超单元应用中的关键问题研究_马洪亮

收稿日期:2008-03-22修回日期:2008-04-23第26卷第5期计算机仿真2009年5月文章编号:1006-9348(2009)05-0048-04超单元应用中的关键问题研究马洪亮1,2,贾海涛1,2,刘伟1,吴清文1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:航天相机结构复杂,相应的有限元模型大,计算机分析效率低,甚至无法求解。为缩减模型自由度,提高计算机求解效率和能力。采用超单元技术划分相机有限元模型,利用部件模态综合法降低系统阶数;着重研究超单元在MSC.Patran中创建时和在MSC.Natran中分析时所遇到的各种关键问题,分析错误产生的原因,提出相应的解决措施;并通过一大型算例验证了超单元模型的准确性。分析结果表明:超单元法与整体有限元分析法比较,求解的前10阶固有频率误差小于4%,而计算时间仅为原来的1/2。超单元法很大程度上缩减模型自由度,提高计算机解算能力,节省计算时间。关键词:超单元;模态综合;关键问题;解决措施中图分类号:V411.8文献标识码:BAStudyoftheKeyProblemintheApplicationofSuperelementMAHong-liang1,2,JIAHai-tao1,2,LIUWei1,WUQing-wen1(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,ChangchunJilin130033,China;2.GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)ABSTRACT:SpacecamerashavecomplicatedstructureandcorrespondinglylargeFEmodel.Theefficiencyofcom-puteranalysisislow,eventhesolutioncan'tberealized.Toreducethefreedomofthemodelandimprovethesolu-tionefficiencyandabilityofcomputers,thisarticleusessuperelementtechnologytobuildafiniteelementmodelofthecameraandusesmodalsynthesismethodofsubstructuretolowerthedimensionsofthesystem.ThekeyproblemsofthecreationofsuperelementinMSC.PatranandtheanalysisinMSC.Nastranareprimarilystudied.Thereasonofcausingmistakesisanalyzedandthemeasuresofsolutionaregiven.Alarge-scaleexampleverifiestheaccuracyofsuperelementmodel.Theanalysisresultsshowthatthesuperelementmethodcontrastingtothewholefiniteelementmethod,thefirsttenordersnormalfrequencyerrorsarelessthan4%,thecalculatingtimeisshortenedto1/2.Thesuperelementmethodlargelyreducesthefreedomofmodels,improvesthesolutionabilityofcomputersandsavesthetimeofcalculations.KEYWORDS:Superelement;Modalsynthesis;Keyproblem;Measuresofsolution1引言航天光学仪器在发射段要经历十分复杂的力学环境作用,在设计阶段要对系统进行严格的动响应分析和预示[1]。航天相机结构复杂,相应的有限元模型很大,如果直接对整个结构进行有限元求解,会造成计算机存储要求过高,甚至长时间无法解算的现象[2]。超单元法可以缩减系统自由度,节省计算时间,提高计算机解算能力。超单元分析是求解大型问题一种十分有效的手段,主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析,即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度类似于子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。应用超单元,工程师仅需对那些所关心的受影响大的超单元部分进行重新计算,从而使分析过程更经济、更高效,避免了总体模型的修改和对整个结构的重新计算[3]。在超单元应用的实际过程中存在一定困难,以往小规模算例,无法真正体现超单元在大型复杂结构有限元分析中的优越性。随着有限元分析模型的增大,在超单元创建过程中将出现种种问题,严重影响计算结果的准确性,甚至导致计算无法进行。本文论述了超单元分析的基本原理;针对应用超单元进行工程分析存在的种种问题,从实际操作的角度对超单元在MSC.Patran中创建和在MSC.Natran中分析时所遇到的各种关键问题进行深入研究,得到了相应的解决措施;并通过一大型算例验证了超单元模型的准确性,真正意义上体现了超—48—