEELEMENTSCALARS下依次選中UserDefinedVar#1(User
SubPlOTV)、UserDefinedVar#2(UserSubPlOTV)……直至UserDefined
Var#M(UserSubPlOTV)定義M個自定義輸出量,M為按照特定的理論要求設
置綜合分析所需要的自定義應力函數的個數,M為正整數,在本實施例中M的取
值為2;設置完畢后點擊OK確認并返回上級菜單;在MECHANICALANALYSISCLASS
菜單下的ANALYSISDIMENSION下選中3-D并點擊OK,返回到JOBS菜單下;點擊
CHECK檢查有限元模型,并按照提示修改有限元模型,確認無誤后點擊RUN,在
RUNJOB菜單下點擊SUBMIT(1),提交有限元分析計算,當EXITNUMBER顯示為
3004時有限元分析計算結束,所分析計算的結果會自動存入case_job.t19的有
限元計算結果文件中,點擊OK返回JOBS菜單;(2-4)點擊MAIN回到MAINMENU界
面,點擊FILES進入FILEI/O菜單,在MODEL下保存文件名為case.mud;

(3)以記事本格式打開上述后綴名為“.t19”的所有有限元計算結果文件,
每個文件中均可找到關鍵字A和后面與之最接近的關鍵字B,所述關鍵字A為
“=beg=52300(ElementIntegrationPointValues)”,所述關鍵字B為“=end=”;
在case_job1.t19、case_job2.t19的有限元分析計算結果文件中的所述關鍵字
A和后面與之最接近的所述關鍵字B之間的數據分別為工況條件1和工況條件2
下按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的六個應力分量的數據,六
個應力分量的存放順序為:σxσyσzτxyτyzτzx,圖7和圖8分別是
case_job1.t19和case_job2.t19以記事本格式打開的部分數據界面,圖中所示
的數據D1和D2分別為工況條件1和工況條件2對應的有限元計算結果文件中
第一個單元第1個積分點的六個應力分量數據,E1和E2分別為工況條件1和工
況條件2對應的有限元計算結果文件中按照單元編號順序依次存放所有單元8
個積分點的六個應力分量的數據;在case_job.t19的有限元分析計算結果文件
中的所述關鍵字A和后面與之最接近的所述關鍵字B之間的數據為特定工況條
件對應的有限元計算結果文件中按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分
點的所述M個自定義輸出量的數據,所述M個自定義輸出量的數據的存放順序
為:UserDefinedVar#1(UserSubPLOTV)、UserDefinedVar#2(User
SubPLOTV)……直到UserDefinedVar#M(UserSubPLOTV),在本實施例
中M的取值為2,圖9是是case_job.t19以記事本格式打開的部分數據界面,
圖中所示數據D3為特定工況條件下對應的有限元計算結果文件中第一個單元第
1個積分點的兩個自定義輸出量的數據,E3為特定工況條件下對應的有限元計
算結果文件中按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的所述兩個自定
義輸出量的數據;

(4)按照本實施例中特定的理論要求設置綜合分析所需要的兩個自定義應
力函數:綜合等效應力和綜合強度安全系數所述兩個自定義應力
函數是所述的工況條件1、工況條件2下的所有單元積分點的六個應力分量的函
數;

綜合等效應力利用所述的兩種工況條件對應的有限元計算結果文件中
按單元編號順序依次存放的所有單元8個積分點的六個應力分量的數據E1和E2;
按照傳統等效應力理論分別計算所述兩種工況條件下的所有單元8個積分點的
等效應力然后針對所有單元
每個積分點在兩種工況下等效應力數值兩兩比較,將較大值確定為該單元積分
點的綜合等效應力的數值;

綜合強度安全系數將上述計算得到的每個單元積分點的綜合等
效應力的數值代入該公式計算得到每一個單元積分點的綜合強度安全系數
數值;

下面以第一個單元的第1個積分點為例簡要介紹其兩個自定義應力函數的
計算過程:

如圖7、圖8中所示:

對于工況條件1,第一個單元的第1個積分點的六個應力分量數據D1為:

σx=-0.377179E+01σy=0.127512E+01σz=0.178346E+00

τxy=0.660034E-01τyz=0.390010E+00τzx=-0.386632E+01

按照傳統等效應力理論經計算得該單元積分點在工況條件1下的等效應力

為:


對于工況條件2,第一個單元的第1個積分點的六個應力分量數據D2為:

σx=0.574134E+01σy=-0.912928E+00σz=-0.188179E+00

τxy=-0.148593E+00τyz=-0.592392E+00τzx=0.589501E+01

按照傳統等效應力理論經計算得該單元積分點在工況條件2下的等效應力
為:


因為0.120563E+02>0.815191E+01,所以第一個單元的第1個積分點的綜合
等效應力相應它的綜合強度安全系數

同理計算并確定第一個單元其余7個積分點的兩個自定義應力函數數據,以
此類推計算并確定其余所有單元8個積分點的兩個自定義應力函數的數據,按照
單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的兩個自定義應力函數的數據,所述
兩個自定義應力函數的數據格式與存放格式與所述兩個自定義輸出量E3的數據
格式與存放格式完全相同,所述兩個自定義應力函數的數據的存放順序依次為
綜合等效應力和綜合強度安全系數,并以“記事本”格式保存為shuju.txt,如
圖10所示,圖中D4所示的數據為第一個單元的第1個積分點的兩個自定義應力函
數的數據,其存放順序依次為綜合等效應力和綜合強度安全系數;E4所示的數
據為按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的所述兩個自定義應力函
數的數據,其存放順序依次為綜合等效應力和綜合強度安全系數;

(5)以記事本格式打開文件名為case_job.t19的有限元分析計算結果文
件,找到按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點的所述兩個自定義輸出
量的數據E3,并用shuju.txt中按照單元編號順序依次存放所有單元8個積分點
的所述兩個自定義應力函數的數據E4替換,另存case_job.t19為
case_zong.t19,如圖11所示,case_zong.t19中所示的數據D5和E5分別對應
shuju.txt中的數據D4和E4;

(6)在MSC.Mentat2005軟件用戶界面MAINMENU的POSTPROCESSING下完成
以下操作:點擊RESULTS,在POSTFILE下點擊OPEN打開case_zong.t19文件,在
SCALARPLOT下點擊SCALAR,在SELECTPOSTSCALAR下選中UserDefinedVariable
1或UserDefinedVariable2,通過選擇SCALARPLOT下的CONTOURBANDS、CONTOUR
LINES等相應選項可以在RESULTS圖形界面中所述異形截面懸臂梁的三維六面體
單元模型上以云圖、等值線等可視化方式顯示兩個自定義應力函數綜合等效應
力或綜合強度安全系數的相應數據,圖12和圖13分別是按云圖方式
表達的綜合等效應力和綜合強度安全系數,圖14和圖15分別是按等值線方式表
達的綜合等效應力和綜合強度安全系數。

以上所述僅是本發明的優選實施方式,應當指出,對于本技術領域的普通
技術人員來說,在不脫離本發明技術原理的前提下,還可以做出若干改進和潤
飾,這些改進和潤飾也應該視為本發明的保護范圍。

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一種 自定義 應力 函數 求解 可視化 顯示 方法
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