patran培训教材(有限元分析)

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....................17

第三章受热载荷作用的薄板的有限元建模与温度场求解......31

第四章带孔平板的受力分析（平面）....................36

第五章厚壁圆筒的受内压作用时的应力分析................44

第六章受压力载荷作用时板的受力分析....................51

第七章板的模态分析....................................57

第八章板的瞬态响应分析................................62

第九章板的频率响应分析................................67

第十章提取车架中性面的模态分析........................72

第一章Patran基础知识

—.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。

QISC.AFEA

iroupfixRixpl.y".fortnc”I»»l<

sam电瞥⑦坐专500q⑦•电%s<.L\。〉*a

•gI蜉检“aH-09b

GtCAttry£l«»«sitsUols/KsMtttritlslYc^trU«dC...PitldsAnalysisR<srdtsInsichtHM”

ojxj

ActonCrwte▼]

(X0ctQicfcPW▼

B席包国

TranslatKnal

图1-1patran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。

/菜单栏/工具栏

应用菜单按钮

图L2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）菜单用干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

工具图标工具名称功能介绍

建立一个新的patran数据库文件。

DFileNew

FileOpen打开一个己经存在的Pati-aii数据库文件。

目

FileSave保存一个正在编辑的模型到一个数据库

Hi文件。

Print打印当前编辑区的图形。

昌

Copyto将选定内容拷贝到明切板。

电

1Clipboard

Undo取消上一次操作。

闻Abort终止当前正在运行的工作，例如正在进行

网格划分，单击该工具，可停止网格划分。

Reset显示设置复位。

giaphics

Refresh刷新当前屏幕内容。

graphics

Mouse中键操作（木「具和下面三个工具都是针

对三键鼠标的），选中该工真，可用鼠标中键

rotateXY

在编辑区内托动模型沿任意轴转动。

例Monse中键操作,选中该匚具，可用鼠标中键在

rotateZ编辑区内托动模型以Z坐标轴为轴转动。

阳Monse中键操作,选中该工具，可用鼠标中键在

traslateXY编辑区内托动模型在XY平面内平移。

Mouse中键操作,选中该工具，可用鼠标中键在

zoom编辑区内改变模型大小比例（按住鼠标中键不

放，在编辑区内托动）。

工具图标工具名称功能介绍

\iew显示局部内容，当需要对模型的某•局部

倒comers仔细观察而要放大时，选中该「具，在用鼠标

左键在编辑区内需要放大的部分划出一矩形，

则矩形内的区域被放大显示。

Fitview模型显示归位，当由于局部放大、旋转、

e|平移等操作而使模型不能全部显示时,单击该

「•具，可是模型卬倒编辑区的中心位置，同时

自动调节其大小，使其显示适当。

View以编辑区中心点和鼠标单击点形成的矢

±1center量（根据其大小和方向）平移模型。

Ratation选择-•个点作为模型旋转的中心点，这些

center点可以是几何点、节点、空间点。

倒Moled选择•个点，使其所在的位置处于视窗的

center中心位置来显示。

缩小图形。

旦Zoomout

卬Zoomhi放大图形。

Wire以线框形式显示实体，不做消防处理。

⑦1fiame

Hidden以线框形式显示实体，但要做消隐处理，

1line被遮挡的部分招不会被显示出来。

■Smooth以光滑的实体形式显示实体，接近于真实

shaded世界人眼所看到的情况。

Show显示元素的标号。

□labels

%|Hide隐藏元素的标号。

labels

iLx|Front前视图。

view

Rear后视图。

国view

二Topview俯视图。

工具图标工具名称功能介绍

Bottom仰视图。

lt«view

1^1Leftside左侧视图。

view

Riglitside由侧视图。

zjlIview

闯Iso1viewISO1视图。

%：1Iso2viewISO2视图。

Iso3viewISO3视图。

柏Iso4viewISO4视图。

图形显示管理。

%PlotZErase

fbnn

Label出现•个面板，用以控制被选定实体的标

%contiol签的显示。

|sPointsize以小点的形式显示点/以小园圈的形式显

示点。

Nodesize以小点的形式显示节点/以小园圈的形式

°>|显示节点。

Display显示曲面内部的曲线。

lilies

MSC打开网络浏览器，时实连接MSC公司的

Resources在线技术支持网站。

Seivices

状态标志静止表示等待用户输入，转动表示正在运

>行。

Geometiy打开【Geomnetry】操作面板，进行几何

Geometry操作。

Elements打开【Elements】操作面板,进行网格划

Elements分。

4Loads/BCs打开【Loads/BCs】操作面板,定义载荷

Loads/BCs和边界条件。

E?Mateiials打开【Materials】操作面板，定义材料。

Materials

份Propeities［Propeities］操作面板，给单元附加

Properties属性。

ULoadcases打开【Loadcases】操作面板，定义匚况。

LoadCa...

Fields打开（Fields］操作面板，定义场。

Fields

RAnalysis打开［Analysis］操作面板,进行分析计

Analysis算。

Results打开［Results］操作面板,显示分析结果。

触

Results

Insight打开（Insight］操作面板,进行分析结果

Insight处理

hXYPlot打开【XYPlot】操作面板,进行曲线/图

XYPlot形处理。

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。

图形编辑区

操作面板区

信息显示和命令输入区

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.按语法从健盘直接输入

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.solido

点的输入：例如要输入一个点，可用键盘输入“point8"（表示输入标号为8

的点）,"point379-（表示输入标号为3、7、9的点）「point3:7”（表示输

入标号从3到7的点），“point5:18:2"（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……”的点）「curve3.2"（输入标号为

3的曲线的第2个点）z-surface722”（输入标号为7的曲面的第2条边的第2个

点），“solid5.321”（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“curve3”（输入标号为

3的曲线）「surface3.1"（输入标号为3的曲面的第1条边）「solid722”（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“surface7"（输入标号为7的区面）「solid5.1”

（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。

2.2FEM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“node3"，“node

1711”，“node3:10"，“node1:18:3”等。

单元的输入:例如“element3"/element3:9”/element3:9:2”/element

3,712:18"（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”[广来表示坐标，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]”，“[0.318.29-17.0]”，“[yp7yn80.3]"（表示该

点的乂坐标与标号为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“<705>”。

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:

图1・4Patran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

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lOMPa材料弹性模量E=2.lx10"〃一泊松比”0.3。

lOMPa

图1-5

1.新建一个数据库文件,[File]

OK

1）选择菜单[File]—New,文件名一输入文件名击七。

AnalysisCode->MSC.Nastran.AnalysisType—Structural,单击0

2.导入CAD几何模型

选择菜单[File]—►Import,Object—「…」rce—Parasolidxmt,

选择piston.x_t,单击APPlV,单击。

@

Elements

3.划分有限元网格，

划分网格：Action—^Create,Object—►Mesh,Type—^Solid,ElemShape—>

Apply

Tet,Mesher->lemitibii,Topology-*TetlO,InputList-*Solid1,选中

AutomaticCalculation,单击o

4

Loads/BCs

4,施加边界条件，

1）施加固定约束♦A"---薪温-2：…「Displacement,Type—Nodal,

OK

NewSetName—^dis,单击,Translations<TlT2

T3>—<000>,Rotations<RlR2R3>—<000>,单击,单击

SelectAppfecMionRegion...

；牛出仁aometry用产pometryEntities-Solid

AddOK

131.8，单击，单击，单击

2）施加均布载荷：Action—►Create,object—P~-------1

,inputusia…

OKISelectAppicationRegion...

Uniform,NewSeiName」*PLAd.d.......itie”、…OK|t-3D,1单

击，Pressure-1.0e7,单击，单

击,选中Geometry,SelectSolidFaces-*Solid1.32,

单击，单击，单击

Apply

Matei'ials

5.定义材料属性，

定义材料：Actio°C；：薪Pr屋盆厂,Method—►ManualInput,

MaterialName—*steel,单击,ConstitutiveModel

—LinearElastic,ElasticModulus一2.1ell,PoissonRatio一0.3,单

击，单击

Apply

Proper..

6.定义单元属性，

1）定义单元属性:Action-Create,Object->3D，Type-sr髭嬴—?t

OK

Name—►pro,Option^'—iogenec,,r'A**Fdardrormuianon,单

击,MaterialName-Steel（在MaterialPropertySets

中选择），单击,SelectMembers—Solid1,单击，单

击。

Analysis

7.进行分析，

1）进行分析：Action一y2'；?ctTEntireModel,Method->Analysis

单击，

DeckzJobName—►piston,SolutionType—►LINEAR

STATIC,单击

K打开,选择，二,。此时,

0!applyoNASTRANpiston.bdf1

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->AccessResults,Objec+一八二”~XDB

-"ResultEntities,SelectResultFile,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。

腕

Results

8.后处理，

1）显示应力云纹图：Action-^Create,Object—>QuickPlot,SelectResult

Apply

Cases->Defaui^Hi.staticSubcase,SelectFringeResult-StressTensor,

Quantity—vonMises,单击。此时，活塞模型的vonMises弯曲

应力云纹图就显示出来，如图1-6所示。

1.05+009_

MSC.Patrsn200519-DecO622:06:11

9.81+008

9.11+0081

8.42+008_

7.72+008

7.02+00*

6.32+00相

5.62+00嘲

4.92+00：

4.22+00«

3.52+008^^

2.82+0081

2.12+00,

1.43+00电

7.27+007L

2.81+OOeL

default_Fringe:

Max1.05+009©Nd6384

Min2,81+006©Nd3784

图1-6

2）显示位移变形图:Action-Create,Object-QuickPlot,SelectResult

Apply

Cases—*Default,Al:StaticSubcase,〉eieciDeformationResult->

DisplacementsTranslational,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°

MSC.Patran200519-Dec-062210:07

Deform:DefaultAl.StaticSubcase,Displacements,Translational

default_De^ormation

Max5.65-004@Nd1612

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]

OK

1）[File]一New,文件口，。AnalysisCode一

一

MSC.Nastran,AnalysisTypeStructural,0

e

Geonetry

2.创建几何模型，

1）创建几何点:厂fate,Object—Poir+Mo+hod—XYZ,Point1

Apply」Apply

Apply,__

—[uuuj,云掉AutoExecute,,Point2-[1000],。（注：

AutoExecute和不要同时选中，本文后面均未选中AutoExecute）

2）创建曲线:Action—►Create,Object—►Curve,Method—嬴^otion

一2Point,Curve1,StartingPointList-point1,EndingPointList-point

2,o

@

Elements

3,划分有限元网格，

1）建立网格种子：Action—Create,Object—M,Type一Uniform,

Apply.

Numberof日ement,Number—*-40,CurveList—►Curve1,

2）划分网格：Action7，Object-^Mesh,Type-Curve,Topology

—Bar2,CurveLisLCurve1,o

4

Loads/BCs

4.施加边界条件，

1）施加固定为可，fU；cciCreate,Obiect->Displacement,Type—Nodal,

inputU6O.«.

♦,-CKSelectAppicationRegion...--一八八八

NewSet一，…1-^™rrernvnS<TlT2T3>—<000>,

AddOKApply

Rotations<RlR2R3>—<000>,,，选

中FEM,SelectNodes-Node1,

2）施加均布载荷:Action—►Create,Object-CIDDistributedLoad,Type

SelectAppicationRegion...

,'r*'f…j'L・j，neniivuet-^ID.

一Nd”

ElementUniform,NewSetOKIApplyJl

InputData,DistrForce<FlF2F3>—<0-1.0e5

0>,,选中FEM,SelectIDElements

一Elm1:40,,

E?

Materials

5.定义材料属性,

定义材料：濡嬴瑟二a^eclsotropic,Method—►ManualInput,

OKApply

MaterialName—"steel,,ConbiiLuiiveModel-Linear

Elastic,ElasticModulus-2.1ellPoissonRatio一

0.3x

6.定义单元属性，

定义单元属性：Action->Create,Object-ID,Type-D-q温；蓝…,小

Name一prol,Option（s）一GeneralSection、Standard

Formulation,,单击CreateSection,Action—►Create,

Object—StandardShape,Method-NASTRANStandard,SectionName

-rect，单击【>】，蝌・,WT0.05,H-l,,MaterialName-

Steel（在MaterialPropertySets中选择），BarOrientation一<0,1,

0>,,SelectMembers—♦'Curve1,

Apply

Analysis

7,进行分析，

）进行分析

1：Action-An”7；u.［；：7'iEntireModelzMethod-Analysis

DeckJobName->beam-lD，单击,SolutionType-*LINEAR

STATIC

OKApply,,,Run

,,，打开NASTRAN,选择beam-lD.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A"”工;寓：窗-A"essResults，Object-Att、「kYHDAA

0KApply

—ResultEntities,,文件名一

beam-lD.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。

&

Results

8,后处理，

1）显示应力云纹图:Action-Create,Object—QuickPlot,SelectResult

Cases-DefaultStaticSubcase,SelectFringeResult-BarStresses,

Bending,Quantity—vonMises

。此时，有限元模型的vonMises弯曲应力云纹图就显示出来,如

图2-1所示。

6.00+008L

MSC.Patran200531-Ma^0719:37:11

s.eo+ood

Fringe:DefaultA1:StaticSubcase.BarStresses,Bending,vonMises,AtPointC

5.20+000

4.80+008

4.40+008

4.oo+ood

3.6O+Ood

3.20+00%

2.80+0081

6_00+008.5.70-003

2.40+00朝

2.00+00.

—口J

1.20+00：

800+00.

4.00+OOTH

Y

570-003B

default_Fringe:

Max600+008©Nd1

Min5.70-003©Nd41

图2-1

2）显示位移云纹图:Action—^Create,Object—>QuickPlot,SelectResult

Apply

Cases—Defaultoidiicsubcase,SelectDeformationResult一

DisplacementsTranslational,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。

MSC.Patran200531-Ma广0719:38:00

Deform:DefaultA1StaticSubcase,Displacements,Translational,

1.44-001

Y

_____X

default_Deformation:

Max144-001@Nd41

图2-2

二.2维单元

1.新建一数据库文件，【File】

OK|

1）[File]—New,文件"盛、“严-/口，。AnalysisCode—►

MSC.Nastran,AnalysisType一Structural,0

,e

Gecwietry

2.创建几何模型，

1）创建几何点：Action-Create,ObjectPoint,Method—XY7DCZI

Apply

->[000],apply,Point2T[1000],Point3-[010],apply,Point4T

[1010],o

2）创建曲线：Action—►Create,Object—►Curve,Method-*0^*Option

Apply

―2Point,Curve1,StartingPointList-point1,EndingruuuList-point

2,,Curve2,StartingPointList一point3,EndingPointList一

point4,o

3）创建曲面：Action—Create.Object-Surface,Method一Cur"人片「"n

一2Curve,Surface1,StartingCurveList-Curve1,EndingCurveList

—Curve2,。

Elements

3.划分有限元网格，

1）建立网格种子：Action->Create,Object—►MeshSeed丁范/一Uniform,

Apply

NumberofElement,Number—*40,AutoExecute,Curveu、LLiirve

1,,NumberofElement,Number—2,AutoExecute,CurveList

一Surfacel.3,0

2）划分网格:Action-*Create,Object-Mesh,Type-Surface,Elorn

一Quad,Mesher->Isomesh,Topology->QuadS,SurfaceList—Surface

1,o

i

Loads/BCs

4.施加边界条件，

1）施加固定为击•amcct厂reate,Object-Displacement,Type-Nodal,

InputDsta…

..-04SelectAppfcationRegion....._„____、、

NewSetName--------------------■--■^t'ons<TlT2T3>—><00

AddOKApply

0>,Rotations<RlR2R3>-><000>,,

Geometry,SelectGeometryEntities—Surface

1.1/IIO

2）施加均布载荷：Action—Create,Object_*CIDDistr^"^"4T"pe

inputU8T3...

OKSelectAppfecMionRegion...

AddOK

―"ElementUniform,NewSetName-CID2,TargetElementType一

2D,,SurfDistrForce<FlF2F3>—<0-1.0e5

0>,,,Geometry,SelectSurfacesorEdges

一Surface1.2,,

Apply

/o

V

Materials

5.定义材料属性，

定义材料：丑so+cObject-Isotropic,Method->ManualInput,

lopcxu81a・・・

OKApply

MaterialName一steel,,constitutiveModel—fLinear

Elastic,ElasticModulus一2.1ell,PoissonRatio—"0.3,,0

怜1

Projer...

6,定义单元属性，

1)定义单元属性:Action->Create,Object->2D,TypL%-WJ-

Name—►pro,Option(s)—►Homogeneous.StandardFormulation,

z3me—Steel(在MaterialPrc^0^'7Co+s由;"埋'Thickness-

OKAddApply

0.05,,SelectMembers—Surface1z,0

R.