【AIFEM案例分析】药柱随机响应分析

AIFEM是由天洑自主研发的一款通用的智能结构仿真软件，助力用户解决固体结构相关的静力学、动力学、振动、热力学等实际工程问题，软件提供高效的前后处理工具和高精度的有限元求解器，帮助用户快速、深入地评估结构的力学性能，加速产品的设计迭代。

1）案例描述

火箭药柱在运输过程中受到各方向的颠簸等激励，这个随机激励可用PSD谱来描述。本案例仿真某型药柱在水平PSD谱下的随机响应。

2）几何

某型药柱几何如图1-1所示，取其四分之一模型进行分析，由红色壳体、灰色绝热层、绿色包覆层和蓝色推进剂组成。

图1-1 几何模型

3）材料属性

各部位材料如表1-1所示。

表1-1 材料属性

4）模态分析步

分析步：求解前30阶模态；边界：固定中间两个环边；对称面施加对称约束。

图1-2 工况示意图

5）随机响应分析步（Y向）

频率区间：10-500Hz；点数：2；直接阻尼：10Hz：0.03、500Hz：0.03；PSD谱。

表1-2 PSD谱

1）新建方案

① 启动AIFEM 2023R2；

② 点击创建方案，在新建方案弹窗中，填写文件名《药柱》，点击保存。

图2-1 AIFEM窗口

图2-2 新建方案

2）几何

① 点击几何>导入，弹出导入几何文件弹窗

②在导入几何文件弹窗中，选择几何文件case_symm_cut.stp；

③ 选择默认的‘导入到新模型’，将其导入为‘药柱’，点击导入。

图2-3 几何导入

3）网格

① 点击有限元模型>四面体网格，弹出四面体网格弹窗；

② 在四面体网格弹窗中，选择整个模型作为对象，点击对象左侧的确定；

③ 将全局网格尺寸修改为8mm，点击生成。

左右滑动查看更多

图2-4 网格划分

4）材料

① 点击有限元模型>新增材料，在材料弹窗中，a.修改材料名称为壳体；b.勾选密度并输入密度值为7.80E-9；c.勾选线弹性并输入弹性模量为2.06E5，泊松比为0.27。勾选继续新增按钮，点击确定。

② 类似的，根据表1-1，依次创建材料绝热层、包覆层和推进剂。

图2-5 创建材料

点击有限元模型>新增材料，在材料弹窗中，a.修改材料名称为绝热层；b.勾选密度并输入密度值为1.03E-9；c.勾选线弹性并输入弹性模量为2.4，泊松比为0.49。勾选继续新增按钮，点击确定。

图2-6 创建材料

点击有限元模型>新增材料，在材料弹窗中，a.修改材料名称为包覆层；b.勾选密度并输入密度值为9.98E-10；c.勾选线弹性并输入弹性模量为1.2，泊松比为0.49。勾选继续新增按钮，点击确定。

图2-7 创建材料

点击有限元模型>新增材料，在材料弹窗中，a.修改材料名称为推进剂；b.勾选密度并输入密度值为1.80E-9；c.勾选线弹性并输入弹性模量为10.692，泊松比为0.49。点击确定。

图2-8 创建材料

5）属性

点击有限元模型>固体属性。在固体属性弹窗中，依次将各材料属性赋予各几何。（可勾选弹窗中继续新增以快速赋予属性）。注意：绝热层和包覆层在两端对称各有一个，均需要赋材料。

图2-9 属性赋予

1）分析步

① 点击有限元分析>新增分析，创建一个‘结构分析’ ，选择子分析步为模态，点击继续；

② 在模态分析步弹窗中，选择给定30振型数

图3-1 分析步创建

① 点击有限元分析>随机响应，弹出随机响应分析步弹窗；

② 在随机响应分析步弹窗中，a.输入最小频率、最大频率、扫频点数、偏置参数分别为10，500，2，3；b.选择指定频率，勾选临界阻尼，输入频率与临界阻尼比为10：0.03，500：0.03；点击确定。

图3-2 分析步创建

2）边界条件

① 点击有限元分析>对称/固定，可弹出对称/固定弹窗；

② 在对称/固定弹窗中，a.选中间两个环边; b.选择固定方式下的简支类型，点击确定。

图3-3 边界条件设置

3）约束

① 点击有限元分析>绑定，可弹出绑定弹窗（可勾选继续新增以连续建立绑定）；

② 在绑定弹窗中，主面选择壳体与绝热层、推进剂接触的内部面（可在视口中右键壳体几何，点击仅显示以便于选择），点击右侧确定；

③ 在绑定弹窗中，副面选择绝热层、推进剂与壳体接触的面（可在视口中右键几何，点击反向显示/隐藏以便于选择），点击确定。

图3-4 约束设置

① 再次点击有限元分析>绑定，弹出绑定弹窗（若勾选继续新增则会自动打开）； 

② 在绑定弹窗中，主面选择绝热层与包覆层、推进剂的接触面（注意：两端对称有两个），点击右侧确定；

③ 在绑定弹窗中，副面选择包覆层、推进剂与绝热层的接触面（注意：两端对称有两个），点击确定。

图3-5 约束设置

① 再次点击有限元分析>绑定，弹出绑定弹窗（若勾选继续新增则会自动打开）。

② 在绑定弹窗中，主面选择推进剂与包覆层的接触面（注意：两端对称有两个），点击右侧确定；

③ 在绑定弹窗中，副面选择包覆层与推进剂的接触面（注意：两端对称有两个），点击确定。

图3-6 约束设置

4）边界条件

① 点击有限元分析>基础激励，弹出基础激励弹窗；

② 在基础激励弹窗中，a.类型选择加速度；b.自由度选择Uy; c.点击PSD下侧，弹出幅值弹窗以新建PSD；

③ 在幅值弹窗中，a.类型选择PSD，重力加速度输入9810；b.输入对应的PSD谱；依次点击两个弹窗的确定。

图3-7 基础激励设置

5）求解

① 点击有限元分析>求解，出现求解弹窗；

② 在求解弹窗中，定义输出名称及求解模型，点击确定进行求解。

图3-8 求解

1）云图查看

① 求解完成后，软件自动导入结果；

②  a.在视口区左侧选择RNMISES. b.视口区下侧选择相应帧，c.输入相应变形系数，进行RMS云图查看。

由此完成了药柱的随机响应分析，得到了RNMISES云图，观察RNMISES云图得到其最值为10.72MPa。

图4-1 应力云图