一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法

摘要

一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，属于有限元数值模拟机械强度分析技术领域。本发明针对通用有限元软件对构件在不同工况条件下的应力状态进行特定理论要求的综合分析时可能会遇到的困难，其特征是：基于MSC.Marc/Mentat 2005软件对不同工况条件下构件的有限元应力分析结果，通过提取各工况条件下单元积分点的应力分量数据，在通用有限元软件之外设置并计算求解自定义应力函数数据，并通过数据替换的手段实现自定义应力函数数据在MSC.Marc/Mentat 2005有限元模型上的可视化显示。本发明的优点及积极效果在于实现方法简单易行，适用范围广，可避开专业软件或二次开发的使用局限。

主权项

一种自定义应力函数的求解和可视化显示方法，其特征是：在计算机上基于MSC.Marc/Mentat 2005软件实现，其实施步骤是：(1)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的PREPROCESSING下完成以下操作：(1‑1)在MESH GENERATION菜单下，设定COORDINATE SYSTEM选项为RECTANGULAR，并建立所要分析构件的合格的三维全六面体网格模型；点击ELEMENT TYPES‑>MECHANICAL‑>3‑D SOLID‑>7‑>OK，并选择所有单元，将所有单元的类型指定为8节点六面体单元,连续两次点击RETURN返回到MESH GENERATION菜单下；点击SWEEP命令，进入SWEEP菜单，在SWEEP下点击ALL，在REMOVE UNUSED下点击NODES和POINTS，点击RETURN返回MESH GENERATION菜单下；点击RENUMBER‑>ALL；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1‑2)在GEOMETRIC PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为geom1的几何特性，并通过以下操作定义NAME名为geom1的几何特性：在MECHANICAL ELEMENTS下点击3‑D‑>SOLID‑>ASSUMED STRAIN‑>OK；将NAME名为geom1的几何特性施加到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1‑3)在MATERIAL PROPERTIES菜单下，点击NEW，新建NAME名为material1的材料特性，并通过以下操作定义NAME名为material1的材料特性：在MECHANICAL MATERIAL TYPES下点击ISOTROPIC，在相应ISOTROPIC PROPERTIES菜单下填写所需的相关材料特性的数值，点击OK确认；将NAME名为material1的材料特性应用到所有单元；点击MAIN回到MAIN MENU界面；(1‑4)在BOUNDARY CONDITIONS菜单下，在BOUNDARY CONDITION CLASS下选中MECHANICAL，针对工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的每一个约束条件和每一个载荷，分别新建不同的边界条件并分别命名，并加载到相应点、线、面、节点、单元、单元边、单元面等元素上，N为所有工况条件的数量，且N为正整数，设置完毕后点击MAIN回到MAIN MENU界面；(2)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的ANALYSIS下完成以下操作：(2‑1)在JOBS菜单下，通过以下操作设置工况条件1对应的job1并提交有限元计算：点击NEW，新建NAME名为job1，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下选中工况条件1下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT TENSORS下仅选中Stress，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单的ANALYSIS DIMENSION下选中3‑D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算；当EXIT NUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入文件名为case_job1.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2‑2)类比上述步骤(2‑1)，在JOBS菜单下，分别设置工况条件2、工况条件3……直至工况条件N对应的job2、job3……直至jobN并提交有限元计算，注意对应的NAME名分别为job2、job3……直至jobN，对应的在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下分别选中工况条件2、工况条件3……直至工况条件N下的所有约束条件以及所有载荷对应的边界条件名，对应的分析计算的结果会自动存入文件名为case_job2.t19、case_job3.t19……直至case_jobN.t19的有限元计算结果文件中；(2‑3)在JOBS菜单下，通过以下操作设置一个特定工况条件的job并提交有限元分析：点击NEW，修改NAME项为job，在ANALYSIS CLASS下选中MECHANICAL，在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下选中INITIAL LOADS，在SELECT INITIAL LOADS菜单下的BOUNDARY CONDITIONS下仅选中任一工况条件下的所有约束条件对应的边界条件名，不包括载荷，点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下点击JOB RESULTS进入JOB RESULTS菜单，在POST FILE下选定文件输出格式为ASCII，在AVAILABLE ELEMENT SCALARS下通过选中User Defined Var#1(User Sub PlOTV)、User Defined Var#2(User Sub PlOTV)……直到User Defined Var#M(User Sub PlOTV)来定义M个自定义输出量，M为按照特定的理论要求设置综合分析所需要的自定义应力函数的个数，M为正整数，设置完毕后点击OK确认并返回上级菜单；在MECHANICAL ANALYSIS CLASS菜单下的ANALYSIS DIMENSION下选中3‑D并点击OK，返回到JOBS菜单下；点击CHECK检查有限元模型，并按照提示修改有限元模型，确认无误后点击RUN，在RUN JOB菜单下点击SUBMIT(1)，提交有限元分析计算，当EXIT NUMBER显示为3004时有限元分析计算结束，所分析计算的结果会自动存入case_job.t19的有限元计算结果文件中，点击OK返回JOBS菜单；(2‑4)点击MAIN回到MAIN MENU界面，点击FILES进入FILE I/O菜单，在MODEL下保存文件名为case.mud；(3)以记事本格式打开上述后缀名为“.t19”的所有有限元计算结果文件，每个文件中均可找到关键字A和后面与之最接近的关键字B，所述关键字A为“＝beg＝52300(Element Integration Point Values)”，所述关键字B为“＝end＝”；在case_job1.t19、case_job2.t19……直至case_jobN.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据为相应工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的六个应力分量的数据，所述六个应力分量的存放顺序为：σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yzτ_zx；在case_job.t19的有限元分析计算结果文件中的所述关键字A和后面与之最接近的所述关键字B之间的数据为所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，所述M个自定义输出量的数据的存放顺序为：User Defined Var#1(User Sub PLOTV)、User Defined Var#2(User Sub PLOTV)……直到User Defined Var#M(User Sub PLOTV)；(4)按照特定的理论要求设置综合分析所需要的M个自定义应力函数，所述M个自定义应力函数均是所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下的所有单元8个积分点的六个应力分量的函数；利用所述工况条件1、工况条件2……直至工况条件N下所有单元8个积分点的六个应力分量数据在MSC.Marc/Mentat 2005软件之外进行计算求解，确定并按照单元编号顺序依次存放所有单元8个积分点的M个自定义应力函数的数据，所述M个自定义应力函数的数据格式以及存放格式要求与所述M个自定义输出量的数据格式以及存放格式完全相同，所述M个自定义应力函数的数据的存放顺序可自行拟定，并以记事本文件格式保存为shuju.txt；(5)以记事本格式打开文件名为case_job.t19的有限元分析计算结果文件，找到所述特定工况条件下按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义输出量的数据，并用shuju.txt中按照单元编号顺序依次存放的所有单元8个积分点的所述M个自定义应力函数的数据替换，另存case_job.t19为case_zong.t19；(6)在MSC.Mentat 2005软件用户界面MAIN MENU的POSTPROCESSING下完成以下步骤：点击RESULTS，在POST FILE下点击OPEN打开case_zong.t19文件，在SCALAR PLOT下点击SCALAR，在SELECT POST SCALAR下选中User Defined Variable 1直到User Defined Variable M中的第J项，J为正整数且1≤J≤M，通过选择SCALAR PLOT下的CONTOUR BANDS、CONTOUR LINES等相应选项可以在RESULTS图形界面中所述构件的三维六面体单元模型上以云图、等值线等可视化方式显示第J个自定义应力函数的数据。