MSCPatranamp;Nastran入门讲座.pptx

MSC.Patran/Nastran简介MSC.Patran/Nastran是一款国际知名的大型通用结构有限元分析软件，自上世纪八十年代由美国MSC.Software公司推出以来，历经近四十年的发展，目前已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、武器、机械制造和能源等众多工业领域。MSC.Patran/Nastran的最新版本是2012。MSC.Patran拥有强大的模型导入功能，可以导入从CATIA、I-DEAS、Pro/E、Rhino和UG等通用三维造型软件中抽取的模型，还可以读入IGES（NAPA）等格式文件中的模型信息。MSC.Nasran能够完成以下结构分析类型：线性静态分析线性静态分析（Linear Static Analysis）非线性静态分析（Nonlinear Static Analysis）正则模态分析正则模态分析（Normal Mode Analysis）屈曲分析（Buckling Analysis）复特征值分析（Complex Eigenvalue Analysis）频率响应分析频率响应分析（Frequency Response Analysis）瞬态响应分析（Transient Response Analysis）非线性瞬态分析（Nonlinear Transient Analysis）隐式非线性分析（Implicit Nonlinear Analysis）热分析Thermal Analysis）1Patran：前后处理器Nastran：求解器*.op2/*.xdb*.bdf实例演示：矩形平板线性静态分析几何模型、载荷及约束条件 尺寸：4000mm3000mm 厚度：10mm 载荷：0.05N/mm2均布面载荷 边界条件：短边刚性固定，长边自由材料属性 密度：7.8510-9t/mm3 弹性模量：2.06105MPa 泊松比：0.32总结一：Patran/Nastran结构分析流程导入分析结果（Analysis）生成变形图、云图、报告等（Results）求解（Nastran）后处理（Patran）几何建模（Geometry）划分网格（Elements施加载荷及边界条件（Loads/BCs）创建材料（Material）单元赋属性（Properties）创建载况（Load Case）前处理（Patran）*.bdf*.op2/*.xdb*.db*.ses.*.bdf*.db.jou*.op2/*.xdb*.f06*.f04*.BDALL*.MASTER*.ses.*.rpt注意注意：Nastran分析完毕后，不要盲目将得到的结果文件（op2或xdb）读入Patran，一定要先打开f06文件并在里面搜索fatal（致命错误），只有搜不到fatal时才可以进入下一步，否则应根据出错信息修改模型并再次提交分析。34总结二：Patran建模思路Patran的建模思路非常简洁，几乎所有操作都遵从“3W”原则，即：用何种方法以何种对象为目标进行何种操作；Performing what kind of actions on which type of objects in what way.例如，用指定坐标的方法创建点，其Action、Object和Method依次为Create、Point和XYZ；对节点进行旋转变换的Action、Object和Method依次为Transform、Node和Rotate。总结三：Patran/Nastran文件系统文件文件类型型扩展名展名用途用途能否用能否用记事本打开事本打开数据库文件db包含所有模型信息不能Nastran输入文件bdf/dat供Nastran分析用能结果文件op2/xdb被Patran读入在后处理阶段生成变形图、云图等不能分析过程记录文件f06查错能对话文件ses.*记录用户在Patran中的每一步操作能除了上述主要文件，Patran/Nastran在运行过程中还会产生如下文件：系统信息统计文件（*.f04）日志文件（*.jou）*.DBALL*.MASTER 临时文件56总结四：Patran建模单位用Patran建模时，单位由用户自己确定，但需保证封闭。采用国际单位制：长度：m质量：Kg时间：s密度：Kg/m3力：N（Kg.m/s2）力矩：N.m压强/应力：Pa（N/m2）适合船体结构建模的单位制：长度：mm质量：t时间：s密度：t/mm3力：N（t.mm/s2）力矩：N.mm压强/应力：MPa（N/mm2）钢材材料属性弹性模量：2.06 105 MPa（N/mm2）泊松比：0.3密度：7.85 10-9 t/mm3总结五：数据输入（一）Patran提供了鼠标拾取和键盘输入两种数据输入方法。拾取方法拾取方法拾取范拾取范围鼠标左键单击被单击的单个对象按住Shift键并用鼠标左键单击被单击的所有对象按住鼠标左键并拖动完全被矩形框包围（和与矩形框边界相交）的对象按住Ctrl键并用鼠标左键单击完全被多边形框包围（和与多边形框边界相交）的对象通过键盘输入数据的语法格式为：对象类型标识符 对象标号列表对象象类型型标识符符对象象类型型标识符符几何点point/p节点node/n面surface单元element/ele实体solid多点约束MPC7总结五：数据输入（二）对象标号列表的格式：多个对象标号之间用空格或逗号分隔；有规律的对象标号用:步长。例如element 1,3 4:10:2代表标号为1,3,4,6,8,10的单元。坐标、向量的输入格式：坐标用方括号对（）标识，各分量之间用空格或逗号或左斜线分隔；向量用尖括号对（）标识，各分量之间用空格或逗号或左斜线分隔。例如100 200 300，。选择菜单的使用选择菜单（select menu）一般和矩形框选方法配合使用，通过选取选择菜单上的对象类型，可以对选择集内的对象进行过滤，只有指定类型的对象才能被选中。随着操作类型的不同，选择菜单的选项会发生变化。8组（Group）的操作：用途及与AutoCAD图层之比较组是合理组织模型、高效操作视图的有效工具。简单模型无需分组，将所有对象放在默认组（Default group）中即可；而对于复杂模型，则必须分组，且在开始建模之前就必须谋划好如何组织模型，从而决定需要建几个组、每个组包含哪些对象。Patran中的组在某些方面与AutoCAD中的图层（Layer）非常相似，比如：图层有当前图层和非当前图层之分；而组也有当前组和非当前组的区别。在AutoCAD中，新建对象自动分布在当前图层中；而在Patran中，新建对象自动包含进 当前组中。在AutoCAD中，对象可以在图层之间移动，从而方便修改对象的各种属性；而在Patran中，对象也可以从一个组移动/复制到另一个组。在AutoCAD中，从属于同一个图层的对象具有相同的属性（如线型、线宽、颜色等）；而在Patran中可以为各个组的各种对象（如各种几何体和单元）分别指定显示效果。9当然，Patran中的组和AutoCAD中的图层还是有区别的，主要表现在：在AutoCAD中，包含对象的图层是不能被删除的；而在Patran中，可以随意删除不是当前组的组（无论组中是否包含对象），且默认情况下组所包含的对象并不会被删除。在AutoCAD中，同一对象只能属于一个图层；而在Patran中，同一对象可以从属于多个组。组（Group）的操作：常用操作组的创建、显示、修改、移动/复制、置为当前、变换、删除、属性查询等操作通过选择Group菜单的相应命令来实现。Create：创建组；Post：显示组；Modify：修改组（置为当前、重命名、添加/删除成员Move/Copy：在组之间移动/复制成员Transform：整体平移/旋转组所包含成员；Delete：删除组；Group Transform Translate/Rotate和Transform element Translate/Rotate的区别：当单元已赋属性时，前者得到的子单元可以继承父单元的属性；而后者父单元的属性将丢失，需要重新给子单元赋属性。组的变换方法：10组（Group）的操作：组的创建原则、命名及分组技巧组的创建原则 在够用的前提下越少越好。方便观察模型及后续的单元赋属性等操作。组的命名 不能使用汉字和特殊符号，可以使用字母、数字和下划线；长度不要超过31个字符；最好不要使用拼音，而用能够见名知义的英文或其缩写，例如1号货舱的甲板纵骨组可以起名为ch1_deck_longi，尾部舷侧纵桁用aft_side_stringer，建议采用“舱室名_构件类型”这种格式。分组技巧 沿船长方向按舱室将整船分为若干总段组，上层建筑单独成组。每个总段组细分为外板及其骨架、内底及其骨架、甲板及其骨架、舱壁及其骨架等子组。当然，每个子组还可按板、各个方向的骨材进一步细分。例如，对于甲板板架，可以将甲板板归为一组，甲板纵骨归为一组，甲板纵桁和横梁各为一组。11视图操作：（一）视向切换，模型旋转、平移及缩放视向的切换通过工具栏 实现。快速旋转和平移模型通过工具栏 实现。为了精确地旋转视图，可以选择Viewing Transformations命令，在弹出的面板中单击Options按钮，拖动Rotation滑块设置好旋转步长，再回到原来的面板单击对应的旋转轴按钮进行精确旋转。局部放大；调整视图至完全显示；缩小；放大；12视图操作：（二）标号的显示/隐藏在Patran数据库中，每个对象都有一个标号（ID），用于标识该对象。如果要显示/隐藏对象的标号，先单击工具栏上的 按钮，再在弹出的工具栏中选择需要显示标号的对象类型。显示/隐藏所有对象的标号；显示/隐藏所有几何对象的标号；显示/隐藏所有有限元对象的标号；显示/隐藏所有几何点的标号；显示/隐藏所有曲线的标号；显示/隐藏所有曲面的标号；显示/隐藏所有实体的标号；显示/隐藏所有节点的标号；显示/隐藏所有单元的标号；同时显示大量对象的标号会极大地影响视图的清晰性并降低视图操作的灵敏性，因此建议建模过程中关闭标号的显示，有需要时再打开。13视图操作：（三）对象消隐成组的对象可以通过Group Show命令方便地进行显示/隐藏，那么如何显示指定类型（如几何对象和有限元对象，点，线，面，节点，单元等）的对象和组内的部分对象呢？对象消隐功能就是为了实现此种目的特意定制的。单击工具栏上的 按钮，弹出下图所示的绘图/擦除面板（Plot/Erase form）。输入/选择要显示/隐藏的对象；显示选择的对象；隐藏选择的对象；显示所有几何对象；隐藏所有几何对象；显示所有有限元对象；隐藏所有有限元对象；显示所有对象；隐藏所有对象；此外，通过单击工具栏上的 按钮和 按钮，可以显示/隐藏几何点和节点，且其大小（默认为9）可以通过选择Display Geometry/Finite Element 命令在弹出的面板中拖动Point/Node Size滑块进行调节。14几何建模：（一）点 Geometry Create Point 根据坐标创建点；在两点之间内插得到点；由线/向量与线/曲面/平面/向量的交点创建点；Geometry Transform Point 平移已存在的点；旋转已存在的点；镜像；15几何建模：（二）线的创建 Geometry Create Curve Geometry Transform CurvePoint：连点成线；Intersect：曲面和曲面、曲面和平面、平面和平面的交线；PWL：连续创建多条直线；Spline：样条曲线；XYZ：由起点、方向和长度创建直线；Revolve：由点旋转得到线；2D Circle：创建平面圆弧；2D ArcAngles：由圆心、起点角度、终点角度和半径创建圆/圆弧2D Arc2Point：由圆心、起点和终点 创建圆/圆弧2D Arc3Point：由起点、中间点和终点创建圆弧16几何建模：（三）面的创建 Geometry Transform Surface Geometry Create Surface1、Create Surface Revolve：母线绕底圆圆周旋转2、Create Surface Extrude：底圆沿轴线扫略Curve：连线成面；XYZ：由一个角点和对角线矢量创建平面；Extrude：由线扫略生成面；Revolve：由线旋转生成面1718几何建模：（四）坐标系的创建19Patran中的单元概述Patran中的单元按维数分为0维单元（点单元）、一维单元（线单元）、二维单元（面单元/板单元）和三维单元（体单元），体单元在船体结构建模中较少用到。0维单元用于模拟无需详细模拟但又需考虑其影响的质量，比如模态分析中设备和附连水的质量都需用点单元来模拟。一维单元用来模拟杆、梁、柱等线性构件，如纵骨、肋骨、普通横梁等普通构件以及高腹板梁的面板。二维单元用来模拟板，如外板、甲板板、平台板、内底板、舱壁板、肋板、围壁板以及高腹板梁的腹板等。每种维度的单元又有多种拓扑类型（即节点数），对线单元，有二节点（Bar2三节点（Bar3）和四节点（Bar4）共四种；对面单元，有三节点三角形（Tri3）、四节点三角形（Tri4）、六节点三角形（Tri6）、四节点四边形（Quad4）、五节点四边形（Quad5）、八节点四边形（Quad8）等共十二种。船体结构建模经常用到的是Bar2、Tri3和Quad4。20网格划分：自动划分网格对于形状规格的几何体，只需选择合适的网格划分器（Mesher）、通过撒网格种子（mesh seed）合理控制网格大小便可自动完成网格的划分，非常方便。步骤：1、撒网格种子：Elements Create Mesh Seed 2、自动划分网格：Elements Create Mesh21网格划分：手动创建网格（一）创建节点节点（node）是有限元模型的基石，结构所受的载荷，无论多么复杂，最终都将转化为节点力施加在节点上，在生成整体质量矩阵时梁、板等非集中质量的质量也将自动凝聚到节点上。直接创建节点Elements Create NodeEdit：在已有几何点处或在输入的坐标处创建节点；Interpolate：内插得到节点；Intersect：相交得到节点；变换已有节点得到新节点Elements Transform Node22网格划分：手动创建网格（二）创建单元手工创建单元就是一个将节点连成单元和根据已有单元变换得到其他单元的过程。由节点连单元Create Element Edit变换已有单元得到新单元 1、Transform Element TranslateRotateMirror 2、Sweep Element Extrude23网格划分：正确性检查正确的网格需满足：节点协调，内部无自由边；无重复节点；无重复单元。消除自由边的方法：查看自由边附近的单元：Show Element Attributes有时外观上显示为三角形的单元可能是四边形单元，这是由用户在创建四边形单元时在同一个节点上错误地点击了两次造成的。删除这个单元并重新将这三个节点连成一个三角形单元就可排除错误。查看自由边上的节点：Show Node Location有时同一个位置上会有两个或更多个节点，此时可以加大将多个节点合并为一个。对模型进行模态分析，借助f06文件查错。网格检查的步骤：消除重复节点：Elements Equivalence删除重复单元：Verify Element Duplicates显示自由边：Verify Element Boundaries24单元赋属性：点单元、板单元Properties Create 0D MassProperties Create 1D Beam/Rod25单元赋属性：梁单元梁单元赋属性是Patran建模的一个难点，难在单元方向和偏心值的确定。梁单元赋属性的步骤：1、Properties Create 1D Beam；2、输入属性集名称Property Set Name）；3、选择梁截面（Section Name，需要预先定义）；4、选择材料（Material Name）5、确定梁单元方向（Bar Orientation）；6、填写梁单元两端的偏心值（Offset Node 1/2）；7、选择需要赋予该属性的梁单元。26单元赋属性：梁单元（二）梁单元方向：角钢：沿着腹板背离面板的矢量在全局坐标系中的表示。T型材：沿着腹板指向面板的矢量在全局坐标系中的表示。梁单元偏心值：垂向：型材截面形心距腹板底端（与板材连接的那一端）的距离横向：型材截面形心距腹板背面的距离（角钢）或0（对称T型材）27边界条件所谓边界条件（Boundary Conditions），是指节点位移（三个线位移UX、UY、UZ和三个角位移RX、RY、RZ）的固定值或节点位移之间的特定关系式（如弹性支座的反力与位移成正比）。船体结构建模中常用的边界条件是简支和刚性固定。创建边界条件的步骤：1、Loads/BCs Create Displacement Nodal2、输入边界条件名（New Set Name）；3、输入边界条件（Input Data）；4、选择作用区域（Select Application Region）28载荷的施加：（一）集中力、重力Patran能够施加的载荷类型非常丰富，如集中力、分布力、力矩和加速度等，船体结构建模中经常用到的集中力、端部弯矩和静水压力等都可以方便地施加。施加集中力只需输入力矢量及作用区域（application region）即可：Loads/BCs Create Force Nodal重力通过重力加速度的形式自动作用在整个模型上，无需指定作用区域，重力加速度的大小为9810mm/s2。Loads/BCs Create Inertia Load Element Uniform29载荷的施加：（二）端部弯矩及MPCMPC（Multi-Point Constraint，多点约束）既是一种强大的约束手段，也是一种施加载荷的有效途径。作为一种约束手段，MPC可以在主节点（Independent node）和从节点（dependent node）的各个自由度上的位移之间建立明确的关系式，比如限定主节点和从节点各个自由度上的位移相同或主节点某个自由度上的位移是从节点某些自由度上的位移的线性函数。作为一种施加载荷的途径，MPC经常用于施加舱段模型的端部弯矩。定义MPC的步骤：1、Element Create MPC RBE2；2、定义从节点及其自由度；3、定义主节点30载荷的施加：（三）静水压力及场静水压力是关于水深的一次函数，当以基平面为Z轴原点时，吃水为d、水面以下z处的船体表面所受静水压力为g(d-z)。这种载荷的施加必须借助场（Field）才能实现。场按自变量的类型分为空间场和非空间场，按是否有方向分为矢量场（Vector field）和标量场（Scalar field）。空间场（Spatial filed）：自变量：空间坐标 例子：静水压力 螺旋桨脉动压力非空间场（Non-spatial field）：自变量：时间、频率 例子：瞬态响应分析中随时间衰减的载荷 频率响应分析中的频率场静水压力场是标量型空间场。静水压力施加步骤：1、创建静水压力场：Field Create Spatial2、将场施加到船体表面：Loads/BCs Create Pressure31钢质海船入级规范（2009）与局部结构强度校核有关的章节钢质海船入级规范（2009）与局部结构强度校核有关的规定分布在“第二篇 船体”各章节中。舱口盖：第2章第20节，2.20.10 直接计算甲板设备支撑结构：第3章第7节 锚机、掣链器：3.7.2.5 3.7.2.7 系泊绞车：3.7.3.4 起重机、吊杆和起重柱：3.7.4.11、3.7.4.12 应急拖带装置：3.7.5.732CCS船体结构强度直接计算指南 油船结构强度直接计算指南 集装箱船结构强度直接计算指南 散货船结构强度直接计算分析指南 双舷侧散货船结构强度直接计算指南 车辆运输船舶船体结构指南 钢质内河船舶船体结构直接计算指南 船体结构疲劳强度指南 薄膜型液化天然气运输船检验指南：第4、5、6章