© AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation.

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1 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 1 J. Chaix - BTE/CC/MO 1ère Réunion Technologique Europe du Sud ANALYSIS OF AERONAUTICAL STRUCTURES WITH MSC/NASTRAN ABOUT SPECIFICITY OF FORMULATION FOR ELEMENTS AND D.O.F RELATIONS J. Chaix AMB - Toulouse

2 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 2 J. Chaix - BTE/CC/MO CONTENTS 1- Introduction 2- Generation of NASTRAN model 2.1 Numbering convention 2.2 Automatic assembly of Sub-structures 2.3Model Characteristics 3 - Comparison of results 3.1Methodology:systematic comparisons of results 3.2Analysis of significant differences 4 - CBEAM limitations 5 -Conclusions

3 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 3 J. Chaix - BTE/CC/MO INTRODUCTION (1)  NASTRAN software is commonly used at Aerospatiale Matra Airbus (AMB), as Finite Elements Software Reference since end 1997 for new aircrafts (A340-500/600, A3XX)  Now we have a new challenge:  To use NASTRAN Software for in_service aircrafts (maintenance activity) (A300/310 family, A320/321/319 family, A340/330 family)  To use NASTRAN Software for derivated aircrafts (The first application is the A318, derivated aircrafts from Single Body program)

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5 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 5 J. Chaix - BTE/CC/MO INTRODUCTION (3) STRESS DOSSIER IN-HOUSE SOFTWARE RESULTS NEW STUDIES: MAINTENANCE ACTIVITY WEIGHT VARIANT AIRCRAFT Certification WE MUST UNDERSTAND THE BEHAVIOR CONSISTENCY/DIFFERENCES 1984.. IN-HOUSE E.F. MODELS NOW (1999) NASTRAN MODELS New Complementary Results

6 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 6 J. Chaix - BTE/CC/MO Nombre de passagers : 185 - 220 Rayon d’action : 3 000 nm Nombre de passagers : 124 - 145 Rayon d’action : 3 500 nm Nombre de passagers : 150 - 180 Rayon d’action : 3 000 nm Nombre de passagers : 107 - 129 Rayon d’action : > 2 700 nm Airbus A318-A319-A320-A321 «Standard Bodies»

7 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 7 J. Chaix - BTE/CC/MO Airbus A320 Components

8 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 8 J. Chaix - BTE/CC/MO Generation of NASTRAN model  To find easily the correspondance (Node/element number and location) between Aself and Nastran models  To generate automatically a separated Bulk Data file for each primary sub-structure (component)  To generate automatically an unique Bulk Data file of assembly Datas: Link between interface grids Goal: To build a Complete Nastran model according to the Aself schematization (behavior of finite elements, sub-structures assembly rules)

9 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 9 J. Chaix - BTE/CC/MO Numbering rules Primary Aself sub-structures are identified by cc number as : Left component models : CC= 1 (TR11) -  49 Right component models : CC=51 (TR12) -  99 Coordinate System Refence of component :CC GRIDs, ELEMENTs,PROPERTIES (except PCOMP) MATERIALSCC xxx xxx Internals CORDxx, FORCE, MOMENT,SPC,LOAD, PCOMP, MAT8CC xxx Global aircraft coordinate system100 000 MPCADD, SPCADD100 000 Interfaces GRID numbers 100 001  299 999 Assembly RBE2 100 001  299 999 Primary sub-structure (component) Assembly datas

10 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 10 J. Chaix - BTE/CC/MO Identification of differents components

11 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 11 J. Chaix - BTE/CC/MO Automatic assembly of components  F1  F2  I1  I2 Translation DOFs: F1+F2 Rotations DOFs: Constrained Appropriate Coordinate system Rotation DOFs: F1+F2 Translations DOFs = Slaves of I1 Appropriate Coordinate system   ux2 =ux1 uy2 =uy1 uz2 =uz1 rx2 =rx1 ry2 =ry1 rz2 =rz1 Goal: To create a link between interface grids according with the relations below

12 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 12 J. Chaix - BTE/CC/MO Complete Nastran Model

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15 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 15 J. Chaix - BTE/CC/MO Systematic comparison of results  Sytematic comparison of displacements, internal forces and stresses  Development of a specific tool which manage:  numbering correspondance  CD coordinate system  mcsid definition for cquad4, ctria3 elements and provide:  results differences tables and files for graphic visualization Example: Displacements

16 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 16 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : displacements differences (maxi: 1.1 mm) - Pressure loadcase

17 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 17 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : GPFORCES differences (zoom - maxi: 3 E4 N) - Pressure loadcase

18 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 18 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : Differences of Bending Moments in CBEAM (maxi: 2.7 E5 N.mm) - Pressure loadcase

19 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 19 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : Differences of Normal Force in CBEAM (maxi: 4 400 N) - Pressure loadcase

20 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 20 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : Differences of Shear Force in CBEAM (maxi: 6 100 N) - Pressure loadcase

21 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 21 J. Chaix - BTE/CC/MO Nose fuselage component : Differences of Von Mises (maxi: 3.3 hb) - Pressure loadcase

22 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 22 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : displacements differences (maxi: 0.1 mm) - Loadcase C80882

23 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 23 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : Von Mises differences (maxi: 1.6hb) - Loadcase C80882

24 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 24 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : Bending Moments in CBEAM Visualisation of differences - Loadcase C80882

25 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 25 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : Von Mises differences (maxi: 1.6 hb) - CAS C80882

26 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 26 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : STIFFNERS

27 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 27 J. Chaix - BTE/CC/MO Centre Fuselage Component : STIFFNERS

28 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 28 J. Chaix - BTE/CC/MO CBEAM element: Description FY MX A B I=1 073 521 mm 4 I=6 140mm 4

29 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 29 J. Chaix - BTE/CC/MO CBEAM Element: Description FY MX A B

30 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 30 J. Chaix - BTE/CC/MO Type5 – standard Aself :Aself Beam Element (= 10 integration points) Type5 – SC moyen :SC1 and SC2 are calculated with Kmoy=(SC1+SC2)/(SN1+SN2) CBEAM Element Element with properties at end A and B Type 5 – 3 Integration points. Integration scheme with 3 Gauss points Type47 - I variation = f(S. D 2 ) with d1 =, d2 = CBEAM element: Results

31 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 31 J. Chaix - BTE/CC/MO CBEAM Element: Conclusions Resultats aself (attention aux unites Aself daN, m.daN --------------- Nastran: N, mm.N T Y P E 5 - POUTRE FLEX. + EFF. TRANCH. ET NORMAL NO MAT POINTS INERTIE Hz Sc Sn Dz Vz MFy Tz N SIGma (hbar) TAUz ELEM (cm4) (mm) (mm2) (mm2) (mm) (mm) (m.daN) (daN) (daN) (Vz) (Vz-Hz) (hbar) 20503 1 503 107.35 76.0 323. 911. 0.0 58.3 -23.85 345. -3286. -2.31 -4.00 1.60 L(mm)= 182. 523 0.61 6.7 30. 1641. 0.0 3.4 38.94 345. -3286. -23.25 19.24 17.26 Resultats Nastran ----------------- 20503 SANS SECTIONS INTERMEDIAIRES ---------------------------- 5000503 0.000 -1.685864E+05 -1.557755E-04 -3.649409E+03 -4.556301E-07 -3.293288E+04 0.0 0.0 5000523 1.000 4.952224E+05 -7.289871E-05 -3.649409E+03 -4.556301E-07 -3.293288E+04 0.0 0.0 20503 AVEC SECTIONS INTERMEDIAIRES ---------------------------- 5000503 0.000 -2.378005E+05 -1.562443E-04 -3.474485E+03 -4.637687E-07 -3.291005E+04 0.0 0.0 5000523 1.000 3.941906E+05 -7.188715E-05 -3.474485E+03 -4.637687E-07 -3.291005E+04 0.0 0.0 D'OU PAR COMPARAISON DIRECTE --------------------------- TRI PAR MODULE DECROISSANT DES DIFFERENCES DE M N T POUTRE (module) ELT ASELF ! M ase : M nas : % ! N ase : N nas : % ! T ase : T nas : % ! Mod (ase-nas) ! Mod/Mod SANS 20503 -238460. -168586. 29. -32859. -32933. 0. 3452. -3649. 6. 699121. 31. AVEC 20503 -238460. -237801. 0. -32859. -32910. 0. 3452. -3474. -1. 688. 0. SANS: Sans sections intermediaires --> calcul initial AVEC: Avec sections intermediaires --> calcul avec prise en comte correcte de la forte evolution des inerties

32 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 32 J. Chaix - BTE/CC/MO CBEAM Element: Conclusions NASTRAN CBEAM ELEMENT USE AN INTEGRATION SCHEME WITH 3 GAUSS POINTS FOR LARGE VARIATION OF INERTIA (MORE THAN > 1/10) BETWEEN ENDs A AND B INTEGRATION SCHEME NEEDS TO USE MORE THAN 3 GAUSS POINTS. ==> USER MUST PUT 2 ADDITIONALS SECTIONS IN PBEAM DATA (AT X/XB = 0,8 and 0,9 OR X/XB=0,1 and 0,2) near the END with small inertia WARNING: THE USE OF INTERMEDIATE STATIONS IN PBEAM (ONLY TO OBTAIN FORCES OR STRESSES RECOVERY) WILL MODIFIY THE BEAM OVERALL STIFFNESS!!

33 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 33 J. Chaix - BTE/CC/MO Global comparison synthesis S  pressure S  C86722 S  C80882 S  C80882  Dep  Gpforces  Vmises panneau 95% < 0,05 mm 90% < 1000 N 97% < 2500 N 99% < 5 Mpa 97% < 0,05 mm 97% < 2500 N 98% < 0,05 mm 100% < 500 N 98% < 5 Mpa  M Poutre  N Poutre  T Poutre 90% < 0,1 mm 90% < 2500 N 96% < 7,5 Mpa 99% < 10 m.daN 97% < 1000 N 96% < 500 N 99% < 1000 N

34 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 34 J. Chaix - BTE/CC/MO Global comparison synthesis (suite)  Results correlations are satisfactoring for most nodes/elements  More significant differences can appear locally for following reasons: - Warped cquad4 elements (--> The corrective method which take into account the warping of cquad4 is based on an implementation of auxiliary forces. What are physical significations of theses correctives forces?) - Ctria3 elements in bending behavior (thick element) - Very stretched Ctria3 elements - Trapezoidal cquad4 element in flexion - CBEAM element with very large variation of inertia  AMB needs to know very well the NASTRAN element formulations

35 © AEROSPATIALE MATRA AIRBUS 7-9 Juin 2000 Ce document est la propriété d ’AEROSPATIALE; il ne peut être communiqué à des tiers et/ou reproduit sans l’autorisation préalable écrite d ’AEROSPATIALE AIRBUS et son contenu ne peut être divulgué MSC Conference / 35 J. Chaix - BTE/CC/MO Conclusion  AMB uses NASTRAN Software for new aircarfts ( A340-500/600 program ).  AMB would like to use NASTRAN Software for in-service aircrafts (maintenance activity) and derivated aircrafts  AMB uses NASTRAN Results: Displacements, internal forces, Gpforces, Stresses Theses results must be reliable for All elements type All load capabilities (Applied Forces, thermal load,..)  AMB post-processing tools use extensively the Nastran GPFORCES More than 100 000 times a year Many sub-contrators