HyperWorks飞机复合材料结构分析(OptiStruct)

本练习对一个复合材料结构使用 PCOMPG 卡片进行铺层定义的过程，展示使用全局铺层编号对结果后处理的优越性。这里首先介绍了传统的定义方法即使用 PCOMP，通过对比可以显示出使用 PCOMPG 的对实际问题处理的益处。由于结构形状、载荷和边界条件都是关于 X 轴对称的，所以只对一半的结构建模，并在对称面施加对应的边界条件。

打开模型文件

Step01：在 OptiStruct 用户界面并打开模型文件。

(1) 启动 HyperMesh。

(2) 在 User Profiles 对话框中 选择 OptiStruct，点击 OK。

(3) 点击 File 下拉菜单选 Open…..或点击图标 , 弹出 Open file…浏览窗口。

(4) 选择 Exercise_9b.hm 文件。

(5) 点击 Open。Exercise_9b.hm 数据载入当前的 HyperMesh 中，替换原有数据。

Step02：查看模型。

结构模型已经建立，可以直接进行求解计算。在提交计算之前，先查看建立的模型。

模型用于线性静力分析。由于模型为对称结构，故建立一半有限元模型并施加对称边界条件，在对称 面约束所有节点的 DOF1, DOF5 和 DOF6，如图 9-3 所示。

图 9-3 一半结构的有限元模型

所有的 component 都会从底面向上即单元的法向利用 PCOMP 属性对层进行排列，如图 9-4 所示。

图 9-4 沿着单元法向的铺层排列

这个模型中 component 的名字若以单词“Flange”开头，表示它们是将不同的 component 连结在一起的连 结点。查看时，需注意由 Skin 和 Rib component 构成的法兰区域。查看 Skin_inner, Rib, Flange1_Skin_Rib, 和 Flange2_Skin_Rib 的铺层排列（显示在图 9-5 的底部）。注意 Skin_inner, Flange1_Skin_Rib, Flange2_Skin_Rib 和 Skin_outer 中有很少的公共铺层，他们在每一个 component 中的叠放次序是不同的。例如，Skin_inner 的第 4 层是 Flange2_Skin_Rib 的第 3 层和 Skin_outer 的第 2 层。

图 9-5 Skin_inner, Rib, Skin_outer, Flange1_Skin_Rib, 和 Flange2_Skin_Rib 的铺层排列。

(1) 从 2D 页面点击 HyperLaminate 面板。

此时，启动 HyperLaminate 图形界面，在此可以对铺层信息进行定义、查看和编辑，也可以在此创建 并编辑材料特性和设计变量。

(2) 展开屏幕左边模型树中的 laminates 部分。

(3) 选择 Skin_inner PCOMP, 层合板中的详细信息出现在图形界面中，如图 9-6 所示。

图 9-6 步骤 3 窗口

(4) 确认 Skin_inner 的铺层定义与 Flange1 _Rib_Skin 的铺层定义的前五项一致，如表 9-1 所示。

(5) 选择 Rib PCOMP 并输入 Rib 的第 3 个和第 4 个铺层定义，使之与表 9-1 的第 6 和第 7 项一致。

(6) 选择 Flange1_Rib _Skin PCOMP，查看铺层定义，确认 Flange1_Rib _Skin 的铺层定义与表 9-1 一致，且前 5 层与 Skin_inner 铺层相同，最后的两个层与 Rib 的第 3 层和第 4 层相同，查看其它法兰的铺层定义。

(7) 还可以查看其它 component。结束后，从 File 下拉菜单中选择 Exit。这样就退出了 HyperLaminate 图形界面并返回 HyperMesh。

Step03：提交计算。

(1) 从 Analysis 页面选择 OptiStruct 面板。

(2) 在 input file:之后点击 save as… 弹出 Save file…浏览窗。

(3) 选择路径并写入 OptiStruct 模型文件 frame_PCOMP.fem，OptiStruct 支持以.fem 为扩展名的输入格式。

(4) 点击 Save。 注意此时 frame_PCOMP.fem 的文件名和路径已经在 input file：区域显示。

(5) 设置 export options:为 all。

(6) 点击 run options:开关并选择 analysis。

(7) 设置 memory options:为 memory default。

(8) 点击 OptiStruct 开始运行。

这就启动运行了 OptiStruct。当出现 Process completed successfully 时，分析过程完成。在结果文件所在目录中自动生成以下文件：

Step04：查看结果。

(1) 从 OptiStruct 面板点击绿色的 HyperView 按钮。

打开了 HyperView 并且模型结果自动载入 HyperView 中出现一个信息窗口，提示模型和结果文件成功载入 HyperView。

(2) 点击 Close 关闭信息窗口。

(3) 点击 Contour 面板工具条按钮 。

(4) 点击 Result type:下面的第一个开关并选择 Composite Stresses (s)。

(5) 点击第二个开关并选择 P1 (major) Stress。

(6) 在 layers 选择 PLY3。

(7) 在 Averaging method:下面区域选择 None。

(8) 点击 Apply。此时会标明模型所有 components 的第 3 层最大主应力位置。

(9) 点击 以查看模型，如图 9-7 所示。

图 9-7 框架顶面的应力分布

在顶面应力值不会逐渐变化，但会在经过 Flange2_Skin_Rib 时突然减小。再次查看 Flange1_Skin_Rib 的铺层属性表格，可以看到 Flange2_Skin_Rib 的第 3 层特征为基体材料而与之相邻的 Flange1_Skin_Rib 和 Skin_outer 的第 3 层为碳纤维材料。应力值发生突然的改变是因为观察到的是两种不同材料处的应力。这个例子表明，在 PCOMP 结果的后处理过程中，为使结果有意义，用户必须使铺层结果与它们相应的铺层属性相互关联。

这里强调一下，在对 PCOMP 结构后处理过程中，仅仅根据铺层编号描绘结果是不够的。用户在使用这种方法进行后处理的过程中必须时刻掌握铺层属性（材料属性、厚度、方向、故障指数等）。如果用到庞大而复杂的模型，在后处理过程中掌握各个层的属性将是枯燥乏味的。

PCOMP 的弊端可以通过使用属性定义的 PCOMPG 卡片来避免，使用该卡片，可以为各个层和后处理分配全局铺层编号，后处理的结果与全局铺层编号相关。下面的步骤阐述了使用 PCOMPG 属性重定义模型的过程。

Step05：利用 PCOMPG 卡片重新定义铺层属性。

(1) 不关闭 HyperView，转到 HyperMesh。

(2) 从 2D 页面选择 HyperLaminate 面板。这就开启了 HyperLaminate 图形界面，从中可以对铺层信息进行定义、查看和编辑。

(3) 从 Tools 下拉菜单选择 Laminate options。

(4) 点击 Convention:开关并选择 Total。

(5) 点击 OK 关闭窗口。

创建新 components 时，Total 已被设置为默认选项。

图 9-8 含有全局铺层编号的铺层信息

此时将创建含有全局铺层编号的 PCOMPG component。如前所述，Skin_inner 的第 4 层是 Flange2_Skin_Rib 的第 3 层和 Skin_outer 的第 2 层。因此，所有这些层将定义为同一全局层 ID 4。同样地， 其它的层也将类似定义，如图 9-8 所示。

(6) 展开屏幕左边树结构的 laminates 部分。

(7) 右击 PCOMPG，点击 New。创建了一个新的设计变量，默认变量名为 NewLaminate1。

(8) 双击 Laminate name:下文本框将此默认的变量名重命名为 Skin_inner_GPLY，覆盖默认文件名。

(9) 在 Add/Update plies:段 的 GPLYID 区域中输入 1。

(10) 选择 Material 的下拉菜单，并选择 corbon_fiber。

(11) 在 Thickness T1 区域输入 1.2。

(12) 在 Orientation 区域输入 45。

(13) 选择 SOUT 的下拉菜单并选择 YES，点击 Add New Ply 增加铺层信息。

(14) 重复这个过程，使用表 9-3 所示的特征再增加 4 个层。

(15) 点击 Update Laminate 更新铺层信息, 此时铺层信息显示在图形界面右边的 Review 栏。

(16) 创建一个名为 Rib_GPLY 的新 PCOMPG，铺层排列如表 9-4 所示：

根据图 9-8 所示有关全局铺层编号的铺层信息，创建 Flange1_Skin_Rib_GPLY component。

(17) 右击 Skin_inner_GPLY 并从菜单选择 Duplicate 以创建一个相同的 component。

(18) 双击 Laminate name:下的文本框将 component 重命名为 Flange1_Skin_Rib_GPLY，覆盖默认文件名。

(19) 使用 Add New Ply 功能根据表 9-5 所示的特征再增加两个层。

表 9-5 Flange1_Skin_Rib_GPLY 铺层信息

创建了新 component Flange1_Skin_Rib_GPLY。这个 component 的前 5 个层与 Skin_inner_GPLY 相同且它的最后 2 个层是 Rib 的第 2 层和第 1 层。为减少本部分的步骤，其它 component 的铺层排列信息（包括PCOMPG 和合适的分层信息）已经创建在文件 updated_PCOPMPG_properties.fem 中，路径为 <install_directory/tutorials/os/>。这个文件将写入 HyperMesh 并覆盖特征，代替手动更新。文件 updated_PCOPMPG_properties.fem为OptiStruct输入文件格式。可使用任何文本编辑器打开和查看component 是如何通过 PCOMPG 定义的。部分文件如表 9-6 所示。

(20) 从 File 下拉菜单中选择 Exit。

这样就退出了 HyperLaminate 界面，并返回 HyperMesh。

(21) 点击 File 下拉菜单，点击 Import…。

(22) 在 Import type 的图标中点击 Import FE Model 图标 。

(23) 选中 FE overwrite。

这个选项使得定义在文件 Updated_PCOPMPG_properties.fem 中的 PCOMPG 属性覆盖旧的 PCOMP 属 性。

(24) 在 File：中，选择 Updated_PCOPMPG_properties.fem 文件。

(25) 点击 Import。

(26) 点击 Close。

Step06：在 HyperLaminate 中查看导入的属性。

(1) 从 2D 页面进入 HyperLaminate 面板。

(2) 展开屏幕左边树结构的 laminates 部分。

此时所有的 components 都出现在 PCOMPG 下。早先创建的 component（Skin_inner_GPLY, Rib_GPLY 和 Flange1_Skin_Rib_GPLY）仍然存在，但没有与之相关的单元。通过 PCOMPG component 可以查看铺层 定义。

(3) 从 File 下拉菜单中选择 Exit。

Step07：提交计算。

(1) 从 Analysis 页面选择 OptiStruct 面板。

(2) 在 input file: 之后点击 save as…。

在 Save file…浏览窗。选择写入 OptiStruct 模型文件的路径并输入文件名 frame_PCOMPG.fem。

(3) 点击 Save。

注意此时 frame_PCOMPG.fem 文件的名字和路径已经在 input file: 区域显示。

(4) 设置 export options:为 all。

(5) 点击 run options:开关并选择 analysis。

(6) 设置 memory options:为 memory default。

(7) 点击 OptiStruct。

这就运行了 OptiStruct。如果运行成功，新的结果文件将写入 OptiStruct 模型文件的路径下。

Step08：后处理查看结果

(1) 当命令窗口出现消息 Process completed successfully 后，点击 OptiStruct 中的绿色 HyperView 按

(2) 钮，结果自动载入。HyperView 出现信息窗口，提示模型和结果文件已经成功载入 HyperView。

(3) 点击 Close 关闭信息窗口。

(4) 点击 Contour 面板工具条按钮 。

(5) 点击 Result type:下面的第一个开关并选择 Composite Stresses (s)。

(6) 点击第二个开关并选择 P1 (major) Stress。

(7) 在 layers 选择 PLY 3。

(8) 在 Averaging method:下面区域选择 None。

(9) 点击 Apply。

(10) 此时会标明模型所有 components 的第 3 层最大主应力位置。

(11) 点击

查看模型，如图 9-9 所示。

图 9-9 全局第 3 层主应力云图

基于全局铺层编号的后处理消除了必须了解铺层编号和 component 上相应铺层属性的需要。结果显示 以全局铺层编号为基础，不必考虑铺层顺序，因此可以选择整个模型中任何一个全局层编号并查看结果。 如果给定区域没有给定的层出现，其结果将不显示。

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