patran培训教材(有限元分析).doc

目 录

第一章 Patran基础知识 2
第二章 悬臂梁的有限元建模与变形分析 12
第三章 受热载荷作用的薄板的有限元建模与温度场求解 20
第四章 带孔平板的受力分析（平面） 23
第五章 厚壁圆筒的受内压作用时的应力分析 27
第六章 受压力载荷作用时板的受力分析 31
第七章 板的模态分析 34
第八章 板的瞬态响应分析 37
第九章 板的频率响应分析 40
第十章 提取车架中性面的模态分析 43

第一章 Patran基础知识
一．Patran的用户界面介绍
Patran具有良好的用户界面，清晰、简单、易于使用且方便记忆，其用户界面如图1-1所示。

图1-1 patran界面
按照各部分的功能，可将Patran界面划分为四个区域：菜单和工具栏区、操作面板区、图形编辑区、信息显示和命令行输入区。下面，就分别对这几个区域进行介绍。
1.菜单和工具栏区
如图1-2所示，patran的界面上有一行菜单，两行工具栏。

图1-2 菜单工具栏
Patran的菜单是该软件的重要组成部分，使用菜单项，可以完成多设置和操作。本来，菜单与各种工具是配合使用的，两者是不能独立区分的。这里对菜单栏进行简单的介绍，一般情况下，Patran有九个主菜单项，如图1-2所示，文件管理（File）菜单主要用于Patran数据库文件的打开/关闭，同时也用来从其他CAD系统输入模型；组（Group）菜单主要用于组的操作，作用类似CAD系统中的“层”；视窗管理（Viewport）菜单用于视窗设置；视图操作（Viewing）菜单用于图形显示设置，包括了工具栏中一些工具的功能；元素显示管理（Display）菜单用于设置各种元素的显示方式；参数设置（Preferences）菜单用于选择求解器，定制用户自己的环境等操作；工具选项（Tools）菜单中提供了许多非常有用的工具；在线帮助（Help）菜单为使用者提供在线帮助。
工具栏各工具功能见表一：
表一 Patran工具栏各工具功能列表

2.操作面板区，图形编辑区和信息显示和命令输入区
由工具按钮和菜单选项打开的各种面板一般都显示在patran界面的右侧，即操作面板区。
图形编辑区主要用来显示模型，用户可以在该区域用鼠标对模型进行操作。
Patran中的所有操作行为都会显示在信息显示窗口。例如，patran执行了那些PCL命令，系统进行了哪些设置，错误信息等都会在该区域显示出来。

图1-3
二．Patran中数据的输入方法
1.用鼠标从屏幕上拾取对象
用鼠标从屏幕上拾取对象主要是通过鼠标左建、右键和键盘的功能键“Ctrl”、“Shift”的协同操作来完成数据的输入。具体方法如下：
鼠标左键：选择一个对象，操作时，将鼠标移动到要选择的对象上，这时，可能被选取对象将会以颜色变化、高亮度显示、出现一个小圆圈等方式显示，以提示用户，当用户确认所选对象后，单击鼠标左键，则该对象会被选取，如果用户用左键连续选取两个个以上的对象，则只有最后一个被选中的对象有效（在选择对象前，应先用鼠标左键确认要接受输 入的数据输入文本框，下同）。
Shift+鼠标左键：选择多个对象，这种方法是以追加的方式进行的，操作时，按住Shift键，同时用鼠标左键选取所要选择的对象，则所选择的对象都会被选取。 用矩形框选择（鼠标左键）：选择多个对象，操作时，在屏幕上按住鼠标左键，拖出一个矩形框来，则被矩形框所包围的合法对象都会被选中。这里所说的合法是指满足输入的要求，例如要求输入的是点对象，则被矩形框所包围的对象中只有点对象会被选中。
Ctrl+鼠标左键：用多边形框选取多个对象，类似于矩形框选择方法。操作时，按住Ctrl键，同时用鼠标左键在屏幕上选择若干点位置，则系统会将这点依次连线形成一个多边形框，则被包围在矩形框中的对象会被选中。这种方法适合于形状不规则的复杂模型。
鼠标右键：取消一个已选中对象。操作时，将鼠标移动到所要操作的对象上，单击右键，则先前已被选定的该对象将会被取消。该方法用于从已选对象组中剔除不合适的对象。
2.按语法从键盘直接输入
Patran中的所有对象元素都是有标号的，这样可以方便的区分对象，也可以有效地进行管理和操作，比如借助于标号进行选择输入。Patran中根据标号输入有一套完整的语法规定，用户可以按照这些规定方便的输入对象。下面，通过例子来加以说明。
2.1几何编号
关键字有point、curve、surface、solid。
点的输入：例如要输入一个点，可用键盘输入“point 8”（表示输入标号为8的点），“point 3 7 9”（表示输入标号为3、7、9的点），“point 3:7”（表示输入标号从3到7的点），“point 5:18:2”（表示输入标号从5开始到18结束，间隔为2的点，即输入标号为5、7、9、11⋯⋯17的点），“curve 3.2”（输入标号为3的曲线的第2个点），“surface 7.2.2”（输入标号为7的曲面的第2条边的第2个点），“solid 5.3.2.1”（输入标号为5的实体的第3个曲面的第2条边的第1个点）等。
线的输入：要输入曲线（直线），可用键盘直接输入“curve 3”（输入标号为3的曲线），“surface 3.1”（输入标号为3的曲面的第1条边），“solid 7.2.2”（输入标号为7的实体的第2个曲面的第2条边）等。
曲面的输入：可直接键入“surface 7”（输入标号为7的区面），“solid 5.1”（输入标号为5的实体的第1个曲面）等。
实体的输入也类似于上边点线面的输入方法，可参照进行。
2.2 FEM编号
关键字有node、element（可简写为ele）
节点的输入：类似于几何点的输入，只是关键字不同，如“node 3”，“node 1 7 11”，“node 3:10”，“node 1:18:3”等。
单元的输入：例如“element 3”，“element 3:9”，“element 3:9:2”，“element 3,7 12:18”（表示输入标号为3、7、12、13、14⋯⋯18的单元）等。
2.3 直接输入点的坐标
Patran中用方括号“[ ]”来表示坐标，坐标各分量之间可以用逗号“,”、斜杠“/”或空格隔开，可以使用绝对坐标，也可以使用相对坐标，下面就以例子来说明。如“[0,7,8]”，“[3.1/-17.5/19]”，“[0.3 18.29 -17.0]”，“[yp7 yn8 0.3]”（表示该点的x坐标与标号为7点的y坐标相同，y坐标与标号为8的节点的y坐标相同，z坐标是0.3）等。
2.4 直接输入矢量
Patran中用尖括号“< >”来表示矢量，类似于几何点的输入，各分量之间可以用“,”、斜杠“/”或空格隔开，如“<7 0 5>”。
三．Patran建模和分析的一般流程
MSC.Patran建模和分析的一般流程如图1-4所示：
读入几何模型或创建几何模型
选择分析求解器
划分有限元网格
施加约束及载荷边界条件
设置材料特性及单元特性
设置分析参数
提交分析
显示分析结果（后置处理）

图1-4 Patran分析流程图
四．一个典型工程问题的分析过程
为了使读者对Patran和Nastran的使用有一个初步的了解，下面给出一个典型工程问题的例子，这个例子包括了分析过程的几个步骤：在输入几何模型、有限元网格模型、材料定义、单元属性定义、边界条件的定义、提交分析、结果显示。
此例是发动机活塞的有限元分析，其目的是检验该活塞的结构强度。活塞顶部受到向下的均布载荷为10MPa，材料弹性模量，泊松比。
10MPa

图1-5
1．新建一个数据库文件，【File】
1）选择菜单【File】→New，文件名→输入文件名piston, 单击 。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Structural，单击 。
2．导入CAD几何模型
选择菜单【File】→Import，Object→Model, Source→Parasolid xmt，
选择piston.x_t，单击 ，单击 。

3．划分有限元网格，
划分网格：Action→Create，Object→Mesh，Type→Solid， Elem Shape→Tet，Mesher→Tetmesh，Topology→Tet10，Input List→Solid 1，选中Automatic Calculation，单击 。

4．施加边界条件，
1）施加固定约束：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→dis，单击 ，Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >，Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>，单击 ，单击
，选中Geometry，Select Geometry Entities→Solid 1.3 1.8，单击 ，单击 ，单击 。
2）施加均布载荷：Action→Create，Object→Pressure，Type→Element Uniform，New Set Name→Pre，Target Element Type t→3D，单击 , Pressure→1.0e7，单击 ，单击 ，选中Geometry，Select Solid Faces→Solid 1.32，单击 ，单击 ，单击
。

5．定义材料属性，
定义材料：Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→steel，单击 ，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→2.1e11，Poisson Ratio→0.3，单击 ，单击 。

6．定义单元属性，
1）定义单元属性：Action→Create，Object→3D，Type→Solid，Property Set Name→pro，Option(s) →Homogeneous、Standard Formulation，单击 ， Material Name→Steel（在Material Property Sets中选择），单击 ，Select Members→Solid 1，单击 ，单击 。

7．进行分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Method→Analysis Deck，Job Name→piston，单击 ，Solution Type→LINEAR STATIC，单击
，apply。打开NASTRAN，选择piston.bdf，单击 。此时，Patran会将模型提交Nastran运算，会弹出一个DOS形式的窗口，显示Nastran的运行情况，运算完成之后，计算机的扬声器会有提示音，同时，状态显示窗口关闭。
2）读入分析结果：Action→Access Results，Object→Attach XDB，Method→Result Entities，Select Result File，文件名→piston.xdb，单击 ，单击 。这一步骤，是将Nastran的分析结果读入到Patran中来，这样才可以进行后处理。

8．后处理，
1）显示应力云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default,A1: Static Subcase，Select Fringe Result→Stress Tensor，Quantity→von Mises，单击 。此时，活塞模型的von Mises弯曲应力云纹图就显示出来，如图1-6所示。

图1-6
2）显示位移变形图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default,A1: Static Subcase，Select Deformation Result→Displacements Translational，Quantity→Magnitude，单击 。此时，活塞模型的位移变形图就显示出来，如图1-7所示。

图1-7

第二章 悬臂梁的有限元建模与变形分析
一．一维单元
1．新建一数据库文件，【File】
1）【File】→New，文件名→beam-1D, 。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Structural， 。

2．创建几何模型，
1）创建几何点：Action→Create，Object →Point，Method →XYZ，Point 1→[0 0 0]，去掉Auto Execute， ，Point 2→[10 0 0] ， 。（注：Auto Execute和 不要同时选中，本文后面均未选中Auto Execute）
2）创建曲线：Action→Create，Object→Curve，Method→Point，Option→2 Point，Curve 1，Starting Point List→point 1，Ending Point List→point 2， 。

3．划分有限元网格，
1）建立网格种子：Action→Create，Object→Mesh Seed，Type→Uniform，Number of Element，Number→40，Curve List→Curve 1， 。
2）划分网格：Action→Create，Object→Mesh，Type→Curve，Topology→Bar2，Curve List→Curve 1, 。

4．施加边界条件，
1）施加固定约束：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→dis1， ，Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >，Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>， ， ，选中FEM，Select Nodes→Node 1， ， ， 。
2）施加均布载荷：Action→Create，Object→CID Distributed Load，Type→Element Uniform，New Set Name→CID 1，Target Element Type t→1D，Input Data ,Distr Force<F1 F2 F3>→<0 -1.0e5 0>， ， ，选中FEM，Select 1D Elements→Elm 1:40， ， 。

5．定义材料属性，
定义材料：Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→steel， ，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→2.1e11，Poisson Ratio→0.3， ， 。

6．定义单元属性，
定义单元属性：Action→Create，Object→1D，Type→Beam，Property Set Name→pro1，Option(s) →General Section、Standard Formulation， ，单击Create Section，Action→Create，Object →Standard Shape，Method →NASTRAN Standard，Section Name→rect，单击【>】,选择，W→0.05，H→1， ，Material Name→Steel（在Material Property Sets中选择），Bar Orientation→<0，1，0>， ，Select Members→Curve 1，
， 。

7．进行分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Method→Analysis Deck，Job Name→beam-1D，单击 ，Solution Type→LINEAR STATIC
， ， 。打开NASTRAN，选择beam-1D.bdf， 。此时，Patran会将模型提交Nastran运算，会弹出一个DOS形式的窗口，显示Nastran的运行情况，运算完成之后，计算机的扬声器会有提示音，同时，状态显示窗口关闭。
2）读入分析结果：Action→Access Results，Object→Attach XDB，Method→Result Entities， ，文件名→beam-1D.xdb， ， 。这一步骤，是将Nastran的分析结果读入到Patran中来，这样才可以进行后处理。

8．后处理，
1）显示应力云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Fringe Result→Bar Stresses，Bending，Quantity→von Mises
， 。此时，有限元模型的von Mises弯曲应力云纹图就显示出来，如图2-1所示。

图2-1
2）显示位移云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Deformation Result→Displacements Translational，Quantity→Magnitude， 。此时，有限元模型的位移变形图就显示出来，如图2-2所示。

图2-2
二．2维单元
1．新建一数据库文件，【File】
1）【File】→New，文件名→beam-2D， 。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Structural， 。

2．创建几何模型，
1）创建几何点：Action→Create，Object →Point，Method →XYZ，Point 1→[0 0 0]，apply，Point 2→[10 0 0] ，Point 3→[0 1 0]，apply，Point 4→[10 1 0] ， 。
2）创建曲线：Action→Create，Object→Curve，Method→Point，Option→2 Point，Curve 1，Starting Point List→point 1，Ending Point List→point 2， ，Curve 2，Starting Point List→point 3，Ending Point List→point 4， 。
3）创建曲面：Action→Create，Object→Surface，Method→Curve，Option→2 Curve， Surface 1，Starting Curve List→Curve 1，Ending Curve List→Curve 2， 。

3．划分有限元网格，
1）建立网格种子：Action→Create，Object→Mesh Seed，Type→Uniform，Number of Element，Number→40，Auto Execute，Curve List→Curve 1， ，Number of Element，Number→2，Auto Execute，Curve List→Surface1.3， 。
2）划分网格：Action→Create，Object→Mesh，Type→Surface， Elem Shape→Quad，Mesher→Isomesh，Topology→Quad8，Surface List→Surface 1， 。

4．施加边界条件，
1）施加固定约束：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→dis2， ，Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >，Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>， ， ，Geometry，Select Geometry Entities→Surface 1.1， ， ， 。
2）施加均布载荷：Action→Create，Object→CID Distributed Load，Type→Element Uniform，New Set Name→CID 2，Target Element Type→2D， ,Surf Distr Force<F1 F2 F3>→<0 -1.0e5 0>， ， ，Geometry，Select Surfaces or Edges→Surface 1.2， ，
， 。

5．定义材料属性，
定义材料：Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→steel， ，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→2.1e11，Poisson Ratio→0.3， ， 。

6．定义单元属性，
1）定义单元属性：Action→Create，Object→2D，Type→shell，Property Set Name→pro，Option(s) →Homogeneous、Standard Formulation，
，Material Name→Steel（在Material Property Sets中选择），Thickness→0.05， ，Select Members→Surface 1， ， 。

7．进行分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Method→Analysis Deck，Job Name→beam-2D，单击 ，Solution Type→LINEAR STATIC
， ， 。打开NASTRAN，选择beam-2D.bdf， 。此时，Patran会将模型提交Nastran运算，会弹出一个DOS形式的窗口，显示Nastran的运行情况，运算完成之后，计算机的扬声器会有提示音，同时，状态显示窗口关闭。
2）读入分析结果：Action→Access Results，Object→Attach XDB，Method→Result Entities， ，文件名→beam-2D.xdb， ， 。这一步骤，是将Nastran的分析结果读入到Patran中来，这样才可以进行后处理。

8．后处理，
1）显示应力云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Fringe Result→Stress Tensor，Quantity→von Mises， 。此时，2D模型的von Mises弯曲应力云纹图就显示出来，如图2-3所示。

图2-3
2）显示位移变形图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Deformation Result→Displacements Translational，Quantity→Magnitude， 。此时，2D模型的位移变形图就显示出来，如图2-4所示。

图2-4
三．3D单元
1．新建一数据库文件，【File】
1）【File】→New，文件名→beam-3D, 。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Structural， 。

2．创建几何模型，
1）创建几何点：Action→Create，Object →Point，Method →XYZ，Point 1→[0 0 0]
， ，Point 2→[10 0 0]， ，Point 3→[0 1 0]， ，Point 4→[10 1 0]， 。
2）创建曲线：Action→Create，Object→Curve，Method→Point，Option→2 Point，Curve 1，Starting Point List→point 1，Ending Point List→point 2， ，Curve 2，Starting Point List→point 3，Ending Point List→point 4， 。
3）创建曲面：Action→Create，Object→Surface，Method→Curve，Option→2 Curve， Surface 1，Starting Curve List→Curve 1，Ending Curve List→Curve 2， 。
4）创建实体：Action→Create，Object→Solid，Method→Extrude，Solid Type ，Translation Vector→<0 0 0.05>，Surface List→Surface 1， 。

3．划分有限元网格，
1）建立网格种子：Action→Create，Object→Mesh Seed，Type→Uniform，Number of Element，Number→40，Curve List→Solid 1.4.3， ，Number of Element，Number→5，Curve List→Solid 1.1.2， ，Number of Element，Number→1， Curve List→Solid 1.1.3， 。
2）划分网格：Action→Create，Object→Mesh，Type→Solid， Elem Shape→Hex，Mesher→Isomesh，Topology→Hex8，Solid List→Solid 1， 。

4．施加边界条件，
1）施加固定约束：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→dis3， ，Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >，Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>， ， ， FEM，Select→Node 1:452:41， ， ， 。
2）施加均布载荷：Action→Create，Object→CID Distributed Load，Type→Element Uniform，New Set Name→CID 3，Target Element Type→3， ,Distr Force<F1 F2 F3>→<0 -1.0e5 0>， ， ，Geometry，Select Solid Face→Solid 1.4， ， ， 。

5．定义材料属性，
定义材料：Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→steel， ，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→2.1e11，Poisson Ratio→0.3， ， 。

6．定义单元属性，
定义单元属性：Action→Create，Object→3D，Type→Solid，Property Set Name→pro，Option(s) →Homogeneous、Standard Formulation，
，Material Name→steel（在Material Property Sets中选择）， ，Select Members→Solid 1, , 。

7．进行分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Type→Analysis Deck，Job Name→beam-3D，单击 ，Solution Type→LINEAR STATIC，
， 。打开NASTRAN，选择beam-3D.bdf， 。此时，Patran会将模型提交Nastran运算，会弹出一个DOS形式的窗口，显示Nastran的运行情况，运算完成之后，计算机的扬声器会有提示音，同时，状态显示窗口关闭。
2）读入分析结果：Action→Access Results，Object→Attach XDB，Method→Result Entities， ，文件名→beam-3D.xdb， , 。这一步骤，是将Nastran的分析结果读入到Patran中来，这样才可以进行后处理。

8．后处理，
1）显示应力云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Fringe Result→Stress Tensor，Quantity→von Mises， 。此时，3D模型的von Mises弯曲应力云纹图就显示出来，如图2-5所示。

图2-5
2）显示位移变形图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static Subcase，Select Deformation Result→Displacements Translational，Quantity→Magnitude， 。此时，3D模型的位移变形图就显示出来，如图2-6所示。

图 2-6

第三章 受热载荷作用的薄板的有限元建模与温度场求解
计算分析模型如图3-1所示：

图3-1 受热载荷作用的薄板的计算分析模型
1．新建一数据库文件，【File】
1）【File】→New，文件名→sheet，OK。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Thermal， 。

2．创建几何模型，
1）创建几何点：Action→Create，Object →Point，Method →XYZ，Point 1→[0 0 0]， ，Point 2→[2 0 0]， ，Point 3→[0 6 0]， ，Point 4→[2 6 0] ， 。
2）创建曲线：Action→Create，Object→Curve，Method→Point，Option→2 Point，Curve 1，Starting Point List→point 1，Ending Point List→point 2， ，Curve 2，Starting Point List→point 3，Ending Point List→point 4， 。
3）创建曲面：Action→Create，Object→Surface，Method→Curve，Option→2 Curve， Surface 1，Starting Curve List→Curve 1，Ending Curve List→Curve 2， 。

3．划分有限元网格，
1）建立网格种子：Action→Create，Object→Mesh Seed，Type→