background image

WS13-1

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

WORKSHOP 13

CANTILEVERED BEAM USING 1D OR 

2D ELEMENTS, AND ANALYSIS

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-2

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-3

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

 

Workshop Objectives

 

Create two models of a cantilevered beam. The models are for 
1D (bar elements) or 2D (plate elements). Compare the results 
from the analysis for the models.

 

Problem Description

 

Compare the deformation and stress results for the two types of 
models.

 

Piston material: Aluminum with E = 2e5 MPa and ! = 0.3

 

Force on tip of beams = 150 N

 

Software Version

 

MSC.Patran 2005r2

 

MSC.Nastran 2005r2b

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-4

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

 

Key Concepts and Steps:

 

Database: create a database with Analysis Code = MSC.Nastran and 

Analysis Type = Structural

 

Geometry: create a 50mm x 10mm x 15mm parametric solid

 

Elements: create 2D Quad4 mesh on the four long sided faces of the solid

 

Loads/BCs: apply concentrated force at free end of cantilevered beam. 
Constrain cantilevered end of beam.

 

Materials: create material properties for beam; use aluminum properties.

 

Properties: create properties for Quad4 elements. They include both 
bending and membrane properties.

 

Analysis: Solution Type = Nastran Linear Static, Solution Sequence = 
101, Method = Full Run

 

Analysis: access analysis results by attaching the XDB file to database

 

Results: view both the deformation and stress results

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-5

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

 

Key Concepts and Steps: (continued)

 

Database: create a database with Analysis Code = MSC.Nastran and 

Analysis Type = Structural

 

Geometry: create a <50 0 0> curve

 

Elements: mesh the curve with 1D Bar2 elements. Create a rigid link 
(MPC) for force application at the free end of the cantilevered beam.

 

Loads/BCs: apply a concentrated force at the free end of the MPC

 

Materials: create material properties for beam; use aluminum properties.

 

Properties: create properties for Bar2 elements. Use the Beam Library 
and select the rectangular cross-section option.

 

Analysis: Solution Type = Nastran Linear Static, Solution Sequence = 
101, Method = Full Run

 

Analysis: access analysis results by attaching the XDB file to database

 

Results: view both the deformation and stress results 

 

Results: compare the 2D and 1D model results

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-6

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 1.  Create a Database for 2D Element Model

Create a new database for 2D 
element model.

a.

File / New.

b.

Enter cant_beam_2D as 
the file name.

c.

Click OK.

d.

Choose Default Tolerance.

e.

Select MSC.Nastran as the 
Analysis Code.

f.

Select Structural as the 
Analysis Type. 

g.

Click OK

a

b

e

f

d

c

g

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-7

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 2.  Create Solid Geometry

a.

Geometry: Create / Solid / 
XYZ.

b.

Select on Vector 
Coordinates List 
and enter 
< 50 10 15 >.

c.

Apply.

d.

Change view to I

so 1 View.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

< 50 10 15 >

background image

WS13-8

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 3. Create 2D Element Mesh

a.

Elements: Create / Mesh / 
Surface.

b.

Element Shape: Quad.       

c.

Mesher: I

soMesh.

d.

Topology: Quad4.

e.

Click on Surface List and 
select the four long faces of 
the solid, not including the 
end faces.

f.

Uncheck Automatic 
Calculation.

g.

Enter for Global Edge 
Length
.

h.

Apply.

a

g

h

f

e

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

 5

background image

WS13-9

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 4.  Display Free Edges

a.

Elements: Verify / Element / 
Boundaries.

b.

Display Type: Free Edges.

c.

Apply.

d.

As shown in the figure, 
yellow lines along the solid 
edges should appear

a

b

c

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-10

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

b

Step 5.  Connect the Elements Together

a.

Elements: Equivalence / All / 
Tolerance Cube.

b.

Apply.

Notice that magenta colored circles 
are drawn where nodes are 
equivalenced.

a

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-11

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 6. Display Free Edges Again

a.

Elements: Verify / Element / 
Boundaries.

b.

Display Type: Free Edges.

c.

Apply.

No longer do the yellow lines in the 
long direction appear.  This means 
that the adjacent 2D quad elements 
are connected.

a

b

c

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-12

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 7.  Apply a Force at One End

a.

Loads / BCs: Create / Force 
/ Nodal.

b.

Select on New Set Name
and enter force.

c.

Input Data.

d.

Enter <

0 -150 0> for Force 

<F1 F2 F3 >.

e.

OK.

f.

Select Application Region.

g.

Geometry Filter: Geometry.

h.

Click on Select Geometry 
Entities
.

i.

Select Point or Vertex icon 
from the Pick Menu.

a

b

c

d

e

f

g

h

i

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

< 0 -150 0 >

background image

WS13-13

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 7.  Apply a Force at One End (cont.)

a.

Turn on the Point labels.

b.

Select on the point (Point 7) 
as shown in the figure.

c.

Add.

d.

OK.

e.

Apply.

Close-Up

b

c

d

a

Note that selecting Point 7 and 
Vertex Solid 1.2.2.2 is 
equivalent.

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-14

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 8.  Create Constraints

Constrain beam at other end, fixing 
all six degrees of freedom at all 
nodes.

a.

Loads / BCs: Create / 
Displacements / Nodal.

b.

Select on New Set Name
and enter fix_end.

c.

Select Input Data.

d.

Enter <

0 0 0> for 

Translations <T1 T2 T3 >
and Rotations <R1 R2 R3>.

e.

OK.

f.

Click on Select Application 
Region
.

g.

Select Geometry for 
Geometry Filter.

h.

Click on Select Geometry 
Entities
.

i.

Select Curve or Edge icon 
for the picking.

a

b

c

d

e

f

g

h

i

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-15

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

a.

Select the four solid edges
as shown in the figure.

b.

Add.

c.

OK.

d.

Apply.

Step 8.  Create Constraints (Cont.)

Select these edges

a

b

c

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-16

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 9. Create Material Properties

a.

Materials: Create / Isotropic / 
Manual Input.

b.

Select on Material Name
and enter aluminum.

c.

Select I

nput Properties.

d.

Enter:

Elastic Modulus2e5.

Poisson Ratio0.3.  

e.

OK.

f.

Apply.

a

b

c

d

e

f

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

 2e5

background image

WS13-17

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 10. Create Element Properties for the 2D Quad Topology

a.

Properties: Create / 2D / 
Shell.

b.

Option(s): Homogeneous / 
Standard Formulation.         

c.

Select Property Set Name
and enter alum_2D.

d.

Select Input Properties.

e.

Click on Mate

rial Property 

Name icon and select 
aluminum under Select 
Existing Material.

f.

Thickness: 1.

g.

OK.

a

b

c

d

e

f

g

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

 1

background image

WS13-18

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 10. Create Element Properties for the 2D Quad Topology (Cont.)

a.

Click on Select Members.

b.

Select the four long solid 
faces. 

c.

Add.

d.

Apply.

e.

Turn off the Point labels.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-19

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 11. Check Assignment of Loads and BC’s to Load Case

a.

Load Cases: Modify.

b.

Select Default in Select 
Load Case to Modify
.

c.

Check that all Loads and 
BC’s are selected.

d.

Cancel.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-20

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 12. Run the Analysis

Run the analysis of the model.

a.

Analysis: Analyze / Entire 
Model / Full Run.

b.

Select Solution Type.

c.

Choose L

INEAR STATIC for 

Solution Type.

d.

OK.

e.

Apply.

b

c

d

a

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-21

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 13. Read Results Under Analysis

Attach the .xdb file to read the 
results.

a.

Analysis: Access Results / 
Attach XDB / Result Entities.

b.

Click on Select Results 
File
.

c.

Select and attach 
cant_beam_2D.xdb.

d.

OK.

e.

Apply.

c

d

a

b

e

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-22

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 14. View Results

a.

Results: Create / 
Deformation.

b.

Select Results icon.

c.

Select A

1:Static Subcase

under Select Result Cases.

d.

Select Displacements, 
Translational 
under Select 
Deformation Result
.

e.

Show As: Resultant.

f.

Apply.

a

b

c

d

e

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-23

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 14. View Results (Cont.)

a.

Results: Create / Fringe.

b.

Select A1:Static Subcase
under Select Result Cases.

c.

Select S

tress Tensor under 

Select Fringe Result.

d.

Quantity: X Component.

e.

Select P

lot Options button.

f.

Coordinate Transformation: 
Global.

g.

Apply.

a

b

c

d

e

f

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-24

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 15. Stress Results and Save a Copy of the Database

Display X component of stress fringe 
plot.  Save a copy of this database for 
use later for a transient simulation.

a.

File / Save a Copy as...

b.

File name: 
cant_beam_transient.db.

c.

Save.

d.

File / Quit.

a

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-25

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 16.  Create a New Database for 1D Element Model

Create a new database for 1D 
element model.

a.

File / New.

b.

Enter cant_beam_1D as the 
file name.

c.

Click O

K.

d.

Choose Default Tolerance.

e.

Select MSC.Nastran as the 
Analysis Code.

f.

Select Structural as the 
Analysis Type.

g.

Click O

K.

a

b

e

f

d

c

g

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-26

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 17.  Create Curve Geometry

a.

Geometry: Create / Curve / 
XYZ.

b.

Select on Vector 
Coordinates List 
and enter 
< 50 0 0 >.

c.

Apply.

d.

Change view to I

so 1 View.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

< 50 0 0 >

background image

WS13-27

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 18. Create 1D Element Mesh

a.

Elements: Create / Mesh / 
Curve.

b.

Topology: Bar2.

c.

Click on Curve List and select 
the curve.

d.

Enter for Global Edge 
Length
.

e.

Apply.

a

b

c

d

e

c

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

 5

background image

WS13-28

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 19. Create a Rigid Link at Force End

Create a rigid link at the end of the 
beam where the load will be 
applied. That will offset the load so 
it will be applied equivalent to that 
for the prior 2D model. 

a.

Turn on the node labels.

b.

Elements: Create / Node / 
Edit.

c.

Select on Node Location List 
and enter [50, 5, 7.5].

d.

Apply.

This will give Node 12, 
where the load will be 
applied.

b

d

a

c

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

[50, 5, 7.5]

background image

WS13-29

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 19. Create a Rigid Link (Cont.)

a.

Elements: Create / MPC / 
RBE2.

b.

Select Define Terms.

c.

Select C

reate Dependent.

d.

Turn off Auto Execute.

e.

Click on Node List and 
select Node 11 from the 
figure.

f.

DOFs: specify UX, UY, UZ, 
RX, RY, RZ
.

g.

Apply.

a

b

c

d

e

f

g

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-30

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 19. Create a Rigid Link (Cont.)

a.

Notice that Create 
Independent 
is active now.

b.

Click on Node List and 
select Node 12 from the 
figure.

c.

Apply.

d.

Cancel.

e.

Apply.

Notice that a magenta colored line was 
drawn from Node 11 to Node 12. This 
represents the rigid RBE2 MPC.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-31

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 20.  Create a Concentrated Force

Apply a force at the free end of the 
MPC.

a.

Loads / BCs: Create / Force 
/ Nodal.

b.

Select on New Set Name
and enter force-1D.

c.

Input Data.

d.

Enter <

0 -150 0> for Force 

<F1 F2 F3 >.

e.

OK.

f.

Select Application Region.

g.

Geometry Filter: FEM.

h.

Click on Select Nodes and 
select Node 12.

i.

Add.

j.

OK.

k.

Apply.

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

<0 -150 0>

background image

WS13-32

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 21.  Apply Constraints at Other End

a.

Loads / BCs: Create / 
Displacements / Nodal.

b.

Select on New Set Name
and enter fix_it.

c.

Select Input Data.

d.

Enter <

0 0 0> for 

Translations <T1 T2 T3 >
and Rotations <R1 R2 R3>.

e.

OK.

f.

Click on Select Application 
Region
.

g.

Select FEM for Geometry 
Filter
.

h.

Click on Select Nodes and 
select Node 1.

i.

Add.

j.

OK.

k.

Apply

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-33

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 22. Create Material Properties

a.

Materials: Create / Isotropic / 
Manual Input.

b.

Select on Material Name
and enter aluminum2.

c.

Select Input Properties.

d.

Enter:

Elastic Modulus2e

5.

Poisson Ratio0.3.  

e.

OK.

f.

Apply.

a

b

c

d

e

f

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

 2e5

background image

WS13-34

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 23. Create Element Properties for the 1D Beam Topology

a.

Properties: Create / 1D / 
Beam.

b.

Option(s): General Section / 
Standard Formulation
.         

c.

Select Property Set Name and 
enter alum_1D.

d.

Select Input Properties.

e.

From the Material Property 
Sets
, select aluminum2 for 
Material Name.

f.

Select Create Sections Beam 
Library
.

a

b

c

d

e

f

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-35

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 23. Create Element Properties for the 1D Beam Topology (Cont.)

a.

In New Section Name
cross_sect.

b.

Select the rectangular cross-
section button and enter:       
15, 10, t1 =1, 
t2 =1.

c.

Calculate / Display.

d.

OK.

e.

Enter < 0 1 0 > in Bar 
Orientation
.

f.

OK.

g.

Click on Select Members and 
select Curve 1.

h.

Add.

i.

Click A

pply.

j.

Display the cross-section to 
scale under Display / 
Load/BC /Elem. Props…
using Beam Display / 3D: 
FullSpan + Offsets.

k.

Click Apply.

a

b

c

Notice that the name “cross_sect” now 
appears in the Input Properties form 
under Section Name.  Area, Inertia 
and Torsional Constant have values.  
The values are ghosted out so that to 
change them it is necessary to use the 
Create Section button.

d

e

f

b

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

15

10

 1

 1

background image

WS13-36

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

a.

This is the entire 1D model. 
A representation of the 
cross-section is shown, 
even though the geometry is 
only 1D.

Step 23. Create Element Properties for the 1D Beam Topology (Cont.)

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-37

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 24. Check Assignment of Loads and BC’s to Load Case

a.

Load Cases: Modify.

b.

Select Default in Select 
Load Case to Modify
.

c.

Check that all Loads and 
BC’s are selected.

d.

Cancel.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-38

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 25. Run Analysis for 1D Beam

a.

Analysis: Analyze / Entire 
Model / Full Run.

b.

Select Solution Type.

c.

Choose LINEAR STATIC for 
Solution Type.

d.

OK.

e.

Apply.

b

c

d

a

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-39

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 26. Read Results Under Analysis

Attach the .xdb file to read the 
results.

a.

Analysis: Access Results / 
Attach XDB / Result Entities.

b.

Click on Select Result File.

c.

Select and attach the 
cant_beam_1D.xdb.

d.

OK.

e.

Apply.

c

d

a

b

e

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-40

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 27. View Results

Create a Deformation plot .

a.

Results: Create / 
Deformation.

b.

Select Results icon.

c.

Select A

1:Static Subcase

under Select Result Cases.

d.

Select Displacements, 
Translational 
under Select 
Deformation Result
.

e.

Show As: Resultant.

f.

Apply.

a

b

c

d

e

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-41

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

Step 27. View Results (Cont.)

a.

Results: Create / Fringe.

b.

Select A1:Static Subcase
under Select Result Case(s).

c.

Select S

tress Tensor, 

Bending under Select 
Fringe Result
.

d.

Quantity: X Component.

e.

Apply.

a

b

c

d

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13

background image

WS13-42

PAT301, Workshop 13, December 2005
Copyright  2005 MSC.Software Corporation

a.

Compare Results.

b.

This ends this exercise.

Step 28. Compare 2D and 1D Model Results

MES w modelowaniu układów mechatronicznych lab. 1,2 (based on MSC tutorial WS13