Patran 学习笔记

第○章引言
1.有限元FEM
产品设计时，为使产品不会损坏，需要进行应力分析；为使产品不会屈曲，需要进行屈曲分析；为使产品不会疲劳破坏，应进行疲劳分析；为使产品不产生共振，需要进行振动分析；为使产品不产生大的变形，需要进行位移、挠度分析。

网格划分：模拟实际物体的几何形状
单元属性：真正模拟物体的物理属性（要求解的也是物理量）
约束和载荷：相当于“因“
求解结果：由于“因”，通过系统产生的“果”。

2.Nastran分析功能
Solution type：
Normal modes正交模态分析
Complex eigenvalue复特征值分析：直接法，模态法
Frequency response频率响应分析：直接法，模态法
Transient response瞬态响应分析：直接法，模态法
Nonlinear transient
Implicit nonlinear
DDAM solution
3.教程学习
4.分析流程
用MSC进行工程分析的一般流程是：建立分析模型→递交分析→后处理建立分析模型的过程如下图示：
第一章基本操作1.视图和显示
2.符号表示
3.Group和List
3.1Group
组成：几何元素和单元元素
目的：为了方便复杂的建模和后处理操作
作用：操作大型模型时很有用，把一个模型分成几部分，进行编辑。

说明：
（1）名字叫“default_group”的组是建立新的数据库时自动创建的，新生成的元素会自动放置在当前组中。

组在数据库中永久存在。

（2）Current group当前组：创建新的元素时放在此组中，每次只有一个组为当前组，当前组总是显示(posted)。

（3）Target group目标组：操作起作用的组。

（4）Posted group显示的组：组在视图窗口中显示，一个组可以张贴到多个视窗中，一个视窗可以张贴多个组。

（5）载荷, 边界条件, 坐标系, 场, 工况和结果不是组的成员。

（6）当前组总是显示。

选择Group/Post, 或在组窗口中将Action 设为Post，从而选择那些组被张贴到当前视窗中。

（7）要同时以不同色彩方式显示的唯一方法是在“group display mode”中实现。

（8）要善于利用group的一些操作，移动变换等。

并且养成先建立group，然后在group中建立几何部件。

3.2List
组成：Entities
目的：桥梁作用：即根据给定准则进行布尔运算，将满足条件的Entities选出来作为其它界面的输入（例如单元属性中Application Regions 中元素的输入），或者储存到一个group中去。

说明：
（1）List不会保存在数据库中，但是能加到group中。

（2）通过对List的布尔运算能够得到共同点，如应力大于x并且温度大于y的所有单元。

（3）从List想应用程序的数据传递方法：一种方法是通过Lista和Listb 变量，在需要输入的地方直接输入该变量名即可。

另一种方法是通过Group，即把Lista和Listb的内容放到一个新的group中，然后Unpost其它所有的
group，这样就能很方便地在屏幕上选取了。

第二章Geometry
有限元中的几何建模与CAD软件目的不同，有限元中几何建模的唯一目的是：便于划分有限元网格、定义单元物理特性以及施加边界条件。

好的几何模型只是方便建立分析模型的一个手段，不是最终目的。

1.几何元素说明
蓝绿色0
自动生成点。

黄色是一个参数变量ξ的函数：
0(
绿色
是两个参数变量
简单平面只有三到四个边界边。

Mesher
参数Trimmed 洋红
即复杂表面，
内边界和外边界，不能用两个参数变量表示。

划分网格时需先划分边沿。

Parametr 蓝色
是三个参数变量
简单平面只有四到六个边界面，四到八个顶点。

可以用
分成四面体单元。

注意：表中的颜色指的是在Wire Frame显示下的线条颜色。

可做的操作有：
2.导入导出几何体
读入一个模型前，在CAD中将分析中不需要的一些细节设计减去，会使有限元建模省时省力。

2.1Pro-E 导入
2.2标准格式导入：
Step ：较新出现的一种数据交换格式，有两种标准：AP203/214和AP209。

AP203/214只能输出集合信息（点线面体），而AP209可输入几何信息，有限元网格，分析设置以及结果。

导入CAD 模型
在Pro-E 中划分网格再导入
Parasolid xmt：包含点线面等实体信息。

ACIS：包含点线面及实体信息
IGES：只能输出点线面和有限元信息（单元和节点），没有体的概念。

需要Create →solid→B-Rep。

STL：由许多三角形面或单元组成，导入CAE忠厚需要将这些三角形单元重新生成所需的类型。

2.3导出文件
3.点（Object：Point）
3.1创建点（Action：create）
3.2编辑点（Action：Edit）
Equivalence：合并点
3.3 显示点（Action：Show）
Show/Point/Distance(Location,Node):某个点到点、曲线、曲面、平面和矢量的距离。

4.线（Object：Curve）
4.1创建线（Action：create）
4.2编辑曲线（Action：Edit）
4.3显示曲线（Action：Show）
可以显示曲线的初始和终点，长度，还有圆心、半径，角度，长度范围等等。

5.面（Object：surface）
5.1创建曲面（Action：Create）
5.2编辑曲面（Action：Edit）
6.体（Object：solid）6.1创建体
注：Primitive格式创建的是基本形状的Parasolid B-rep实体。

这个方式得到的实体与Create/Solid/B-rep得到Patran native B-rep Solid然后refit得到的Parasolid B-rep solid一样。

Primitive Solid要直接划分网格，只能用TetMesher。

6.2编辑体
7.坐标系（Object：coord）
支持直角坐标系（Rectangular，标号通常为0）、柱坐标（Cylindrical）和
球面坐标（Spherical）。

8.平面（Object：plane）
9.Transform
注意使用Translate对点进行平移。

Mscale中如果尺寸增加一倍，则Column1、2、3分别为：2,0,0；0,2,0；0,0,2
10.检查
11导入模型后的修改
9.1导入Surface ，修改后转换为parasolid
第一步：Verify/Surface/Boundary
此命令检验几何协调形。

自由边界会被标记出来，此时注意命令窗中的警告信息：“Free edges and/or non-manifold edges exist”。

如果存在不好的edge，则删除，用Create/Curve/chain来定义，在chain中有些首尾不相连的曲线，需要调整global tolerance（Preferences/model）。

可以讲Incongruent的面单独建立一个group便于编辑。

如果没有在内部的边界，则可以划分协调的网格。

第二步：Create/Surface/Composite
如果警告说Gap太大，则调整Options。

第三步：Very/Surface/Boundary
第四步：Create/Solid/B-rep
所有的面都congruent了才能通过B-rep建立体。

小结
曲面和实体的复杂与简单之间可以互相转化，这种转化是生成高质量有限元网格的关键之一。

第三章Meshing
Patran中把单元的拓扑关系（Meshing）与单元物理属性（Properties）分开的目的是：使网格划分工具更有通用性，独立于有限元求解器。

所谓单元的拓扑关系就是指单元形状和节点数。

Patran中单元可以具有几何相关性，即根据几何可以找到其单元，根据单元可以找出其所在的几何。

通过简单实体与B-rep实体的转换，可用六面体对任何B-rep划分网格。

一维，二维单元能表现的直接建立节点和网格即可，三位单元要表现的一般都得用CAD数据进行划分网格。

绝大多数结构都能用梁、板、实体单元分析。

用同样大小单元相比，四边形（六面体）单元比三角形（四面体）单元精度要高，因此对于板单元尽量使用四边形单元，对于实体单元尽量使用六面体单元。

1.网格划分
1.1划分网格的思路和流程：
思路：
1.创建正确的几何模型：可以使参数化或者非参数化的，要去掉不必要的一些特征，如倒角等。

2.指定单元的拓扑关系和尺寸：某个节点由几个边连接等。

注意，单元的物理属性（例如材料是什么，代表的形状是bending shell？等用Properties来定）
3.指定网格生成器，Patran提供的网格生成算法有四种：IsoMesh（Mapped mesher）、Paver（free mesher）、Tetmesh、Sweep mesh。

4.指定如何控制网格生成。

网格划分一般流程：
1.导入几何体，显示，观察几何体颜色，确定是参数还是非参数化。

2.查找曲面的自由边界：Geometry:Verigy/Surface/Boundary,旋转观察是否有标记出的自由边（用圈标出），如果没有，则可以划分出协调的网格。

3.Create/Mesh
4.查找单元自由边：Elements：Verify/Element/Boundaries,Display type:free edges.
5.用Equivalence连接几何边界边上的相邻单元：Elements：Equivalence/All/Tolerance Cube.
6.再次查找单元自由边，直到发现所有网格协调，没有内部单元的自由边，
所有单元都在边界处相连：Elements：Verify/Element/Boundaries,Display type:free edges.
网格生成器：
有限单元的主要形式：
\
“Equivalence”将同一空间位置的重复节点消除（通常，消除ID好较大的节点，保留ID好较小的节点），只保留一个节点，一般与“Verify”配合使用，如图3-45所示。

这种方法可通过任何FEM定义（单元的相关定义、MPC等式、载荷、边界条件等）、几何定义和组等实现。

缺省情况下，在经过消除重复节点而保留了唯一节点的位置，会用一个小红圆来表示。

在消除节点后，被消除节点原来所具有的与其它对象的关系转移到保留节点上，保留节点代替了被消除节点的作用。

“Equivalence”对组的影响是这样的，假如原来有两个节点node1和node2重合存在于一点处，但两个节点分别属于两个组group1和group2，经过“Equivalence”处理，node2将被消除，只保留node1，则node1既属于group1，又属于group2。

“Equivalence”不会在单元的边上造成裂纹，也不会把多点约束等式删除掉，也不会把零长度单元删除掉（如弹簧单元和质量单元）。

一般来说，“Equivalence”应该在载荷和边界条件施加之前进行，也应该在进行单元优化和生成中间输出文件.lj、.kflj、.fds之前进行。

Τ
196
在进行“Equivalence”处理之后，可以用“Verify/Element/Boundaries”在进行检查，看处理结果是否令人满意。

2.高级曲面网格划分器
3一些典型体的网格划分方式
3.1拉伸体的网格划分
3.2柱状体的网格划分
3.3球面体的网格划分
4网格划分的大小
4.1一维单元
杆单元：单元内部应力一样，即使分得再细也不会改变精度。

相反如果将一根构件分成多个杆，就会变成不稳定结构。

梁单元：即使构件中间没有节点，也能跟踪弯曲变形，可以不太考虑单元划分大小。

应注意在以下位置处设节点：1.框架结构的节点（交差位置）、固定点、载荷点、分布载荷的两端、剖面形状、材料特性改变的位置、改变使用单元的位置（使用不同单元特性的边界位置）。

4.2二维单元
一般板单元的长宽比越大，分析误差也越大。

在以求应力分布为着眼的区域里，单元的长宽比的推荐范围为1:1～1:2。

在这以外区域里推荐范围为可以到1:3 为止。

在应力分布几乎没有变化的区域里使用的单元，1:10 也没问题。

5网格划分的评价
定量判断网格划分好坏的一个方法：1.将单元的尺寸减少1/2、或者把1 阶单元换成2 阶单元再计算。

对前后同一地方的应力值进行比较，如果应力值相差50％的话，原来的划分可以说有50％的不合适。

第四章Properties
网格划分只是确定了单元的空间几何关系，而实际代表的物理特性需要用Properties来定义。

定义物理特性包括两方面：单元特性（mass、shell，beam，solid）、材料特性。

任何特性数据的变化用Field来定义。

一维二维单元需要定义截面属性或者厚度等单元特性，而三维单元不需要定义单元特性。

对于应力应变求解问题，材料属性只需要输入弹性模量、泊松比即可（不考虑自重、惯性力等情况下），对于特征值求解，还需要输入密度。

1单元类型
1.1线单元
1.1.1梁单元理论知识
弹簧单元或杆单元只有一个方向的自由度。

对于载荷与轴方向不同的问题不能使用。

这是需要用梁单元，梁单元具有 6 个方向的自由度，是一种非常出色的单元。

六个自由度分别为：
x 方向位移：需要轴拉压刚度（表示x方向伸缩变形，用截面面积Ax计算）。

y 方向位移：需要剪切刚度（表示y方向剪切变形，用截面面积Ay计算）。

z 方向位移：需要剪切刚度（表示z方向剪切变形，用截面面积Az计算）。

绕x轴转角：需要扭转刚度（表示绕x轴扭转角，用剖面扭转惯性矩lx计算）。

绕y轴转角：需要弯曲刚度（表示绕y轴弯曲偏转角，用剖面弯曲惯性矩ly
计算）。

绕z轴转角：需要弯曲刚度（表示绕z轴弯曲偏转角，用剖面弯曲惯性矩lz 计算）。

lx=ly+lz
注意一点，常常忽略用于算出剪切刚度的剖面面积，因为细长的形状在变形中弯曲变形远远大于剪切变形。

1.1.2 Patran中的定义
以Bar单元为例给出定义两单元所需要输入的数据：
定义截面
必须输入的数据
用两个矢量定义梁单元两端点的偏置量定义梁单元两端点的力的释放梁单元横截面上应力恢复点的Y 和Z 坐标，该值是在单元局部坐标下的坐标值。

注意：单元局部坐标通过Bar
Orientation 定义。

这七个参数与在截面库中选择定义截面等效，两种
方法选其一即可
非结构质量（单位：单位长度的质量）
定义局部坐标，其中，X 轴沿梁的轴线方向
CBAR与CBEAM的区别：CBAR单元必须等截面，而且剪切中心与中性轴必须重合（当横向荷载的作用线通过构件横截面上某一特殊点时构件只弯不扭，则该点为截面的剪心，剪心也称为弯心；在扭转过程中构件截面上不产生位移（只扭不弯）的某一特殊点为截面的扭心。

对于双轴对称截面，剪心与形心重合；对于单轴对称的T形截面（包括双角钢组合T形）及角形截面，剪心在两组成板件轴线相交点，根据位移互等定理，剪心（弯心）和扭心是重合的。

），而CBEAM 单元不仅包含CBAR的所有属性，而且以上两点也不受限制。

而且CBEAM支持非线性材料。