17.3.4 模态分析
第17章 SAMCEF特殊分析实例
17.1 复合材料分析
17.1.1 实例分析
读者通过本实例能够掌握复合材料的定义方法，本实例需要读者掌握基本的SAMCEF操作示例。
17.1.2 操作步骤
1.导入及准备模型
（1）启动SAMCEF，在求解设置对话框中单击Apply按钮接受默认求解器。
（2）确定目前在求解模块中。
（3）选择File→Import Geometry菜单命令。
（4）选择本机SAMCEF安装目录，进入X：\SAMCEFField\V6.2\examples\brep路径，选择stiffpanel.brep文件，单击Open按钮打开该文件。
模型如图17-1所示，模型在数据树中产生的标识如图17-2所示。
图17-1 几何模型
图17-2 数据树中的标识
在加载复合材料数据的时候，面的法线方向非常重要，因此必须进行面的法线检查。
（5）选择数据树中的stiffpanel，单击鼠标右键，选择shape repair mode→Invert normal face命令
（6）在弹出的对话框中选中Show all normals。
根据箭头标识可以发现，有部分面的法线方向为Z轴的负向。
（7）选择图17-3所示的7个面，单击OK按钮。
图17-3 改变图中高亮显示的面的法线方向
2．建立复合材料数据
(1)单击
模块图标，进入分析数据模块。
(2)选择数据树中的Data library，单击鼠标右键，选择Material命令。
(3)在弹出的对话框中输入复合材料的名称Compmat。
(4)材料选择Elastic。
(5)类型选择Orthotropic。
(6)输入的数据见表17-1。
表17-1 材料数据
（7）单击Apply按钮后，单击Close退出。
在数据树中会产生图17-4所示的标识。
（8）选择数据树中的Data Library，单击鼠标右键，选择Behavior命令。
（9）在弹出的对话框中选择Composite shell作为几何属性。
（10）输入名称Lam1。
（11）单击…按钮，定义铺层。
（12）在弹出的Composite Viewer对话框中单击
图标增加层数，建立的数据见表17-2。
图17-4 数据树中产生的标识
表17-2 铺层数据
（续）
（13）当数据定义完毕后，在Composite Viewer对话框中单击OK按钮。
（14）单击Apply按钮。
此时在数据树中的Data library中会出现复合材料性能数据Lam1。
（15）按以上的步骤建立表17-3～表17-5中的三组数据。
表17-3 Lam2的铺层数据
表17-4 Lam3的铺层数据
表17-5 Lam4的铺层数据
（16）选择模型后，单击工具条中的
图标定义约束。
（17）选择图17-5所示的两条边线进行约束。
（18）选择模型后，单击工具栏条的
图标加载。
（19）载荷类型选择Pressure。
（20）输入压力值0.005Pa。
（21）依次选择顶面后单击Apply按钮加载，如图17-6所示。
图17-5 约束两条边线
图17-6 加载压力面
（22）单击Apply按钮后，单击Close按钮退出。
3.结构绑定复合材料数据
（1）选择模型后，单击工具条中的
图标。
（2）在弹出的对话框中，在bound to下拉列表框中选择Lam1。
（3）在铺层位置上选择OXY平面，角度值设为120°。
（4）在Flace on后的下拉列表框中选择Face。
（5）选择图17-7所示的9个面。
（6）为图17-8所示的面以给定角度90°绑定Lam2材料。
图17-7 需要绑定复合材料性能数据的面
图17-8 绑定Lam2
（7）为图17-9所示的面以给定角度140°绑定Lam3材料。
（8）为图17-10所示的面以给顶角度59.04°绑定材料Lam4。
图17-9 绑定Lam3
图17-10 绑定Lam4
此时，数据树中的Used Data如图17-11所示。
图17-11 数据树中分析数据标识
4.网格划分
（1）单击
模块图标，进入网格划分模块。
（2）选择模型并单击
图标生成网格。
（3）单击Apply按钮后，单击Close按钮退出。
5.计算
（1）单击
模块图标，进入求解模块。
（2）单击
图标并设置求解路径后，单击
图标开始计算。
6.查看结果
（1）单击
模块图标，进入结果显示模块。
（2）在数据树中选择Nodal Displayment。
（3）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Criteria命令，在弹出的对话框中选择Scalar和Scalar Magnitude。
（4）结果如图17-12所示。
图17-12 位移计算结果
17.2 简单电缆线分析
17.2.1 模型描述
如图17-13所示，电缆线的两端各与一个绝缘子串相连接，电缆线长度是30m，距离地面10m，方向设置如图17-13所示。
图17-13 电缆线结构示意图
本实例对SAMCEF Field的电缆线分析进行简单的介绍，主要包括：
●电缆线的几何建模。
●赋予几何模型物理、电和结构属性。
●施加载荷。
●进行计算，查看结果。
17.2.2 启动软件设置
启动SAMCEF Field软件后，在求解模块对话框（Solver Driver Settings对话框）的下边会显示求解单位，对于电缆线分析，单位必须是m，kg，s，A，而默认是mm，kg，s，A，所以需要更改单位。选择Edit→Preferences→Units菜单命令，设置单位（如图17-14所示），单击Save as Defaults按钮然后关闭对话框。选择Edit→Analysis Driver菜单命令，在求解模块对话框中选择Cable Analysis，这时在对话框的下边会显示求解单位是m，kg，s，A，File→Save As菜单命令，将文件另存到新的工作路径中。
图17-14 设置单位
17.2.3 电缆线分析
1.建立几何模型
下面主要创建电缆线和绝缘子串的几何模型，具体的操作步骤如下。
（1）建立X和Z坐标分别为（0，10）（2，10）（32，10）（34，10）的4个点。
（2）依次选择两个点来创建3条线。
这样几何模型就创建完成了，数据树中共有4个点和3个线。为了以后的工作方便，可以把3条线分别命名，数据树如图17-15所示。
图17-15 数据树图示
2.建立分析数据
单击Analysis Data模块图标，进入分析数据模块。这里和以前的分析不同的是，不需要定义材料属性，因为在几何属性中材料属性已经定义了。另外还需要设定初始条件，首先确定两端支撑的电缆由自重引起的变形。
(1)设置Cable的几何属性。在数据树或3D显示区域中选择Cable，单击工具条中的Behavior图标，在弹出的几何属性定义对话框中，几何类型(Behavior)选择Cable，输入图17-16所示的数值，单击Apply按钮。
图17-16 设置Cable几何属性
（2）设置绝缘子串（Insulator String）的几何属性。在数据树或3D显示区域中选择Insulator，单击工具条中的Behavior图标，在弹出的几何属性定义对话框中，几何类型（Behavior）选择Insulator String，输入图17-17所示的数值，单击Apply按钮。
图17-17 设置绝缘子串的几何属性
（3）用同样的步骤定义另一个Insulator。
（4）设置边界条件。在两个Insulator的外侧点施加固定支座，选择部件Insulator，单击Constrain进行边界条件的加载，将边界条件类型Constraint设为全约束Clamp，将施加对象Placed on设为Point，选择Point1，单击Apply按钮确认选择。同样，在Point4也施加固定支座。
（5）设置重力加速度。选择Model后单击Load图标，选择Acceleration作为Load，输入数值9.81，方向为Z的负方向。
（6）设置装配。在数据树中，按住<Shift>键选择Insulator1和Cable，单击Assembly图标，选择默认的球铰，施加对象Placed on选择相接触的点（它们的位置是重合的）。同样，在Cable和Insulator2中设置球铰。
（7）设置初始条件。如图17-18所示，选择Cable后单击Initial Condition图标，在弹出的对话框中，分别在Initial Condition和Initial Choice中选择Cable Initial State和Natual Lengh，在Initial Stress中输入1000N，单击Apply按钮完成设置。
3.网格划分
单击Mesh模块图标，进入网格划分模块，单击工具条中的Generate图标，在生成网格对话框中直接单击Apply按钮生成有限元网格。
4.提交计算
（1）单击Solver模块图标，进入求解模块。
（2）单击工具条中的
图标进行作业提交，设置求解路径、作业名称以及求解器路径。
（3）在Time选项卡中，在Execution Type下拉列表框中选择Initial Computation，这是因为本分析会需要计算在零时刻的初始位置。
（4）在Response选项卡中的Response Type选项里选择Static。
（5）在Parameters选项卡中单击Advanced按钮，确定Maximum Iteration Numbers设定为大于100的数。
（6）提交进行计算。
5.后处理
（1）单击Result模块图标，进入结果显示模块。
（2）在数据树中选择Results子目录，并选择Nodal displacement，可以看到图17-19所示的结果。
图17-18 分析数据
图17-19 节点位移
在查看结果以前，可以先将网格数据或几何数据隐藏，以便更好地观察结果云图。
(3)在数据树中，会有各种结果数据，进行相应选择可以得到不同的结果。
6.改变初始条件重新计算
下面改变初始条件重新计算，在Cable的natural length处增加10cm。
(1)单击Analysis Data模块图标，重新进入分析数据模块，双击数据树中Used Data目录下的Cable_Initial_State_on_Cable，在Initial Choice中选择Imposed Length并且将30m修改为30.1m。
(2)进行计算查看结果。
7.计算附加载荷的响应
下面定义侧向的风载来查看电缆线的响应。
(1)单击Analysis Data模块图标，重新进入分析数据模块，选择Cable后单击Load图标，选择Wind作为Load。为了定义风的幅值，单击多点函数
图标，再单击Edit按钮，在Function by Points Editor对话框中定义图17-20所示的风载荷随时间改变的曲线，选择Y方向作为风向。用同样的方法定义两个Insulator上的风载。
图17-20 风荷载曲线
（2）单击Solver模块图标，进入求解模块。在Time选项卡中的Execution Type下拉列表框中选择Transient Computation，并且设置时间间隔为10s。
（3）在Parameters选项卡中定义存储时间。
（4）计算并查看结果，并选择Nodal displacement，可以查看节点位移随时间变化的动画。
17.3 充满流体的箱体分析
17.3.1 模型描述
本实例分析充满流体的箱体结构，首先分析有内部压力的箱体壳的变形，然后分析充满流体的箱体壳的变形和模态。
17.3.2 启动软件设置
启动SAMCEF Field软件后，在求解模块对话框中进行如下设置，如图17-21所示。
图17-21 求解模块对话框
注意，下边会显示求解单位，同17.2节一样，单位要使用m，kg，s，A，而默认是mm，kg，s，A，所以需要更改单位。选择Edit→Preferences菜单命令，选择Units标签，设置单位，再选择File→Save As菜单命令将文件另存到新的工作路径中。
17.3.3 非线性分析
首先分析有内压箱体的变形。
1.建立几何模型
先创建圆柱箱体的几何模型，具体的操作步骤如下。
（1）单击创建圆柱工具图标
。
（2）在Maker Cylinder对话框中按钮选择Z轴为轴向，Height设为200m，Radius设为12m，取消勾选Solid复选框，单击Apply按钮完成创建。
（3）在箱体顶部中心创建一个点来定义对箱体的约束。单击Vertex图标创建点，输入点坐标（0，0，200），单击Apply按钮完成创建。
这样几何模型就创建完成了，数据树中共有一个圆柱壳体和一个点，由于要给点赋予分析数据，因此要改变点的状态。在数据树中的点上单击鼠标右键，选择Not a datum命令，可以看到，数据树中点的名字颜色由橙色变成了白色。
2.建立分析数据
单击Analysis Data模块图标，进入分析数据模块。
（1）设置圆柱壳的几何属性。在数据树或3D显示区域中选择Cylinder1，单击Behavior图标，在弹出的几何属性定义对话框中，几何类型（Behavior）选择Shell，Type选择Flexible，厚度设为0.104m，Eccentricity选择中性层(Neutral Fiber)，单击Apply按钮，完成设置。
(2)设置箱体的材料属性。选择Cylinder，在材料特性定义对话框中进行如下定义。
●Type：Isotropic。
●Young modulus: 108MPa。
●Poisson ratio：03。
●Mass density: 910 kg/m3.
(3)把点和箱体装配到一起。选择Pointl，单击Assmbly图标，装配类型选择Fixed，Support分别选择点和箱体的上表面，如图17-22所示。
图17-22 点和箱体装配设置和显示
（4）定义边界条件。选择Cylinder，并单击Constrain图标进行边界条件的加载。将边界条件类型Constraint设为全约束Clamp，将施加对象Place on设为FACE。在3D显示区域中选择图17-23所示的底面，单击Apply按钮确认选择。
图17-23 定义Clamp边界条件
（5）定义点的约束。选择点，然后单击Constrain图标，将边界条件类型Constraint设定为全约束Looking，选择X方向并将施加对象Place on设定为点。用同样的方法约束点Y方向移动和三个方向的旋转，也就是说，点只可以在Z方向运动，定义完成后如图17-24所示。
图17-24 定义点约束
（6）最后定义箱体内部的压力。选择Cylinder，并单击Constrain图标进行边界条件的加载，将边界条件类型Constraint设为Volume Sensor，选择Motor。单击[...]按钮，设置线性函数，设置u=1和f（x）=0.05Mpa。单击OK按钮返回到约束对话框，将施加对象Place on设为Shell，选择圆柱壳，单击Apply按钮。
3.网格划分
选择Mesh模块图标，进入网格划分模块。
（1）在数据树或3D显示区域中选择模型，单击Distribution图标。在网格定义对话框内，将网格划分数量定义为12，定义在上、下两个圆弧，单击Apply按钮确定网格尺寸定义，如图17-25所示。
（2）用同样的方法定义Z向边，定义网格数量30，如图17-26所示。
图17-25 定义上、下圆弧网格数量
图17-26 定义竖直边网格数目
（3）选择圆柱箱体，单击Element Type图标，在网格类型定义对话框中将单元形状Shape设为三角形Triangle，生成法则设为Delaunay-voronoi，单击Apply按钮确认。
（4）单击Generate图标，在生成网格对话框中直接单击Apply按钮生成有限元网格。
4.提交计算
（1）单击Solver模块图标，进入求解模块。
（2）单击
图标进行作业提交，在作业提交对话框中设置求解路径、作业名称以及求解器路径。
（3）在Time选项卡中，设定时间为1s。
（4）在Response选项卡中，在Response Type选择Static。
（5）在Chaining选项卡中，选择Modal作为Next Analysis，并勾选Keep Mehanical Element Number复选框，这个选项将确保在后面的模态分析中使用同样的单元数量。
（6）在Parameters选项卡中，单击Advanced按钮，选择Sparse作为Solver。
（7）提交以进行计算。
5.后处理
（1）单击Result模块图标，进入结果显示模块。
（2）在数据树中选择Results子目录，显示各种结果数据，进行相应选择后可以得到不同的结果显示。保存结果以便后面的操作利用。
17.3.4 模态分析
1.建立新的分析数据
（1）继续上面的操作，在数据分析模块中改变分析类型和物理数据。在工具条中单击
图标，在Solver Driver Setting对话框中更改Analysis Type为Modal，弹出图17-27所示的对话框，分别单击Close按钮和OK按钮关闭两个对话框。
图17-27 更改分析类型和提示信息
（2）在数据上双击Shell几何属性并进行修改，勾选Fluid Tank。
2.网格划分
选择Mesh模块图标，进入网格划分模块。
单击Generate图标，在生成网格对话框中勾选Select all shapes from tank behavior复选框，然后直接单击Apply按钮生成有限元网格。
3.定义流体材料
再回到分析数据模块，选择流体网格，设置箱体的材料属性。在材料特性定义对话框中进行如下定义。
●Massachusetts density：2.61e-13 t/mm3。
●Sound Speed：500000 mm/s。
4.求解模态
进入求解模块，提交计算。
（1）单击
图标进行作业提交，在作业提交对话框中设置求解路径、作业名称以及求解器路径。
（2）在Eigenvalues选项卡中，输入想要计算的模态阶数。
（3）在Advanced Parameters选项卡中，选择Sparse作为Solver。
（4）在Chaining选项卡中，选择Implicit None Linear作为Previous Analysis，并勾选Use Old Element Number复选框。
（5）提交以进行计算。
5.后处理
（1）单击Result模块图标进入结果显示模块。
（2）在数据树中选择Results子目录，显示各种结果数据，进行相应选择后可以得到不同的结果显示。