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patran+nastran应用实例.pdf
第一章 绪论
§1-1 计算固体力学
1-1-1 计算固体力学的基本方法
1-1-2 有限元分析的内容和作用
1-1-3 有限元分析的力学基础
§1-2 有限元计算的实现与建模策略
1-2-1 有限元分析的平台及分析过程
1-2-2 有限元模型的建模策略
§1-3 主要有限元分析软件介绍
1-3-1 有限元计算软件
1-3-2 前处理软件介绍
1-3-3 Patran和Nastran软件的安装
第二章 MSC. Patran和MSC. Nastran介绍
§2-1 Patran简介
2-1-1 开放式几何访问及模型构造
2-1-2 各种分析的集成
2-1-3 有限元建模
2-1-4 分析条件定义
2-1-5 结果交互式可视化后处理
2-1-6 高级用户化工具——PATRAN-PCL命令语言
§2-2 MSC.Nastran介绍
2-2-1 静力分析
2-2-2 屈曲分析
2-2-3 动力学分析
2-2-4 非线性分析
2-2-5 热传导分析
2-2-6 气动力弹性及颤振分析
2-2-7 流-固耦合分析
2-2-8 多级超单元分析
2-2-9 高级对称分析
2-2-10 设计灵敏度及优化分析
§2-3 MSC.Patran的一般使用流程
§2-4 MSC.Patran的工具栏介绍
第三章 建立几何模型（Geometry）
§3-1 Patran的用户界面及其操作特点
3-1-1 Patran的用户界面
3-1-2 Patran中Application Widget面板的操作特点
§3-2 建立几何模型
3-2-1 【Geometry】介绍
3-2-2 创建点（Point）
3-2-3 创建曲线（Curve）
3-2-4 创建曲面（Surface）
3-2-5 创建实体（Solid）
3-2-6 建立自己的坐标系（coord）
3-2-7 创建平面和矢量（Plane &Vector）
§3-3 编辑几何模型
3-3-1 编辑点（Point）
3-3-2 编辑曲线（Curve）
3-3-3 编辑曲面（Surface）
3-3-4 编辑实体（Solid）
§3-4 输入输出几何模型
3-4-1 输入几何模型
3-4-2 输出几何模型
3-4-3 修复损坏文件的一种方法
§3-5 其它几何操作
3-5-1 删除（Delete）
3-5-2 显示信息（Show）
3-5-3 根据以有几何对象创建新的几何对象（Transform）
3-5-4 检查（Verify）
3-5-5 联结（Associate）
3-5-6 反联结（Disassociate）
3-5-7 重新标号（Renumber）
第四章 有限元网格划分（Element）
§4-1 Element介绍
4-1-1 Element介绍
4-1-2 Patran中的单元库
§4-2 直接生成有限元网格（Create）
4-2-1 自动网格生成器的分类及其使用范围
4-2-2 网格疏密的控制
4-2-3 网格自动生成的操作过程
4-2-4 几何协调性与有限元网格的协调性
§4-3 用别的方法生成有限元网格
4-3-1 移动、旋转、镜像（Transform）
4-3-2 拉伸、滑动（Sweep）
§4-4 手工生成有限元网格（Create）
4-4-1 手工创建节点
4-4-2 手工生成单元
4-4-3 创建超单元
4-4-4 多点约束（MPC）
§4-5 对节点、网格或多点约束进行修改（Modify）
4-5-1 编辑修改网格（Mesh）
4-5-2 编辑修改单元（Element）
4-5-3 编辑修改梁/杆单元（Bar）
4-5-4 编辑修改三角形单元（Tria）
4-5-5 编辑修改四边形单元（Quad）
4-5-6 编辑修改四面体单元（Tet）
4-5-7 编辑修改节点（Node）
4-5-8 编辑修改网格种子（Mesh Seed）
4-5-9 编辑修改多点约束（MPC）
§4-6 对模型进行检查（Verify、Equivalence）
4-6-1 模型检查（Verify）
4-6-2 消除重复节点（Equivalence）
§4-7 其它操作
4-7-1 重新标号（Renumber）
4-7-2 联结（Associate）
4-7-3 反联结（Disassociate）
4-7-4 优化（Optimize）
4-7-5 显示信息（Show）
4-7-6 删除（Delete）
第五章 Patran的菜单项
§5-1 文件管理（File）
5-1-1 数据库文件基本操作
5-1-2 Utilities菜单项
5-1-3 模型的输入输出
5-1-4 其它文件操作
§5-2 图形显示特性设置（Display）
5-2-1 实体的颜色、标签和渲染设置（Entity Color/Label/Render）
5-2-2 显示/不显示（Plot/Erase）
5-2-3 高亮度显示（Highlight）
5-2-4 几何对象显示控制（Geometry）
5-2-5 有限元对象显示控制（Finite Element）
5-2-6 边界条件及单元属性显示控制（Load/BC/Elem. Props）
5-2-7 命名属性（Named Attributes）
5-2-8 坐标系（Coordinate Frames）
5-2-9 视窗标题（Titles）
5-2-10 参考彩色谱（Spectrums）
5-2-11 范围（Ranges）
5-2-12 视窗背景颜色设置（Color Palette）
5-2-13 光线设置（Shading）
5-2-14 光源（Light Sources）
§5-3 组（Group）
5-3-1 创建组（Create）
5-3-2 显示组（Post）
5-3-3 修改组（Modify）
5-3-4 移动/拷贝到组（Move/Copy）
5-3-5 设为当前组（Set Current）
5-3-6 由已有的组创建对象（Transform）
5-3-7 删除组（Delete）
5-3-8 将命名属性应用于组（Attributes）
第六章 MSC.Patran中数据的输入方法
§6-1 用鼠标从屏幕上拾取对象
§6-2 按语法从键盘直接输入
6-2-1 几何编号
6-2-2 FEM编号
6-2-3 直接输入点的坐标
6-2-4 直接输入矢量
6-2-5 坐标轴的输入
第七章 场（Fields）
§7-1 Fields介绍
§7-2 创建场（Create）
7-2-1 创建空间场（Spatial Field）
7-2-2 创建材料属性场（Material Field）
7-2-3 创建非空间场（Non-spatial Field）
§7-3 修改、显示和删除场
7-3-1 修改场（Modify）
7-3-2 显示场（Show）
7-3-3 删除场（Delete）
§7-4 定义随时间空间变化的场函数实例
第八章 Patran中模型和结果的检验
§8-1 建立有限元模型的指南
8-1-1 单元选择
8-1-2 网格密度
8-1-3网格过渡
§8-2 有限元模型的检验
8-2-1 前处理检查
8-2-2 诊断工具
8-2-3 后处理检查
第九章 应用实例
§9-1 平板的静力分析
§9-2 模态分析
§9-3 预应力模态分析
§9-4 平板频率响应分析（直接法）
§9-5 平板瞬态响应分析
§9-6 热应力分析
§9-7 印刷线路板自由对热流分析
§9-8 热交换器热流分析
§9-9 空心圆球热力耦合分析
§9-10 平面应变问题
§9-11 优化分析(1)—三杆结构
§9-12 优化分析(2)—简支板频率优化问题
§9-13 悬臂梁的静力分析
9-13-1 简单梁单元（CBAR）的说明
9-13-2 例题
§9-14 非线性悬臂梁分析
9-14-1 非线性问题
9-14-2 非线性悬臂梁实例
9-14-3 非线性分析实例——内压厚壁圆筒弹塑性分析
§9-15 超单元应用——六角形叶盘结构模态分析
§9-16 多点约束（MPC）的应用—圆截面轴的扭转
9-16-1 多点约束
9-16-2 多点约束的应用原则
9-16-3 例题
§9-17 稳定性现象
9-17-1 稳定性现象
9-17-2 线性屈曲分析
9-17-3 板屈曲分析例题
§9-18 薄壁圆筒屈曲分析
附录A 圆柱桶的静力分析
附录B 简单桁架的静力分析
附录C 带孔平板的应力集中问题
附录D Patran的使用技巧
参考文献
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第九章 应用实例
§9-1 平板的静力分析
为了简明起见，直接将各工具、选项、菜单等都列出来，各图标、按钮表示用鼠标单击各工具
或按钮，“→”表示为选项赋值、选择，或者是选择菜单的菜单项，“【****】”表示选择某个菜单。
1.新建一数据库文件，【File】
1）【File】→New，文件名→mode9-1，OK。Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis Type→Structural，
OK。
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→[100 0 0] ，Apply，Point 3→[100 50 0] ，Apply，Point 4→[0 50 0] ，Apply。
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，Apply；Curve 2，Starting Point List→point 3，Ending
Point List→point 4，Apply。
3）创建曲面：Action→Create，Object→Surface，Method→Curve，Option→2 Curve，Auto Execute，
Surface 1，Starting Curve List→Curve 1，Ending Curve List→Curve 2。
4）删除用过的点和线：Action→Delete，Object→Point，Point List→point 1:4；Action→Delete，
Object→Curve，Curve List→curve 1 2，Apply。
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→10，Auto Execute，Curve List→surface 1.2，Curve List→surface 1.4；Number→5，Curve
List→surface 1.1，Curve List→surface 1.3。
2）划分网格：Action→Create，Object→Mesh，Type→Surface，Elem Shape→Quad，Mesher→
Isomesh，Topology→Quad4，Surface List→Surface 1，Apply。
划分了网格的板如图 9-1-1 所示，板边缘上的小圆是网格种子。
图 9-1-1
4．施加边界条件
1）施加固定约束：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→fixed，
Input Data…，Translations→<0 0 0 >，Rotations→<0 0 0>，OK，select
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Application. Region…，FEM，Select Nodes→Node 1:56:11，Add，OK，Apply，即在板的一边施加
固定约束。
2）施加集中载荷：Action→Create，Object→Force，Type→Nodal，New Set Name→Force1，Input
Data…，Force→<10 0 0>，Moment→<0 0 0>，OK，select Application
Region…，FEM，Select Nodes→Node 11:66:11，Add，OK，Apply，即在板的一边施加 X 向的单向
拉伸载荷。 施加了边界条件的平板如图 9-1-2 所示。
图9-1-2
5．定义各向同性的铝材料
1）定义材料：Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→
aluminium，Input Properties…，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→70000，Poisson
Ratio→0.3，OK，Apply。这里，创建了各向同性的铝材料，手工输入了杨氏模量和泊松比，对于各
向同性材料的静态分析，材料的独立弹性常数只有两个，也不必输入材料的密度值。
6．定义单元属性，
1）定义单元属性：Action→Create，Object→2D，Type→Shell，Property Set Name→prop，选项
Option（s）→Homogeneous、Standard Formulation，Input Properties…，Material Name→aluminium （在
Material Property Sets 中选择），Thickness→3.0，OK，Select Members→surface 1，Add，Apply。
这样，就将材料的性能应用于划分好的单元，同时确定了板的厚度 3.0。
7．进行分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Type→Full Run，Job Name→plate_static，
Translation Parameters…，Data Output→xdb and Print，OK，Solution Type…→LINEAR STATIC，OK，
Apply。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→Accese Results，Object→attach XDB，Method→Results Entities，单
击 Select Results File，选择文件名→mode9-1.xdb，OK，Apply。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）显示位移云纹图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Static
Subcase，Select Fringe Result→Displacements Translational，Quantity→Magnitude，Apply。此时，平
板模型的位移云纹图就显示出来，如图 9-1-3 所示。
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图9-1-3
2）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，Apply。此时，平板模型的von Mises
应力云纹图就显示出来，如图9-1-4所示。从图中可以看出，应力的梯度变化与位移的梯度变化是一
致的，在结构右端尖角处，有应力集中现象，这与加载有关。
图9-1-4
到此，完成了平板的静态分析，从几何模型到有限元模型，对模型进行分析并将分析结果显示
出来，完成后处理，方便易用，形象逼真。如果没有得到结果，请查看.f06文件，在其中搜索“Fatal”
或“Warning”关键字，看看是什么地方出了问题，再改正模型重新进行分析。
图 9-1-5 顶端节点 5 牛顿集中力时的应力
图 9-1-6 顶端节点 5 牛顿集中力时的变形
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图 9-1-7 顶端节点 5 牛顿集中力时的变形
图 9-1-8 顶端节点 10 牛顿集中力时的变形
图 9-1-9 顶端节点 10 牛顿集中力时的应力
思考：顶端节点 10 牛顿的力和 5 牛顿的力得出的计算结果云图不一样，为什么？并且是 5 牛顿
的力时与平面端部受均布载荷实际情况更相符，联系有限元的理论知识。
§9-2 模态分析
结构的模态分析也是工程中经常遇到的问题，本节就以 9-1 节中的平板结构为例，说明模态分
析的过程。
1．删除 9-1 节结构中的载荷，
1）删除载荷：Action→Delete，Object→Force，Existing Sets→force1，Apply。模态是结构本身
的特性，当结构确定、约束条件确定之后，结构的模态也就相应的确定下来，所以，这里将施加的
载荷去掉。
（注意在这里一定要在材料属性里面定义材料的密度，没有密度不能进行模态分析）
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2．进行模态分析，
1）进行分析：Action→Analyze，Object→Entire Model，Type→Full Run，Job Name→plate_static，
Translation Parameters…，Data Output→ XDB and Print，OK，Solution Type…→NOMAL MODES，
OK，Apply。
2）读入分析结果：Action→Accese Results，Object→attach XDB，Method→Results Entities，Select
Results File…→mode9-1.xdb，OK，Apply。
3．后处理，
各阶模态的频率：在 Select Result Cases 中，会列出结构的各阶频率，如图所示。
图 9-2-1
1）显示三阶模态（2弯）：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Mode
3:Freq.=48.895，Select Fringe Result→Eigenvectors Translational，Quantity→Magnitude，Select
Deformation Result→Eigenvectors Translational，Apply。则会显示出平板结构的位移变形和变形的云
纹图，如图9-2-2所示。
图9-2-2
2）显示四阶模态（2扭）：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default Mode
4:Freq.=104，Select Fringe Result→Eigenvectors Translational，Quantity→Magnitude，Select Deformation
Result→Eigenvectors Translational，Apply。则会显示出平板结构的四阶模态位移变形和变形的云纹
图，如图9-2-3所示。
图9-2-3
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§9-3 预应力模态分析
问题描述：
用 MSC.Patran 进行预应力模态分析，分析模型在拉力作用下的 1×1 正方形铝板（如图 1），目
标是：
• 用 SOL103 进行模态分析；
• 用 SOL106 进行预应力模态分析；
• 比较这两个分析的固有频率与振型。
1．创建新的数据库文件，【File】
【File】→New，文件名→zuoye1，OK。Tolerence→Default，Analysis Code→MSC.Nastran，Analysis
图 9-5-1
Type→Strucutral，OK。
2．创建几何模型，
Action→Create，Object→Surface，Method→XYZ，Surface ID List→Surface 1 ，Vector Coordiante
List→[1 1 0]，Apply。
3．划分有限元网格，
Action→Create，Object→Mesh，Type→Surface，Elem shape→Quad，Mesher→IsoMesh，Topology→
Quad4，Surface List→Surface 1，Global Edge Length（uncheck the Auotomatic Calculation）→0.1，Apply。
4．设定边界条件及施加载荷，
1）设定下边边界条件：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→d1，
单击 Input Data... 按钮，Translations→<，0 ，0 >，Rotations→<0 ， ，>，
单击 OK 按钮，单击 Select Application Region... 按钮，Geometry Filter→FEM， Select Nodes→ Node
1:11， OK， OK， Apply。即下边施加了位移边界条件。
2）设定左边边界条件：Action→Create，Object→Displacement，Type→Nodal，New Set Name→d2，
单击 Input Data...，Translations→<0 ，，0 >，Rotations→<，0 ，>， OK，
单击 Select Application Region...，Geometry Filter→FEM， Select Nodes→ Node 1:111:11，单击 Add，
OK， Apply。即左边施加了位移边界条件。
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3）施加右边载荷：Action→Create，Object→Total Load，Type→Element Uniform，New Set Name
→t1，Target Element Type→2D，单击 Input Data... ，Edge Load→<1000 0 0 >， OK，单
击 Select Application Region...，Geometry Filter→FEM，Select 2D Elements or Edges→Elm 10:100:10，
单击 Add， OK，Apply。
4）施加上边载荷：Action→Create，Object→Total Load，Type→Element Uniform，New Set
Name→t2，Target Element Type→2D，单击 Input Data... ， Edge Load→<0 1000 0 >， OK，
单击 Select Application Region...，Geometry Filter→FEM，Select 2D Elements or Edges→Elm 91:100，
单击 Add， OK，Apply。施加边界条件后如图 9-5-2 所示。
图 9-5-2
5．定义材料属性，
1）Action→Create，Object→Isotropic，Method→Manual Input，Material Name→m1，单击Input
Properties...，Constitutive Model→Linear Elastic，Elastic Modulus→10e6，Poisson Ratio→0.33，Density
→0.101。OK， Apply。
6．定义单元属性，
1）定义单元属性：Action→Create，Object→2D，Type→Shell，Property Set Name→p1，Option(s)
→Homogeneous、Standard Formulation，单击Input Properties...，Material Name→m:m1（在Material
Property Set中选择），Thickness→0.01625， OK。Select Members→Surface 1，单击Add， Apply。
7．进行分析，
1）进行模态分析： Action→Analyze，Object→Entire Model，Type→Full Run，Job Name→输入
文件名normal_mode，单击 Translation Parameters...，Data Output→XDB Only，OK。单击Solution
Type...，Solution Type→NORMAL MODES，单击Solution Parameters...按钮，在Wt-Mass Conversation
→0.00259，OK，OK，Apply。
2）进行预应力模态分析： Action→Analyze，Object→Entire Model，Type→Full Run，Job Name→
输入文件名prestiffen，单击Translation Parameters...，Data Output→XDB Only，OK。单击Solution
Type...，Solution Type→NONLINEAR STATIC，单击Solution Parameters...，Wt-Mass Conversation
→0.00259，OK，OK。单击Subcases...，Subscase Name→prestiffen，单击Subcases Parameters...，选
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中Normal modes复选框，OK，Apply。单击Subcases Select...，选中prestiffen并且不选中Default，OK，
Cancel，Apply。
3）读入分析结果：Action→Accese Results，Object→attach XDB，Method→Results Entities，选
Available Jobs→normal_mode，单击Select Results File...，输入文件名→normal_mode.xdb，OK， Apply；
选Available Jobs→prestiffen，单击Select Results File...，输入文件名→prestiffen.xdb，OK， Apply。
8．显示计算结果，
。
1 ）显 示 模态 分 析 图：Action→Create ，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default ，
A1:Mode1:Freq.=1047.1，Select Fringe Result→Eigenvector， Translational，Quantity→Magnitude，Select
Deformation Result→Eigenvector， Translational，Apply。所得图形如图9-5-3所示。
图9-5-3
2）显示预应力模态分析图：Action→Create，Object→Quick Plot，Select Result Cases→Default，
A2:Mode1:Freq.=5735.3，Select Fringe Result→Eigenvector， Translational，Quantity→Magnitude，Select
Deformation Result→Eigenvector， Translational，Apply。所得图形如图9-5-4所示。
162
图9-5-4
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