第五章 分析数据定义

5.2.1  分析数据简介

    本节简要介绍常用的创建分析数据的方法和过程。创建分析数据的一般步骤如下。

    第一步：在数据库中创建物理数据。

    （1）在数据视图下选择Data Library数据库。

    （2）选择分析数据类型，创建如定义、材料、载荷、约束等特征。

    （3）输入一个名字。

    （4）选择一个数据分析类型。

    （5）单击“Apply”按钮，则分析数据创建完成。

    （6）单击“Close”按钮结束。

    第二步：选择一个几何。

    在三维视图中或在数据树中选择将被指定分析数据的几何。

    第三步：为几何定义分析数据。

    （1）选择一个分析数据类型（几何属性、材料、载荷、约束等）。

    （2）创建一个新的物理数据或使用“Bound to”项选择已有的分析数据。

    （3）给使用的分析数据输入一个名字。

    （4）单击“Apply”按钮则一个新的分析数据创建完成。

    （5）单击“Close”按钮结束。

5.2.2  基本概念

1．术语

    由于所有菜单都由一个分析驱动器控制，所以可以使用与选择的应用区域相关的术语和概念来代替有限元词汇。

2．环境状态

    分析形式的物理含义通过文件里一系列应用的FEA（有限元分析）数据（也可以是应用的分析数据）来详细说明。

    应用的FEA数据简单地说就是将FEA数据指定给一个载体，载体可能是一个几何体（部分模型）或网格体（部分网格模型）。

    除网格模型和分析驱动器以外，使用的FEA数据设置包括完成一个有限元分析求解需要的所有内容。

3．自动数据检查

    当用户更改分析类型时，系统会自动检查已存在的分析数据与新的分析类型是否匹配，如不匹配则分析数据图标显示成灰色、字体显示成橙色。此外，分析数据检查器在运行有限元求解之前检查所有FEA数据的整体一致性。成功的检查通常是一个必要但不充分的条件，只能确保求解器运算不会因为错误或无效数据而过早停止。

4．单位工具

    为确保所有的分析数据单位一致，在每一个实际数据条目区旁通常会出现一个单位组合框菜单。这个组合框根据所需要数据的物理单位包含有效的物理单位名称。

    该单位工具可以随时改变选择的物理单位名称。实际数据条目区的数值会自动转换成选择的物理单位名称。

    在SAMCEF Field的内核，每个实际数值和用户选择的物理单位名称都用国际单位制保存。所以，当实际数据条目区在屏幕显示时，物理数值通常在用户单位里显示。

5.2.3  数据库

    可以用两种方法提供特定的数据库：

    直接创建现有模型的FEA数据。

    导入保存的数据。

    为了导入一个FEA数据，选择File下的Import，指定文件格式.sf*（*指载荷、行为、约束、材料……）。FEA数据将自动保存在数据树（Data Tree）的数据库（Data Library）里。

    为了输出一个FEA数据，选择File下的Export，指定文件格式.sf*（*指载荷、行为、约束、材料……）。应注意的是，不要将文件名称和数据名称混淆，它们是不同的。

    分析数据（也叫FEA数据）包含材料特性，如材料、载荷、行为、边界条件（约束或限制）以及一些所谓的行为。最终包含数学模型假设（如壳、梁等）和其他一些物理特性（如壳的厚度、杆的截面等）。

    一个FEA数据是一个永久抽象的数据类型，包含：

    名称。

    分析数据类型。

    分析数据子类型。

    一些数值（FEA数据特征）。

    每个FEA数据都是一个主体，可以通过它在数据树的数据库里的名称来识别。一旦它被保存，这个相同的名字就可以在数据资料库里用来识别FEA数据。为了在分析的求解阶段有效，一个FEA数据必须在相应目录（使用过的数据目录）里已使用的FEA数据中被使用。

    当修改一个FEA数据时，修改范围是所有与之相关的已使用的FEA数据。

    另一方面，一个局部FEA数据既不是命名的也不是保存的主体。当修改一个局部FEA数据时，修改范围仅仅是包含它已使用的FEA数据。

    对一个FEA数据可以进行的操作有创建、编辑（修改）、删除、重命名和将一个结果数据转换成一个分析数据。

1．在数据库里创建一个分析数据

    创建一个新的FEA数据的主要步骤是：

    （1）单击“Analysis Data”按钮。

    （2）在数据树Data Tree里选择数据库“Data Library”。

    （3）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择一个FEA数据类型。

    （4）在名称子区里输入一个名字。

    （5）使用“Fetch”按钮选择一个任意模板来初始化特征。

    （6）在子类型子区里选择一个分析数据子类型。

    （7）在特性子区里添入相关的特性数值并按〈Enter〉键。

    （8）单击“Create”按钮使选择和输入值有效或者单击“Close”按钮取消操作。

    现在，数据树里一个新的FEA数据已可使用。

2．在数据库里编辑一个分析数据

    在数据库里一次只能编辑一个FEA数据。

    编辑一个FEA数据的主要步骤是：

    （1）在数据视图里选择作为目标的FEA数据，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择EditData…命令打开对话框，或双击打开对话框。

    （2）FEA数据编辑框将会在当前屏幕上出现。

    （3）在子类型子区选择一个分析数据子类型。

    （4）在特性子区里添入相关的特性数值并按〈Enter〉键。

    （5）单击“OK”按钮使选择和输入值有效或者单击“Close”按钮取消操作。

    现在，一个新的FEA数据已经被修改。

3．在数据库里删除一个分析数据

    如果一个FEA数据被当前使用的FEA数据中的至少一个引用的话，就不能删除。

    删除一个或更多的FEA数据的主要步骤是：

    （1）在数据视图里选择作为目标的FEA数据。

    （2）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Delete”删除选项。

    （3）单击“OK”按钮确认FEA数据已被删除或者单击“Close”按钮取消操作。

4．在数据库里重命名一个分析数据

    重命名一个FEA数据的主要步骤是：

    （1）在数据视图里选择作为目标的FEA数据。

    （2）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Properties”选项，或者打开Edit编辑菜单，选择“Rename”重命名命令。

    （3）输入新的数据名。

    （4）单击“OK”按钮结束操作。

5．结果数据转换成分析数据

    一个结果数据是经过一个有限元求解计算得到的一系列数值。它经常被叫做域，因为它是关联一些空间位置（网格的节点位置，一个单元为边界的体或面）和物理特性的图。例如，一个结构分析的典型结果数据是在每个节点计算的位移向量和在每个单元的一些位置计算的应力张量成分。一个热分析的典型结果数据就是在每个节点计算的温度和每个单元的热通量。

    有些结果数据可能转换为分析数据，然后指定给一些网格支持体来创建一个新的应用的FEA数据。于是，一个先前求解计算的结果可能被用做另一个求解计算的输入数据。该版本只有热分析的温度场可以转换，只用于一个热载荷转换为一个热-机耦合分析。这种分析将解决结构的热膨胀问题，计算膨胀时的应力和应变。

    转换一个结果数据的主要步骤是：

    （1）单击“Result”结果按钮。

    （2）选择数据树中的“Temperature”温度场。

    （3）单击鼠标右键，选择弹出的快捷菜单中的“Convert”转换项。

    （4）温度场将被数据库目录的数据树引用。

    （5）单击“Analysis Data”分析模块按钮。

    （6）选择应用温度场的网格。

    （7）单击“Load”按钮，选择“Bound to”项，单击“Apply”按钮确认或“Close”按钮取消操作。

    一个结果FEA数据一旦转换，就不能再对模型重化网格或修改网格，因为最新创建的FEA数据定义了目前的网格。

5.2.4  局部分析数据

    一个局部分析数据（也叫局部FEA数据）包括：

    一个分析数据类型。

    一个分析数据子类型。

    一系列数值（FEA数据特征）。

    只有通过创建或编辑一个应用FEA数据才能进入分析数据类型、分析数据子类型和FEA数据特征区。当进入到创建应用FEA数据或编辑应用FEA数据模式下，通过复制数据定义方式子区里的FEA数据模板上的相应数值，这些区就可以被初始化。区域数值也可以通过键盘和鼠标输入或选择。

    当无法引用一个现有的FEA数据或没有FEA数据和由于一些类型/子类型/特性在所有的分析中只能使用一次，而并不想创建它们时，可以使用一个局部FEA数据来创建一个应用的FEA数据。

    当FEA数据已经存在，也可以使用局部FEA数据，但可能还要进一步修改时，可以复制FEA数据类型/子类型/特征当前的属性，并将它们保存成局部FEA数据。注意，一个FEA数据修改会影响与该FEA数据有关的所有应用FEA数据。

5.2.5  应用数据

    一个应用FEA数据简单地说就是将一个FEA数据指定给一个FEA数据载体。这个载体可能是一个几何体（即分析模型部分）或一个网格体（网格模型部分）。

    对FEA应用数据的操作有：

    创建。

    编辑物理数据。

    删除。

    重命名。

    忽略。

    在分析的三维视图中显示。

    在分析的三维视图里也有一个图示，可用于选择的目标。

    每个FEA应用数据都有FEA数据类型，FEA数据类型指定给FEA数据支持者。

1．创建一个应用分析数据

    增加一个新的FEA应用数据的步骤为：

    （1）选择分析模块按钮。

    （2）选择FEA数据支持者或者数据树上的网格标签。

    （3）单击鼠标右键，从弹出的快捷菜单中选择数据类型。

    （4）在当前屏幕上将出现FEA数据编辑框。

    （5）在FEA数据类型子区里选择一个FEA数据子类型。

    （6）在识别子区里输入一个名字。

    （7）如要绑定则选择绑定一个现有FEA数据或者在制表面板定义一个局部FEA数据。

    （8）单击“Apply”按钮使选择和输入值有效或单击“Cancel”按钮结束操作。

    定义一个局部FEA数据的步骤为：

    （1）使用“Fetch”按钮选择任意一个模板并初始化特征数值。

    （2）在子类型子区里选择一个分析数据子类型analysis data subtype。

    （3）在特性子区添上相关特性值并按〈Enter〉键。

    （4）单击“Apply”按钮使选择和输入值有效或单击“Cancel”按钮结束操作。

    一个新的FEA应用数据已创建，在数据树上已可以使用。

    例如，指定材料给整个分析模型的步骤如下。应用数据对话框如图5-3所示。

 

图5-3  应用数据对话框

（1）进入分析数据模块。

（2）在数据视图中选择模型。

（3）单击“材料”按钮。

（4）选择各向同性为子类型。

（5）在数据编辑框里输入三个各向同性材料特性（杨氏模量、泊松比和密度），并按〈Enter〉键。

（6）单击“Apply”按钮。

一个包含指定给整个分析模型的材料的新FEA应用数据创建在当前文件里，并且在数据树上可用。

2．编辑一个应用分析数据

编辑一个应用分析数据支持体，每次可能只编辑一个FEA应用数据。编辑一个FEA应用数据支持体的步骤是：

（1）在数据树中根据它的名字选择FEA应用数据。

（2）选择的物体在三维视图中加亮突出。

（3）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Edit Support”编辑应用数据支持体项，如图5-4所示。

（4）在当前屏幕上将出现FEA数据编辑框。

（5）单击“OK”按钮使选择和输入值有效或单击“Cancel”按钮取消操作。

3．删除一个应用分析数据

删除一个或更多的FEA应用数据的步骤是：

    （1）如果还没有激活分析数据定义模块的话，单击“Analysis Data”分析数据模块按钮。

    （2）在数据树中根据它们的名字选择一个或更多的FEA应用数据。

    （3）选择的物体将加亮突出。

    （4）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Delete”删除项。

    （5）单击“OK”按钮确认FEA应用数据的删除或单击“Cancel”按钮取消操作。

    -FEA应用数据从分析方式上删除并且在数据树中不再可用。

4．重命名一个应用分析数据

    重命名一个应用分析数据精确地说，就是为选择一个FEA应用数据或FEA数据的任意一个已命名的物体重新命名。

    （1）选择的物体将加亮突出。

    （2）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Properties”编辑数据项，弹出对话框。

    （3）在对话框中输入一个新名字，按〈Enter〉键，单击“OK”按钮或单击“Cancel”按钮取消操作。

5．忽略一个应用分析数据

    数据在两种情况下可以被忽略：

    第一，如果决定不考虑一个数据但又不想删除它，就可以选择该数据，单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Ignore”，那么分析就会忽略该数据（如图5-5所示）。忽略的数据将会被隐藏，在数据树上它的名字显示为灰色（如图5-6所示）。

 

图5-4  编辑应用数据支持体

    图5-5  忽略应用分析数据    

 

图5-6  忽略的数据显示灰色

    第二，如果改变了一个数据的分析类型，SAMCEF Field将会忽略和新分析类型不匹配的数据。在数据树上该被忽略的数据的名字将显示为灰色。

6．显示一个应用分析数据

    在隐式非线性分析中，可以显示一些装配（铰链、柱销）的运动效果，步骤为：

    （1）单击“分析模块”按钮。

    （2）选择一个装配数据，单击鼠标右键，如图5-7所示。

    （3）在弹出的快捷菜单中选择显示数据Display Data...。

    （4）在弹出的Drawing Mode对话框中移动滑块，显示运动副的运动效果，如图5-8所示。

 

图5-7  显示应用分析数据

 

图5-8  Drawing Mode对话框

    （5）单击“Close”按钮结束操作。

5.2.6  分析数据对话框

    分析数据对话框如图5-9所示。

 

图5-9  分析数据对话框

    不同类型的数据选项有效性基于以下几方面：

    当前操作（创建、指定、编辑）。

    当前选择（分析模型、面、节点等）。

    当前分析驱动器（SAMCEF 或 MSC.NASTRAN、线性静力或模态分析等）。

    与以前定义的分析数据的兼容性。

    当一个数值对物体定义有误，只要没有输入值，输入区总保持红色。如果数据无效，子区也保持红色。

1．模式子区

    可以使用一个已有的FEA数据定义一个新的FEA数据。模式子区如图5-10所示。

 

图5-10  模式子区

    单击取出按钮筛选出FEA数据指给模板，如图5-10所示。当从数据库或当前分析已有的FEA数据创建、编辑或指定一个FEA数据时，可以从列表框里选择一个FEA数据，并将该数据的特性复制给当前数据。

2．绑定子区

    选择“Bound to”选项卡来绑定一个分析数据，绑定子区如图5-11所示。

 

图5-11  绑定子区

    当从数据库编辑或指定一个FEA数据时，可以从列表框里选择一个FEA数据，指定该数据给选择的支持体。

3．命名子区

    名字对应于数据树里标示的主体。默认的名字句法是这样建立的：主体名字_选择的实体类型。在创建模型的任意时刻，使用者都可能修改创建的FEA数据的默认名字。在对话框里，选择命名子区文本框，输入需要的名字。

4．子类型子区

    FEA数据子类型是在对话框的子类型子区里定义的，如图5-12所示。然后，可以在特性子区定义物理数据特性。

 

图5-12  子类型子区

    不同的子类型有效性基于：

    当前的分析数据类型（行为、材料、载荷、约束、装配、初始化条件）。

    当前的操作（创建、指定或编辑）。

    当前选择（分析模型、面、节点等）。

    当前分析驱动器（SAMCEF 或 MSC.NASTRAN、线性静力或模态分析等）。

    与以前定义的分析数据的兼容性。

5．特性子区

    在对话框的数据编辑框中定义FEA数据特性，如图5-13所示为在特性子区定义一各向同性的材料。

 

图5-13  特性子区

    当所有特性都定义后，单击“Apply”按钮。如果一些特性值无效，将会显示红色，“Apply”按钮显示灰色。

6．方向子区

    方向定义区是一个分析数据对话框的子区（如图5-14所示）。

    定义一个方向，先在下拉列表框中选择方向定义模式。

 

图5-14  方向子区

    （1）选择与坐标轴平行的方向，如图5-15所示。

 

图5-15  选择与坐标轴平行的方向

    选择相应的单选按钮定义一个与坐标轴平行的方向，通过单击右侧的反向按钮可以选择相反方向。

    （2）选择与矢量一致的方向，如图5-16所示。

 

图5-16  选择与矢量一致的方向

    单击该按钮定义一个与余弦矢量一致的方向，在数据编辑框输入矢量余弦值。

    （3）选择关于数据支持体的切向或法向，可以定义一个方向朝向一个顶点、边或轴，如图5-17所示。

 

图5-17  选择关于数据支持体的切向或法向

    （4）可以定义一个方向，通过选择一条线、两个点或一个面（面的法向），如图5-18所示。

 

图5-18  选择一条线、两个点或一个面

7．平面子区

    平面子区如图5-19所示。

 

图5-19  平面子区

    定义一个平面有许多方法。例如，可以定义法向和一个距零点的偏移量。该偏移量在正法向是正值，反向按钮使正法向反向。其他方法还有，选择一个主平面，选择一个CAD构造面，选择三个点，选择一个点和一条线……在这些情况里，通过选择计算偏移量，仍然是正法向。

5.2.7  物理数据类型

    有效的物理数据类型为：

    几何特性。

    材料。

    约束。

    载荷。

    装配。

    初始条件。

5.2.8  特殊的单元

    特殊的单元有：

    驱动马达。

    控制器。

    函数。

    转子（只用于转子动力学分析）。

    函数和控制器可以在数据库里或者直接在一个分析数据里定义。

1．驱动马达

    有三种类型的驱动马达：

    给定旋转的驱动马达，如图5-20所示。

    给定旋转速度的驱动马达，如图5-21所示。

    给定扭矩的驱动马达，如图5-22所示。

    例如，给一个装配/铰接上增加一个驱动马达的步骤是：

    （1）选择分析数据模块。

    （2）在数据树中激活当前选择的模型。

    （3）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“Assembly”选项或直接在模块右边的图标选择装配Assembly。定义特殊特征对话框如图5-23所示。

 

图5-20  给定旋转的驱动马达

 

图5-21  给定旋转速度的驱动马达

 

图5-22  给定扭矩的驱动马达

 

图5-23  定义特殊特征对话框

    （4）在Assembly类型中选择 Hinge铰接。

    （5）单击Motor前的复选框，激活一个驱动马达。

    （6）单击按钮定义一个驱动马达。

    （7）选择驱动马达的类型（给定旋转、给定旋转速度、给定扭矩）。

    （8）选择函数类型（线性函数、阶梯函数、点对点函数）并定义。

    （9）单击“Apply”按钮增加该驱动马达（重复步骤5～8可以增加多个驱动马达）。

2．控制器

    在本版本里，数据库定义的控制器只是外部控制器，用于装配/线性驱动马达。控制路的主要类型有转动弹簧、转动弹性制动、转动联锁、转动刚性制动和转动阻尼。如图5-24～5-28所示。

 

图5-24  转动弹簧

 

图5-25  转动弹性制动

 

图5-26  转动联锁

 

图5-27  转动刚性制动

 

图5-28  转动阻尼

3．函数

    函数编辑对话框，如图5-29所示。建立一个函数，主要应该注意以下几个方面：

    横坐标和纵坐标的使用单位。

    函数类型。

    数据单位类型。

 

图5-29  函数编辑对话框

    函数类型有：

    常函数。

    线性函数（如图5-30所示）：Y= f (u)。

    阶梯函数（如图5-31所示）：当0<u<x时，Y=f(u)；其余情况下，Y=常数。

 

图5-30  线性函数

 

图5-31  阶梯函数

    点对点函数（如图5-32所示）：这种类型的函数可以定义特殊函数，可以通过使用一些以前的函数定义，也可以使用增加点、插入点直接定义函数。

 

图5-32  点对点函数

    关联函数：该图标可以将一个数据库里定义的函数和一个FEA应用数据关联起来。

    单击图5-29中的按钮，显示函数图像。

4．转子

    转子特征只用于转子设置，如图5-33所示。一个转子可以用梁模型、多次谐波模型（二维）或三维实体模型表示。旋转轴对一维梁单元是无效的，但对于一个二维或三维模型是必须定义的。对于多次谐波模型，旋转轴必须建立在结构上（X轴、Y轴或Z轴）。

    阻尼选项只对谐波响应和瞬态响应有效。瞬态响应是必须设定旋转速度的。

 

图5-33  转子设置