PATRAN 模态分析
patran装配体有限元分析教程
实验：装配的模态有限元分析
一. 问题描述
探究结合面的参数对装配体的模态有限元分析影响因素，做如下实验设计两块简单的平板，用两螺栓连接，模拟机床部件之间结合面的形式。
具体参数如下
1. 建立如下图所示的装配图
尺寸描述如下：
板长360mm 宽84MM 上板厚10mm 下板后 30mm
为了说明分析情况与实际相符，螺栓分布不对称距离中心分别为 140mm 和100mm 装配体分为上下两个板结构
上板为板1 下板为板2
材料铸铁铸铁
弹性模量 145e9 145e9
伯松比0.25 0.25
密度7.3G/CM 7.3G/CM
螺栓螺帽
材料碳钢碳钢
弹性模量 200E9 200E9
伯松比0.3 0.3
密度7.9 7.9
2 ．对装配体划分网格
为了计算准确有考虑计算机性能，选择二次单元，solid 8node 183 单元
划分完效果图如下：
可以看到这是自由网格划分的情况，用的是四面体单元 精度不如二次六面体单元
四面体单元和三角形单元混合的使用
下面进行求解自由模态
选择分析类型和设置约束之后求解得到结果
其中设置的是以板2下面约束所有自由度。
自由状态的模态分析结果。
与下面的约束方法做比较。
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，文件菜单栏应用菜单按钮工具栏管理（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。
PATRAN_模态分析
● 所以 ● 对于第二个质量： 对于第 个质量
● 所以
NAS122, Section 3, September 2008 Copyright 2008 MSC.Software Corporation S3-6
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 装配两个方程到矩阵形式
● 未知量为 2 和一对振幅
S3-12
使用矩阵方法解决相同问题（续） 使用矩阵方 解决相同 题 续
● 用矩阵形式表达运动方程 ● 代入
这意味着有一个正则模态, {} , 它随 着时间和频率成正弦变化, t.
● 和 ● 然后 ● 所以
这意味着有一个正则模态 这意味着有 个正则模态, {}, } 并且相 对于频率, 能够被计算, 当惯性与弹 簧平衡的时候
使用Create/Element/Edit在Patran下创建拓扑为Bar2的弹簧单元
NAS122, Section 3, September 2008 Copyright 2008 MSC.Software Corporation
S3-18
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态 自 度模 则模
NAS122, Section 3, September 2008 Copyright 2008 MSC.Software Corporation
S3-7
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 使用上述行列式的方程进行求解，代入
2 =
● 算得方程的两个根，1和2.
● 这些根被叫做特征值
● 使用Patran P t 和MD Nastran N t 创建模型
K DOF: 1 M 2 K M 3 K 4
● 可以给上面的模型添加任意长度，然后直接输入节点和弹簧
PATRAN模态分析
第二部分模态分析S3-1NAS122, Section 3, September 2008Copyright 2008 MSC.Software Corporation概述概●计算结构的固有频率和模态的原因是什么？●之所以计算结构的固有频率和模态，原因有多个。
一个原因就是，评估部件及其支撑结构之间的动态相互作用。
例如，如果要将旋转机械（如空调扇）安装到建筑物的顶上，那么，一定要确定旋转机械如安装到建筑物顶那定要确定旋转扇的运转频率是否接近建筑物的某个固有频率。
如果二者接近，则风扇在运转时可能会损坏建筑物的结构或使其坍塌。
●可以基于固有频率的分析结果做出动态分析（即，瞬态响应分析、频率响应分析、响应谱分析等）决定。
可以先求出重要模态，然后使用它们来选择要对运动方程进行积分的适当时间步长或频率步长。
同样，可以使用特征值的分析结果（固有频率和模态）来分析模态频率和模态瞬态响应分析（请参阅“频率响应分析”和“瞬态响应分析”）。
S3-2NAS122, Section 3, September 2008Copyright 2008 MSC.Software Corporation概述概(续)●有时会将动态分析结果与物理实验结果进行比较。
可以使用正则模态分析来指导实验在实验前的规划阶段，正则模态分析可用于指示加速计析来指导实验。
在实验前的规划阶段，正则模态分析可用于指示加速计的最佳位置。
在实验之后，可以使用正则模态分析将实验结果与分析结果进行关联。
●还可以通过使用固有频率和正则模态来评价设计变更。
特定的设计变更是否会导致动态响应增加？正则模态分析常常能够提供答案。
会模供●总之，可能会出于多种原因来计算结构的固有频率和模态。
所有这些原因都基于个事实那就是实数特征值分析是许多类型的动态响应分析因都基于一个事实，那就是实数特征值分析是许多类型的动态响应分析的基础。
因此，对于所有类型的动态分析来说，一定要全面了解正则模态分析，以及特定结构的固有频率和模态。
patran求解动力学问题培训资料
（续）
BEGIN BULK PARAM, COUPMASS, 1 PARAM, WTMASS, 0.00259 $ SPECIFY STRUCTURAL DAMPING PARAM, G, 0.06 PARAM, W3, 1571. $ APPLY EDGE CONSTRAINTS $ SPC1, 200, 12456, 1, 12, 23, 34, 45 $ $ PLACE BIG FOUNDATION MASS (BFM) AT BASE $ CMASS2, 100, 1000., 23, 3 $ $ RBE MASS TO REMAINING BASE POINTS $ RBE2, 101, 23, 3, 1, 12, 34, 45 $ $ APPLY LOADING TO FOUNDATION MASS $ TLOAD2, 500, 600, , 0, 0.0, 0.004, 250., -90. $ DAREA, 600, 23, 3, 2.588 $ $ SPECIFY INTEGRATION TIME STEPS $ TSTEP, 100, 200, 2.0E-4, 1 ENDDATA
动力学培训内容介绍
1.模态分析 2.瞬态响应分析 3.频率响应分析 4.强迫运动 5.随机响应分析
结构动力学分析
一、模态分析 求解器：103 质量矩阵形式：MSC认为耦合质量比集中质量更精确，在 动力分析里出于对计算速度的考虑，更倾向于使用集中质 量。 使用方法：用PARAM，COUPMASS，1选择耦合质量； 缺省为集中质量。 求解方法：推荐的Lanczos方法。 EIGRL卡片
（续）
TLOAD2
载荷作用的起止时间
使用Patran创建随机响应分析过程说明
随机响应分析过程说明1、约束模态预分析在随机分析前应进行约束模态分析，确定前30阶的频率空间。
随机分析是在模态的频率响应分析基础上施加PSD加速度进行计算的，该分析方法是使用振型叠加法分析线性动态问题的，要保证在频率提取分析步中提取了足够数量的模态，其判断标准是在主要运动方向上的总有效质量要超过模型可运动质量的90%。
本模型中，其约束模态第一阶频率为2879.2Hz；第三十阶频率是26360Hz；分析频率响应频率范围在2000Hz—6000Hz。
2、在Patran上显示Utilities菜单，做随机响应分析Random正常情况下，用户界面上并不显示Utilities菜单，但这些功能已经随着软件一起安装了。
把该菜单调出来的方法是：Patran的安装目录下有个init.pcl文件，在该文件中增加一行“( 999, p3_home // "/shareware/msc/unsupported/utilities" )”，再启动Patran。
重新运行后，显示utilities功能模块，其中，包含Random分析模块。
3、创建模型4、创建网格以4mm为单元长度，生成网格5、为集中力创建一非空间场单击Fields应用工具按钮，Action〉Create，Object〉NonSpatial，Method〉Tabular Input，在Field Name里输入f1，在Active Independent Varialbles中选择Frequency（f）,单击Input Data 按钮，在弹出的对话框中输入下图数据，单击OK、Apply完成非空间场的创建。
6、定义材料属性杨氏模量2.1e5MPa,泊松比0.3，密度7.8E-9T/mm37、定义单元属性单击Properties应用工具按钮，在厚度里设置3mm(每次分析可修改厚度，但厚度设置一般不超过最短边长的1/5)。
8、创建载荷工况单击Load C…，在Load Case Name中输入f1,在Type中选择Time Dependent。
patran2013模态分析详解Word版
一、Patran/Nastran安装1、利用破解工具MSC_Calc_20160715生成license.dat文件2、安装证书msc_licensing_11.9_windows3264，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的license.dat3、安装MSC.Patran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat4、安装MSC.Nastran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat5、启动证书MSC.Licensing Utility，选择Start/Stop/Reread项，点击Start Server6、启动Patran注意：安装过程关闭windows防火墙，关闭管理员权限确认，关闭360二、导入模型1、将绘制好的模型保存成.x_t格式。
2、File→Import点击Parasolid xmt Options→Model Units，调整模型的显示单位为mm调整好后，选择绘制的.x_t格式模型导入三、划分有限元网格点击项Action:Create→Object:Mesh→Type:Solid(实体)→Elem Shape:Tet(选择单元形状为四面体，规则物体可选Wedge或者Hex)→Value：20(设置网格大小，此处应先取消Automatic Calculation项)→ApplyPatran划分有限元网格方式很多，此处介绍的是最简易的自动生成网格四、设置材料属性1、Nastran中各物理量无指定单位，只需要各物理量的单位统一点击项2、将设置好的材料赋予实体选择项，在Selecet Application Region项add赋予属性的实体五、添加边界条件1、选择项，添加运动类约束，在Selecet Application Region项add施加约束的区域取六、创建分析1、选择Ansys下的项，上述WT-Mass设为0.001是为了保证保证Nastran中单位统一封闭2、点击Apply后Patran会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口会自动关闭3、选择载入结果，结果文件为.xdb格式，操作过程如下图4、查看结果，选择Result下的项，一阶频率为295.4Hz（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。
patran2013模态分析详解
一、Patran/Nastran安装1、利用破解工具MSC_Calc_20160715生成license.dat文件2、安装证书msc_licensing_11.9_windows3264，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的license.dat3、安装MSC.Patran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat4、安装MSC.Nastran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat5、启动证书MSC.Licensing Utility，选择Start/Stop/Reread项，点击Start Server6、启动Patran注意：安装过程关闭windows防火墙，关闭管理员权限确认，关闭360二、导入模型1、将绘制好的模型保存成.x_t格式。
2、File→Import点击Parasolid xmt Options→Model Units，调整模型的显示单位为mm调整好后，选择绘制的.x_t格式模型导入三、划分有限元网格点击项Action:Create→Object:Mesh→Type:Solid(实体)→Elem Shape:Tet(选择单元形状为四面体，规则物体可选Wedge或者Hex)→Value：20(设置网格大小，此处应先取消Automatic Calculation项)→ApplyPatran划分有限元网格方式很多，此处介绍的是最简易的自动生成网格四、设置材料属性1、Nastran中各物理量无指定单位，只需要各物理量的单位统一点击项2、将设置好的材料赋予实体选择项，在Selecet Application Region项add赋予属性的实体五、添加边界条件1、选择项，添加运动类约束，在Selecet Application Region项add施加约束的区域取六、创建分析1、选择Ansys下的项，上述WT-Mass设为0.001是为了保证保证Nastran中单位统一封闭2、点击Apply后Patran会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口会自动关闭3、选择载入结果，结果文件为.xdb格式，操作过程如下图4、查看结果，选择Result下的项，一阶频率为295.4Hz。
西工大课程设计论文-机翼的模态分析与颤振分析
目录一、软件介绍 (1)1.1 MSC.Patran介绍 (1)1.2 MSC.Nastran (2)二、翼板的模态分析 (3)2.1 建立几何模型的文件名 (4)2.2 创建几何模型 (4)2.3 划分有限元网格 (4)2.4 设置边界条件 (5)2.5定义材料属性 (5)2.6 定义单元属性 (6)2.7 进行分析 (7)2.8 查看分析结果 (7)2.8.1显示模态云图 (7)2.8.2显示模态变形图 (8)2.8.3同时显示模态云图及变形图 (8)三、平板颤振分析 (9)3.1结构建模 (10)3.2气动建模 (11)3.2.1设定气动参考坐标系 (11)3.2.2气动建模－网格划分 (11)3.3参数设置 (11)3.3.1参考弦长等参数设定 (11)3.3.2减缩频率等参数设定 (11)3.4耦合分析 (12)3.4.1生成样条 (12)3.4.2应用样条 (12)3.4.3设定工况、分析 (12)3.5结果分析 (13)四、总结 (14)五、参考文献 (14)一、软件介绍1.1 MSC.Patran介绍MSC.Patran(后称Patran)是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。
Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统, 其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身, 构成一个完整的CAE集成环境。
使用Patran, 可以帮助产品开发用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。
Patran拥有良好的用户界面, 既容易使用又方便记忆。
Patran作为一个优秀的前后处理器, 具有高度的集成能力和良好的适用性, 具体表现在:1.模型处理智能化。
为了节约宝贵的时间, 减少重复建模, 消除由此带来的不必要的错误, Patran应用直接几何访问技术（DGA）, 能够使用户直接从一些世界先导的CAD/CAM系统中获取几何模型, 甚至参数和特征。
MSCPatran在浮筏隔振装置模态分析中的应用
第15卷增刊计算机辅助工程 V ol. 15 Supp1. 2006年9月COMPUTER AIDED ENGINEERING Sep. 2006 文章编号：1006-0871(2006)S1-0099-03MSC Patran在浮筏隔振装置模态分析中的应用杜向华，赵应龙，朱海潮（海军工程大学，湖北 武汉 430000）摘 要：基于MSC Patran建立浮筏隔振系统模型. 在对系统进行模态分析之前，把认为薄弱的环节划分为一组，并首先对该组进行模态分析，通过对模态参数的辨识，对整个系统的动态特性进行预估，指导系统结构的优化设计.关键词；MSC Patra n；浮筏隔振系统；模态分析；优化设计中图分类号：TP391.9；U661.44文献标志码：AApplication of MSC Patran in Modal Analysis ofBuoyant Raft Shock-resistant SystemDU Xianghua, ZHAO Yinglong, ZHU Haichao( Navy Univ. of Eng., Wuhan Hubei 430000, China )Abstract:The model of the buoyant raft shock-resistant system is built based on MSC Patran.Before the modes of the whole system is analyzed, some parts of the model is first picked out as a group for modal analysis to study its structure strength. The system dynamic characteristics can be estimated from the group modal parameters, which can guide the optimization design of the system structure.Key words:MSC Patran; buoyant raft shock-resistant system; modal analysis; optimization design0 引 言船舶机械的振动会对船舶的舒适性、安全性等造成很大伤害. 采用隔振装置衰减振动、降低结构噪声已经得到广泛应用. 浮筏隔振系统是将多个振动机械安装在1个公共筏架上，然后将这个公共的筏架弹性安装在基础结构上，属于多机组、多扰源的多层隔振系统. 浮筏隔振系统具有隔振效果好，可以减小附加质量并节省安装空间等优点.[1] 隔振系统的设计一般要满足结构紧凑、布局合理、隔振效果明显、达到各项技术设计的要求.在CAE领域中，MSC Software 公司的大型有限元软件MSC Patran和MSC Nastran广泛应用于船舶、航空航天、通用机械等行业. 在浮筏隔振系统的设计中，常常利用MSC Patran和MSC Nastran对系统进行静力学、动力学分析，评估系统设计的质量，指导系统设计. 其中模态分析是是动态特性分析的核心，也是结构振动分析的基础. 文中基于MSC Patran建立浮筏隔振系统模型. 在对系统进行模态分析之前，把认为薄弱的环节划分为一组，并对该组首先进行模态分析，通过对模态参数的辨识，对整个系统的动态特性进行预估，指导系统结构的优化设计. 这样可节省资源和时间，缩短设计周期.收稿日期：2006-06-23；修回日期：2006-07-20作者简介：杜向华(1980- )，男，湖南双峰人，在读硕士，研究方向为振动与噪声控制，(E-mail)******************.cn100 计算机辅助工程2006年1 浮筏隔振装置组成[2]浮筏隔振装置主要由3台冷却水泵、安装支座、上下层隔振器和中间筏体组成. 安装支座和中间筏体为钢板框架焊接结构，3台冷却水泵各通过4只BE-160型隔振器弹性安装在筏体上，浮筏隔振系统通过8只6JX-100型隔振器弹性固定在船体基座上，筏体和泵立式布置.2 有限元模型的建立采用MSC Nastran大型有限元分析软件的前后处理模块MSC Patran对浮筏系统进行有限元建模.在有限元建模时，根据参数等效原则，在保证冷却水泵的质量、质心以及外形尺寸一致的条件下，首先将冷却简化为均质的各向同性弹性体，然后用4节点的4面体单元对设备实体进行有限元网格划分.上下层隔振器的每个隔振器分别用3个一维弹簧单元和3个一维阻尼单元建模.安装支座和中间筏体，在保证质量、质心以及外形尺寸一致的条件下，采用板单元进行建模，对设计中的孔洞、加强筋等进行建模. 用3节点的三角形单元对其筏体进行有限元网格划分.由于冷却水泵的安装间隙有严格要求，冷却水泵的安装支座成为浮筏隔振系统中的设计难点. 本文把采用板单元建立的安装支座和体单元建立的冷却水泵划分为一组，图1是用两种设计方案建立该组的有限元模型.方案1 方案2图 1 组的有限元模型3 模态分析计算在对模型进行有限元划分、定义材料属性等等一些步骤之后，把该组模型首先提交给MSC Nastran进行自由模态分析. 得到两种设计方案的前6阶弹性模态的频率如表1：表1 组的模态分析结果模态频率/Hz阶数方案1方案2主要振型19 138. 39306. 2820 150. 91354. 5221 151. 74359. 5722 171. 14385. 8523 188. 54429. 9324 208. 77470. 75安装支架弯曲振动选取两个方案的第19阶模态如图2所示：方案1方案2图 2 组的第25阶模态从表1可以看出，虽然模态频率都避开设备产生的激励频率及其倍频，但同样是安装支座产生弯曲模态，模态频率方案2明显高于方案1. 另外筏体的弹性模态频率前3阶为105. 47 Hz，278. 01 Hz 和383. 66 Hz，浮筏隔振系统的设计希望系统在产生弹性模态时不仅要避开设备的激励频率及其倍频，同时也希望弹性模态频率尽量高一些. 这样的系统结构更加坚固和牢靠. 因此，方案2的设计显然优于方案1. 经过对两个方案系统模态的分析计算，得出方案2的弹性模态频率绝大部分在300 Hz 以上，方案1达不到如此要求. 另外，系统动态特性在以后进行动力学分析时，方案2也要优于方案1. 如在采用DDAM进行冲击设计计算时，设备采用方案2的安装支座，在X，Y，Z 3个方向产生的最大位移都没有超过0.05 m的技术指标（最大位移在Z向为0. 047 5 m），从而达到设计要求.4 结论通过前后处理器MSC Patran建立3台冷却水泵浮筏隔振装置的模型，对认为结构薄弱的冷却水泵增刊杜向华，等：MSC Patran在浮筏隔振装置模态分析中的应用101安装支座连同冷却水泵首先进行划分网格、定义属性进行模态分析. 通过计算发现其弹性模态频率过低，结构过“软”. 通过重新设计安装支座，进行有限元分析计算，发现浮筏隔振系统设计满足各项技术要求，最后反过来对开始设计的安装支座组成系统进行有限元分析，发现在冲击等分析计算时，系统很难满足要求的技术指标.灵活采用MSC Patran中组的概念，对关注部件划分成组进行分析，从而指导系统设计，达到节省资源和时间，缩短设计周期的效果.参考文献：[1] 朱石坚，何琳. 船舶机械振动控制[M]. 北京：国防工业出版社，2006.[2] 赵应龙，何琳，黄映云，等. 船舶浮筏隔振系统冲击响应的时域计算[J]. 噪声与振动控制, 2005, 25（2）: 14-17.（编辑 廖粤新）。
基于MSC.Patran的路灯杆的模态分析
基于MSC.Patran的路灯杆的模态分析曾齐高;罗飞;李积彬【摘要】运用Pro/Engineer软件建立路灯杆的3D模型，并利用该模型进行数据转换，其后使用MSC.Patran对导入的路灯杆模型进行模态分析，根据分析结果，得出在安装路灯杆时周围设备的振动频率尽量避开路灯杆的固有频率，以免发生共振，从而保证路灯杆的使用安全性。
%In this paper, Pro/Engineer software was used to build the 3D model of lampposts, and use the model for data conversion, and MSC.Patran was used to modal analysis of lampposts after importing model .Based on the analysis results, obtained when installing lampposts around vibration frequency devices try to avoid the natural frequency of light poles to avoid resonance, and thus the use of lampposts security.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】4页(P106-108,200)【关键词】MSC.Patran;路灯杆;模态分析;共振【作者】曾齐高;罗飞;李积彬【作者单位】深圳市龙岗职业技术学校，广东深圳 518172;深圳技师学院，广东深圳 518040;深圳大学机电与控制工程学院，广东深圳 518060【正文语种】中文【中图分类】TP391.77有限元方法（Finite Element Methods）这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。
基于Patran和MSC Nastran的压电智能桁架结构振动模态分析
基于Patran和MSC Nastran的压电智能桁架结构振动模态分析作者：陈文英张兵志来源：《计算机辅助工程》2013年第03期摘要：用Patran和MSC Nastran分析压电智能桁架结构振动模态，验证基于有限元法建立的智能桁架结构机电耦合动力学模型的正确性和有效性.结果表明：采用Patran和MSC Nastran 针对2种典型压电智能桁架结构开展振动模态分析的结果，与采用基于有限元法建立的数学模型计算得到的模态频率及实验测试模态频率近似相等，验证基于有限元法模型的正确性和有效性，为开展主动振动控制器的设计提供模型和技术支持.关键词：智能桁架结构；振动模态；有限元法中图分类号：TB535文献标志码：B0引言航空、航天技术的飞速发展，对空间结构系统的性能提出新的要求[1].智能桁架结构是利用功能材料（如压电陶瓷等）制成的集传感元件和作动元件于一体的主动构件，并将主动构件配置于桁架结构的若干关键部位而形成的，不仅具有传感和控制功能，还能承受结构载荷.[2-3]由于采用压电陶瓷材料制造的智能主动构件体积小、重量轻、结构紧凑、精度高且具有自适应能力等特点，在航空航天领域的大型桁架结构中广泛应用.智能桁架结构在具有上述优点的同时，还具有结构复杂、柔性大、阻尼小、低频模态密集、模态耦合程度高以及其他多种不确定性和耦合等特点，难于建立精确的动力学模型，给振动主动控制带来很大的挑战.[4-6]因此，如何建立精确的能反映智能桁架结构动力学特性的数学模型是开展振动主动控制器设计的首要问题.针对北京航空航天大学的两种典型智能桁架结构，基于有限元法，建立压电智能桁架结构的机电耦合有限元方程；针对上述两种典型智能桁架结构采用Patran和MSC Nastran软件进行有限元分析计算；将基于Patran和MSC Nastran软件的模态分析计算结果、模态测试实验结果与基于有限元法建立的动力学模型计算结果进行对比分析，验证基于有限元法建立的压电智能桁架结构机电耦合动力学模型的正确性和有效性.1基于有限元法建立智能桁架结构的振动模态计算方程基于有限元法，考虑压电主动杆的机电耦合特性，建立智能桁架结构的运动方程[7-8]mu··（t）+cu·（t）+ku（t）=Fe（t）+BFc （t）（1）式中：m为质量矩阵；c为阻尼矩阵；k为刚度矩阵；Fe（t）为外部结点力矢量；Fc（t）为m×1的控制力矢量，m为主动杆的数目；B为主动杆的方向余弦矩阵.假定系统具有比例阻尼，没有外部作用力.采用模态展开u（t）=φq（t），其运动方程可表示为q··+Dq·+Ωq=φTBFc （2）式中：D=diag[2ξjwj]；Ω=diag[w2j]，j=1，2，…，n；φ=[φ1φ2…φn]；wj和ξj分别为第j阶固有频率和模态阻尼.2基于Patran和MSC Nastran的智能桁架结构振动模态分析2.1应用实例选用北京航空航天大学根据大型空间结构设计的四棱柱和三棱柱智能桁架结构为研究对象，见图1.四棱柱智能桁架结构结构根部立杆位置配置4个压电主动杆（1-5，2-6，3-7和4-8），三棱柱智能桁架结构根部立杆位置配置3个压电主动杆（1-4，2-5和3-6）.两种空间桁架结构均由铜制杆件和钢制连接件组成，同一高度的水平杆分别组成正方形（四棱柱智能桁架）和等边三角形（三棱柱智能桁架）.其中四棱柱桁架的各跨结构外轮廓为正方体，由立杆、水平杆和斜杆构成.立杆和水平杆长度相等，相对底平面上斜杆的方向不同，同一平面斜杆与直杆之间的夹角为45°；三棱柱智能桁架各跨结构外轮廓为三棱柱形状，与四棱柱桁架一样，由立杆、水平杆和斜杆构成，立杆和水平杆长度相等，每个侧面也有一根斜杆.相邻各跨同平面上的斜杆方向不同，同一平面斜杆与直杆之间的夹角为45°.在桁架杆件设计中，考虑到大柔度、低阻尼的要求以及装配的简易性，主杆设计为空心细杆，两端采用螺杆通过多面体接头进行连接，四棱柱智能桁架采用M5的螺杆，三棱柱智能桁架采用M3的螺杆.两个桁架结构基本参数见表1.2.2基于Patran和MSC Nastran软件的智能桁架结构振动模态分析为验证上述有限元建模方法的正确性，编写智能桁架结构有限元计算程序，分别对两种智能桁架结构进行有限元分析计算，并与北航实验测试的模态频率进行对比.四棱柱、三棱柱桁架结构有限元建模的节点编号见图1.表 1桁架结构基本参数表桁架结构结构尺寸/mm杆外径/mm杆内径/mm螺杆主杆数节点数跨数四棱柱320×320×320106M583286三棱柱260×260×26064M31023611在智能桁架结构的有限元计算中，结构中的所有杆件，包括主动杆和普通杆，均以等截面杆单元模拟，连接接头以节点质量代替.四棱柱智能桁架结构的有限元模型包括83个杆单元，28个节点，底部四个节点的自由度全部固定，以模拟悬臂的边界条件，整个模型共有72个自由度.各桁架结构杆单元的弹性模量为1.08×1011 N/m2，质量密度为8 940 kg/m3，各节点附有0.78 kg的集中质量.考虑到桁架结构中杆件的两端是通过两个螺杆与桁架中两连接件连接的，由轴向拉压刚度等效条件，得到简化后的普通直杆、普通斜杆和主动杆单元的等效截面积分别为3.257×10-5 m2，3.117×10-5 m2和1.45×10-5 m2.三棱柱桁架为顶部带配重的11层塔式复合桁架结构，包括102个杆单元（底部3个立杆为压电主动杆，压电堆尺寸为12×120 mm），36个节点.为模拟悬臂的边界条件，底部三个节点的所有自由度全部固定，模型共有99个自由度.各桁架结构杆单元的弹性模量为1.08×1011 N/m2，质量密度为8 940 kg/m3，各节点附有0.135 kg的集中质量，顶部配重为1.435 kg，简化后的普通直杆、普通斜杆和主动杆单元的等效截面积分别为1.516×10-5 m2和1.527×10-5 m2和6.337×10-5 m2.四棱柱智能桁架结构计算与实验模态频率对照见表2.三棱柱智能桁架结构计算与实验模态频率对照见表3.四棱柱智能桁架结构的前6阶模态振型见图2.三棱柱智能桁架结构的前6阶模态振型见图3.由表2和3可以看出，四棱柱智能桁架结构和三棱柱智能桁架结构前6阶模态频率计算值与实验值吻合很好，误差在5%之内，说明建立的智能桁架结构机电耦合有限元模型正确，能够真实地反映智能桁架结构的动力学特性.从四棱柱智能桁架结构和三棱柱智能桁架结构的固有频率分布上看，第1阶和第2阶模态及第4阶和第6阶模态是两两密频模态，分别代表一弯和二弯振型，第3阶模态是绕z轴的扭转模态.3结束语采用大型商业化结构分析软件Patran和MSC Nastran，对北京航空航天大学的四棱柱和三棱柱压电智能桁架进行模态分析计算，计算结果与基于有限元法建立的压电智能桁架结构机电耦合动力学模型的计算模态频率近似相等，与实验测试模态频率吻合，有效验证基于有限元法建立的压电智能桁架结构动力学模型的正确性和有效性，为进一步振动控制器的设计提供模型和技术支持.参考文献：[1]黄文虎，王心清. 航天柔性结构振动控制的若干新进展[J]. 力学进展， 1997， 27（1）： 5-18.[2]张景绘. 一体化振动控制：若干理论、技术问题引论[M]. 北京：科学出版社， 2005.[3]罗晓平，黄海. 自适应结构控制及其空间应用[J]. 航天控制， 2005， 23（2）： 47-53.[4]赵国伟，黄海，夏人伟. 柔性自适应桁架及其振动最优控制实验[J]. 北京航空航天大学学报， 2005， 31（4）： 434-438.[5]陈文英，阎绍泽，褚福磊. 免疫遗传算法在智能桁架结构振动主动控制系统优化设计中的应用[J]. 机械工程学报， 2008， 44： 196-200.[6]陈文英，褚福磊，阎绍泽. 智能桁架结构自适应模糊主动振动控制[J]. 清华大学学报：自然科学版， 2008， 48（5）： 816-819.[7]陈文英，阎绍泽，褚福磊. 免疫遗传算法在智能桁架结构振动主动控制系统优化设计中的应用[J]. 机械工程学报， 2008， 44（2）： 196-200.[8]CHEN Wenying， CHU Fulei， YAN Shaoze， et al. An interval parameter perturbation method for predicting the natural frequency bounds of intelligent truss structures with uncertain-but-bounded parameters[J]. Key Engineering Materials， 2007， 347： 569-574.（编辑武晓英）。
Patran 动力分析Part2-应用分析
第五章刚体模态5.1 刚体模态与刚体向量如果结构的约束条件不充足，结构就能在不产生内部应力载荷的情况下发生位移，作为一个刚体进行运动。
如：(a)和（b）两种情况，结构就发生刚体位移刚体位移/机构模态的存在可以由如下特征方程有0频率值说明，其特征方程中质量矩阵、刚度矩阵满足（刚度矩阵奇异）5.2 刚体模态的计算(1) 考虑一个R-SET(2)求解u l其中，（3）构造刚体向量（4）质量矩阵变换通常[M r]不为对角矩阵，进行正交化得到（5）构造刚体模态具有性质5.3 约束自由度的选择原则：在不产生内应力的情况下具有独立位移（即必须是静定的）5.4 NASTRAN对刚体模态和刚体向量的计算（1）在Nastran中，计算与分析集合（A集合）的质量和刚度矩阵相关的柔体模态向量（2）舍弃特征值分析算得的前N个柔体模态（N为刚体运动集合R中自由度数），并在它的位置用N个刚体模态代替（3）模态变换（4）结果a) 约束里在外部无效，即b)如果阻尼单元不接地，则有因此，不接地的阻尼单元不影响系统的刚体模态c)如果阻尼是成比例的，则因此，模态动力方程是完全解耦的。
第六章动力学分析中的矩阵组集6.1 概述1）在瞬态响应分析、频率响应分析、复模态分析中，Nastran提供了直接方法和模态方法2）分析类型和方法的不同，动力学矩阵组集也不一样6.2 阻尼矩阵6.2.1 阻尼概述1）阻尼反映结构内部能量的耗散2）阻尼产生的机理a)粘性效应(粘性阻尼器, 振动减振器)b)外摩擦（结构连接处的相对滑动）c)内摩擦（材料粘性）d)结构非线性（Plasticity）3）阻尼的模拟a)粘性阻尼力b)结构阻尼力6.2.2 结构阻尼与粘性阻尼假设结构简谐响应为对粘性阻尼对结构阻尼可以得到如果有但因为得到其中，结论1) 粘性阻尼与速度成比例2) 结构阻尼与位移成比例3) 临界阻尼比ζ=cr b b /4) 品质因子与能量耗散成反比5) 在共振点（n ωω≅）6.2.3 阻尼输入1）结构阻尼a) MATi 卡片b) PARAM,G, factor (Default = 0.0)用结构阻尼系数乘整个系统刚度矩阵c) PARAM,W3, factor (Default = 0.0)将结构阻尼转化为等效粘性阻尼d) PARAM,W4, factor (Default = 0.0)将单元结构阻尼转化为等效粘性阻尼e) W3,W4的单位为rad/unit timef) 如果使用PARAM,G ，则PARAM,W3的factor 必须大于0，否则，瞬态响应分析中将忽略PARAM,G2) 标量粘性阻尼3）模态阻尼CDAMP1： 两自由度间的数值阻尼器，需属性卡PDAMPCDAMP2：两自由度间的数值阻尼器，不需属性卡PDAMPCDAMP3：两自由度间的数值阻尼器，需属性卡PDAMPCDAMP4 ：两自由度间的数值阻尼器，不需属性卡PDAMPCVISC ：两节点间的单元阻尼器，需属性卡PVISCCBUSH ：广义弹簧和阻尼器单元，允许与频率相关6.3 直接法直接法中使用的动力学方程为其中，对频率响应和复特征值分析，动力学矩阵为对瞬态响应，动力学矩阵为6.4 模态法模态法中的动力学方程为模态坐标与物理坐标间变换为其中，对频率响应和复特征值分析，动力学矩阵为如果，KDAMP = -1,则对瞬态响应，动力学矩阵为第七章瞬态响应分析7.1 概述（1）计算时变激励的响应（2）激励在时间域中显式定义，所有作用的力在每时间点给定（3）计算的响应通常包括节点位移、速度、加速度、单元力和应力（4）计算瞬态响应有直接法（Direct）和模态法（modal）7.2 直接瞬态响应分析（1）过程动力学方程对固定时间段求出离散点的响应，用中心差分法使用Newmark-Beta方法转化为（可以选择Willson-Theta法、Hughes-Alpha Bathe）整理得到其中，（2）瞬态响应分析中的阻尼其中，B1 = 阻尼单元(VISC,DAMP) + B2GGB2 = B2PP 直接输入矩阵+传递函数G = 整体结构阻尼系数(PARAM,G)W3 = 感兴趣的整体结构阻尼转化为频率-弧度/秒(PARAM,W3)K1 = 整体刚度矩阵G E = 单元结构阻尼系数(GE 在MATi卡中定义)W4 =感兴趣的单元结构阻尼转化为频率-弧度/秒(PARAM,W4)K E = 单元刚度矩阵瞬态响应分析中的不允许复系数，因此结构阻尼转化为等效粘性阻尼进行计算W3,W4的缺省为0，这时不计阻尼7.3 模态瞬态响应分析（1）过程物理坐标与模态坐标变化无阻尼的动力学方程变换得到其中，解耦得到单自由度系统方程其中，当存在阻尼时其中，（2）模态瞬态响应分析中的阻尼使用模态阻尼，每阶模态都存在阻尼，方程变为解耦的方程或其中，利用Duhamel积分得到（3） Nastran中模态瞬态响应分析阻尼的输入a) TABDMP1卡用SDAMPING=ID 情况控制卡选择b)f i (Hz)和g i为频率和阻尼值，用线性内插值给定点间的频率, 用线性外插值给定端点外的频率；如：c)定义非模态阻尼（4）模态瞬态响应分析数据的提取a)物理响应为模态响应的叠加b)计算量一般不如直接法大c)不必输出每个时间步的值（5）模态截断原因：a)不需要所有模态，仅须很少的低阶模态就可以得到满意的响应b) 用PARAM,LFREQ 给出保留模态的频率下界c) PARAM,HFREQ给出保留模态的频率上界d)PARAM,LMODES给出保留模态的最小数目e)截断高频模态即截断了高频响应7.4 瞬态激励力定义为时间的函数Nastran中定义方法1）时变载荷a) TLOAD1定义的载荷其中，b) TLOAD2定义的载荷2）TLOAD1卡片其中，a)DELAY定义自由度及时间延迟量b) TABLEDi定义时间和力对c)由DLOAD情况控制卡选择d)TYPE定义为3) TLOAD２卡片其中，该卡片由情况控制卡DLOAD选取4)载荷的组合其中，注：a)TLOAD1和TLOAD2标号唯一b)用DLOAD组合TLOADsc)由情况控制卡DLOAD选取５）DAREA卡定义动态载荷作用的自由度，与其他卡片关系DAREA例子６）SLEQ卡片将静态载荷用为动态载荷由情况控制卡LOADSET选取包括含一个DAREA卡片，与其他卡片关系LSEQ例子７）初始条件a)瞬态响应分析中，初始位移与初始速度由TIC数据卡定义，在模态响应分析中无效b)由IC情况控制卡片选择c)未被约束的自由度为０d) 由一个A-set DOFs.给定e) 初始条件仅须在直接瞬态响应中给定，模态瞬态响应中为０f) 初始条件用于计算{u 1 }时需要的{u 0 }, {u -1 },{P 0 }, {P -1 }，所有点的初始加速度设置为０(t<0)建议对任何类型的动态激励至少取一个时间步为０g) TIC卡定义初始条件其中，８）TSTEP卡a) 定义直接瞬态响应和模态瞬态响应分析中的积分时间步长b) 积分误差随频率的增加而增加c) 建议在响应的一个周期内至少取８个时间步d) TSTEP控制求解和输出，由情况控制卡TSTEP选取e) 积分的代价与步长成正比f) 对低频（长周期）响应用自适应方法更有效g) 计算中可以改变积分步长，这时h) TSTEP卡片7.５直接瞬态响应与模态瞬态响应比较7.６瞬态响应求解控制例子１）DIRECT TRANSIENT RESPONSEINPUT FILEID SEMINAR, PROB4SOL 109TIME 30CENDTITLE= TRANSIENT RESOPONSE WITH TIME DEPENDENT PRESSURE AND POINT LOADSSUBTITLE= USE THE DIRECT METHODECHO= PUNCHSPC= 1SET 1= 11, 33, 55DISPLACEMENT= 1SUBCASE 1DLOAD= 700 $ SELECT TEMPORAL COMPONENT OF TRANSIENT LOADING LOADSET= 100 $ SELECT SPACIAL DISTRIBUTION OF TRANSIENT LOADING TSTEP= 100 $ SELECT INTERGRATION TIME STEPS$OUTPUT (XYPLOT)XGRID=YESYGRID=YESXTITLE = TIME (SEC)YTITLE- DISPLACEMENT RESPONSE AT CENTER TIPXYPLOT DISP RESONSE / 11(T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT CENTER TIPXYPLOT DISP RESPONSE / 33 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPSITE CORNERXYPLOT DISP RESPONSE . 55 (T3)$BEGIN BULKPARAM, COUPMASS, 1PARAM, WTMASS, 0.00259$INCLUED ’plate.bdf’$$ SPECIFY STRUCTURAL DIAMPING$ 3 PERCENT AT 250 HZ. = 1571 RAD/SEC$PARAM, G, 0.06PARAM, W3, 1571.$$ APPLY UNTI PRESSURE LOAD TO PLATE$LSEQ, 100, 300, 400$PLOAD2, 400, 4., 4, THRU, 40$$ VARY PRESSURE LOAD (250HZ)$TLOAD2, 200, 300, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90.$$ APPLY POINT LOAD OUT OF PAHSE WITH PRESSURE LOAD $TLOAD2, 500, 600, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90.$DAREA, 600, 11, 3, 1.$$ COMBINE LOADS$DLOAD, 700, 1., 1., 200, 50., 500$$ SPECIFY INTERGRATION TIME STEPS$TSTEP, 100, 100, 4.0E-4, 1$ENDDATA结果2)）MODAL TRANSIENT RESPONSEINPUT FILEID SEMINAR, PROB4SOL 112TIME 30CENDTITLE = TRANSIENT RESPONSE WITH TIME DEPENDENT PRESSURE AND POINT LOADS SUBTITLE = USE THE MODAL METHODECHO = UNSORTEDSPC = 1SET 111 = 11, 33, 55DISPLACEMENT(SORT2) = 111SDAMPING = 100SUBCASE 1METHOD = 100DLOAD = 700LOADSET = 100TSTEP = 100$OUTPUT (XYPLOT)XGRID=YESYGRID=YESXTITLE= TIME (SEC)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT LOADED CORNERXYPLOT DISP RESPONSE / 11 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT TIP CENTERXYPLOT DISP RESPONSE / 33 (T3)YTITLE= DISPLACEMENT RESPONSE AT OPPOSITE CORNERXYPLOT DISP RESPONSE / 55 (T3)$BEGIN BULKPARAM, COUPMASS, 1PARAM, WTMASS, 0.00259$$ PLATE MODEL DESCRIBED IN NORMAL MODES EXAMPLE PROBLEM$INCLUDE ’plate.bdf’$$ EIGENVALUE EXTRACTION PARAMETERS$EIGRL, 100, , ,5$$ SPECIFY MODAL DAMPING$TABDMP1, 100, CRIT,+, 0., .03, 10., .03, ENDT$$ APPLY UNIT PRESSURE LOAD TO PLATE$LSEQ, 100, 300, 400$PLOAD2, 400, 1., 1, THRU, 40$$ VARY PRESSURE LOAD (250 HZ)$TLOAD2, 200, 300, , 0, 0., 8.E-3, 250., -90. $$ APPLY POINT LOAD (250 HZ)$TLOAD2, 500, 600,610, 0, 0.0, 8.E-3, 250., -90. $DAREA, 600, 11, 3, 1.DELAY, 610, 11, 3, 0.004$$ COMBINE LOADS$DLOAD, 700, 1., 1., 200, 25., 500$$ SPECIFY INTERGRATION TIME STEPS$TSTEP, 100, 100, 4.0E-4, 1$ENDDATA第八章频率响应分析8．1 概述1)计算震荡激励的响应2) 激励在频域中显式定义，在每频率点作用力已知3) 计算的响应通常包括节点位移、单元力和应力4) 计算的响应为复数、由大小、相位定义5) 频率响应分析分为直接法、模态法。
PATRAN模态分析
PATRAN模态分析PATRAN（全称为“Pattern Recognition, Analysis and Machine Intelligence”）是一种用于进行模态分析的软件工具。
它提供了一套强大的功能，可以帮助工程师和科学家分析和理解复杂系统的模态特性和行为。
在模态分析中，我们的目标是确定一个系统可能存在的自由振动模态。
这些振动模态在许多不同的领域都有应用，例如机械工程、航空航天、建筑和地震工程等。
通过了解系统的模态特性，我们可以更好地了解系统的动态行为，识别潜在的问题和风险，并进行优化和改进。
对于大型和复杂的系统，准确而有效的模态分析可能是一项挑战。
这就是Patran发挥作用的地方。
Patran是一款功能强大的前后处理软件，它与MSC Nastran等有限元软件紧密集成，可以帮助用户直观地建模、分析和可视化系统的振动模态。
在使用Patran进行模态分析时，我们需要进行以下步骤：1. 准备模型：首先，我们需要将待分析的系统建模。
Patran提供了各种建模工具，可以帮助用户创建几何模型、网格化模型，并为分析选择适当的材料属性和边界条件。
2.定义分析：根据模型的特性和要求，我们需要定义模态分析的类型和参数。
这些参数可能包括求解器选项、收敛准则、模态频率范围等。
3. 运行分析：一旦模型和分析定义完成，我们可以使用MSCNastran等有限元求解器来执行模态分析。
Patran将自动将模型和分析参数转化为Nastran认可的输入文件，并调用求解器进行计算。
4. 分析结果：当求解器完成计算后，Patran将帮助用户导入和可视化模态分析的结果。
这些结果可能包括模态频率、振型、参与因素等。
5. 结果解释：最后，我们需要解释和分析模态分析的结果。
Patran 提供了各种方式来可视化和解释模态分析结果，例如模态动画、频率响应图、模态贡献和应力分布等。
总的来说，Patran是一款功能强大的软件工具，可以帮助工程师和科学家进行模态分析。
patran培训教材(有限元分析)
目录第一章Patran基础知识······················错误!未指定书签。
第二章悬臂梁的有限元建模与变形分析················错误!未指定书签。
第三章受热载荷作用的薄板的有限元建模与温度场求解·········错误!未指定书签。
第四章带孔平板的受力分析（平面）·················错误!未指定书签。
第五章厚壁圆筒的受内压作用时的应力分析··············错误!未指定书签。
第六章受压力载荷作用时板的受力分析················错误!未指定书签。
第七章板的模态分析························错误!未指定书签。
汽车车架静态及模态分析-patran&nastran
汽车CAE作业说明文档二、图1 为某车架结构简图。
车架纵梁为槽钢(开口向内，且左右纵梁形心之间的间距为850mm)，横梁均为工字钢，左右对称，其尺寸见图1。
车架材料的弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7840kg/m3。
1) 求简支边界条件下（以前、后轴线处为支撑位置，如下图所示），该车架左右侧纵梁受垂直均布载荷q＝10kN/m 作用时的挠度；2) 约束车架后轴线上的结点，在车架前轴线处左、右侧结点分别施加垂直向上、向下的载荷F＝0.1kN，如下图所示。
计算前轴线处车架扭转角度；3) 计算前20 阶自由振动模态（计算自由振动模态不需任何约束）。
1 以壳单元进行计算过程如下1.1 简支边界条件下挠度计算过程1)通过车架结构简图建立车架的三维实体，在槽钢和工字钢之间留有微小间隙1mm，然后在hypermesh中选用抽取中面的方法得到车架的壳单元2D模型。
如图1所示。
2)在hypermesh中直接建立车架的Material,Property,输入壳单元的厚度0.0065m 。
并将Property assign 给车架，在2D模块中，选用AUTOMESH,尺寸选择0.05，进行网格划分。
如下图所示。
3)将hypermesh中的结果文件以bdf的格式导出。
然后在Patran中导入，进行约束和力的加载，在MESH中，选择MPC，REB2，完成对车架横梁与纵梁交接处的焊接。
完成后图形显示如下。
4)车架左右侧纵梁受垂直均布载荷q＝10kN/m，选用Distributed Load加载没有成功，后面选用Force进行加载，在Hypermesh中获知纵梁的节点数为136个。
每个节点加载力6.7510000496.3136F ⨯==N 。
分析类型选择线性静力学分析。
变形云图如下，最大扰度 w=3.21mm 。
1.2 车架扭转角度计算过程1) 使用题1.1的壳单元模型，将约束和加载力改变，更改完成后加载结果如图所示。
基于MSC.Patran的粉末成形模架模态分析
l
刖 舌
2 2
．
一
网格 划分
网 格 划 分 是 建立 有 限元 模 型
一
模态是振 动系统动态特性 的
种表征
。
，
它 是 构成结 构
P a tr
个重要 的步骤
。
MS C
．
复杂振 动最 简单 或 者最 基 本 的振 动 形 态
目标 是 识 别 出 系 统 的 模 态 参 数
，
模态 分 析 的最 终
a n
具 有 良好 的 网 格 划 分 能 力
。
，
能够完成各种 复杂几 何
为结 构 系 统 的振 动 特 性 分
模 型 的 网格划分 分
，
模架需要用
3D 实体单元进行 网格划
，
析
、
振 动 故 障诊 断 和 预 报 以 及 结 构 动 力 特 性 的 优 化 设 计 提
…
”
。
为 了获得较好 的计算精度
采用
二
模 架振 动 主 要 集 中于 底 座
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广 东 省关 键 领 域 重 点 突 破 粤 港 招 标 项 目 ( 编 号
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维普资讯
研贿
下 面 的连 接 板 部 分 ，对 于 这 种 环 形 油缸 驱 动 的粉 末 成 形 模
架 ，薄 弱 部 位 主要 位 于模 架 的 两 端 ，而 环 形 油 缸 及 下 模 板 的稳 定 性 是 十分 好 的 。 另 外 ，该 粉 末 成 形 模 架 的振 动 形 式
粉 末 成 形 模 架 由模 冲
、
模 量 E
多层模板
Patran基础教程12_分析
PAT301, Section 12, September 2010 Copyright 2010 MSC.Software Corporation
一些分析窗口
● 这些窗口是几
种可能的选择。
PAT301, Section 12, September 2010 Copyright 2010 MSC.Software Corporation
PAT301, Section 12, September 2010 Copyright 2010 MSC.Software Corporation
S12-5
建立分析 (续)
● Job Name
● 分析窗口中的重要工具
● 具有以下作用 ● 分析文件和Nastran计算结果文件的前缀名, 如 jobname.bdf, jobname.f04, jobname.f06等。 ● Job Name 存储了从Patran到Nastran的所有分析 设置。 ● 可以创建和Job name相联系的工作描述，可对分 析工作作进一步说明。 ● 当导入存储在数据库中的subcase/load case结果 名和结果文件subcase / load case 名时，可用作 一个前后对照的连接。 ● 删除job names时需要小心。可以选择删除使用
该job name产生的所有文件。
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S12-6
建立分析 (续)
● 选择 Translation Parameters… 指定: ● Tolerances
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第9章 patran分析控制(Analysis)
输subcase名称，并指定该Subcase工况（load case）及 结果输出要求，有时还须确定该subcase中求解参数 可建多个subcase，也可一个Subcase都不建，用Patran 缺省Default Subcase
选择subcase （Select Subcase…）
注：与Read Output2 Action对应的Object有三种选项
Object Result Entities Model Data
Both
说明 只读入计算结果 只读入有限元模型：单元ic） 非线性静力（nonlinear Static） 自然模态（normal Modes） 屈曲分析（buckling） 复模态（complex Eigenvalue） 频率响应（frequent Response） 瞬态响应（transient Response） 非线性瞬态响应（nonlinear Transient）
Patran 递交过程即将 Patran 数据库数据转换成 Nastran 输入文件过程，按什么格式生成*.Bdf文 件，由控制参数决定。如：Nnastran 的版本， output2 文件的格式，数据按单精度还是双精度 输出等 选择求解类型（Solution Type…)
Patran支持的八种分析类型
第九章 分析控制(Analysis)
1. 设定分析环境并递交计算
◆ 递交Analysi，Action为Analyze，Object可是整个模型（Entire Model）或局部模 型（Current Group），Method如下：
Full Run 直接从Patran中提交并完成计算
Check Run 提交计算以检查模型，随即停止
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CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的bdf文件将包含CONM2单元, 每个质量点都将 生成一个。
$ Elements and Element Properties for region : m1
CONM2 4
2
20.
$ Elements and Element Properties for region : m2
通过属性定义菜单定义MD Nastran质 量类型 ： Create/0D/Mass 输入名称 输入属性20和40质量单位 选择集中质量选项 选取点单元
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S3-22
S3-14
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 代入数值到方程中做以评估
● 令k = 1000 力/长度单位 ● 令m = 20 质量单位
● 然后
● 注意将radians/sec转换为cycles/sec (Hertz)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 将频率代入运动方程后计算得到振幅。 ● 但是，只能计算出振幅比。
● 在正则模态计算时这点非常重要，及振幅的绝对值是无法 确定的，只有振幅相对于另一个振幅的比值才能确定。
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分析类型定义为Normal Modes (SOL103) 设置分析参数: Mass Calculation, Lumped Wt. Mass Conversion, 1.0
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S3-10
使用矩阵方法解决相同问题
● 现在，考虑使用矩阵方法计算该系统
● 单个单元的刚度矩阵[K1],[K2]和[K3]分别是：
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S3-11
使用矩阵方法解决相同问题（续）
CONM2 5
3
40.
ID
Grid
Mass
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CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
创建两个约束集: ‘fixed’: 约束端点 所有自由度
在自由度上的集中质量
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 用矩阵形式表达运动方程
● 代入
●和 ● 然后
● 所以
这意味着有一个正则模态, {} , 它随 着时间和频率成正弦变化, t.
这意味着有一个正则模态, {}, 并且相 对于频率, 能够被计算, 当惯性与弹
簧平衡的时候
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‘make_1d’: 约束 除节点2和3的x项 自由度之外的所 有自由度。
‘make_1d’
‘fixed’
GRID: 1
2
3
4
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S3-24
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
PID
Stiffness
$ Elements and Element Properties for region : spring_stiff
PELAS 1
1000.
$ Pset: "spring_stiff" will be imported as: "pelas.1"
CELAS1 1
1
1
1
2
1
CELAS1 2
S3-16
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
使用Create/Node/Edit创建节点
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S3-17
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
1
2
1
3
1
CELAS1 3
1
3
1
4
1
ID
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PID End A DOF End B DOF
Grid
Grid
S3-21
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
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采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 装配两个方程到矩阵形式
● 未知量为 2 和一对振幅
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S3-7
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
S3-13
特征值问题
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 所以在
, 运动被定义为:
● 在第一次共振或固有频率处平衡
● 并且在
,运动被定义为:
● 在第二次共振或固有频率处平衡
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S3-25
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的.bdf文件将包含求解序列和递交的重力质量转 换和集中质量等参数的定义。
第二部分 模态分析
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S3-1
概述
● 计算结构的固有频率和模态的原因是什么？
● 之所以计算结构的固有频率和模态，原因有多个。一个原因就是 ，评估部件及其支撑结构之间的动态相互作用。例如，如果要将 旋转机械（如空调扇）安装到建筑物的顶上，那么，一定要确定 旋转扇的运转频率是否接近建筑物的某个固有频率。如果二者接 近，则风扇在运转时可能会损坏建筑物的结构或使其坍塌。
● 假设x1和x2的运动是谐波，所以
这意味着他们在相同的频率上振动，但有不同 的振幅A1 和A2.
● 目标是求解频率和振幅。
● 现在
● 将这些方程代入到自由体图得到的方程中，得到如下内容
● 对于第一个质量：
● 所以
● 对于第二个质量：
● 所以
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● 还可以通过使用固有频率和正则模态来评价设计变更。特定的设计变更 是否会导致动态响应增加？ 正则模态分析常常能够提供答案。
● 总之，可能会出于多种原因来计算结构的固有频率和模态。所有这些原 因都基于一个事实，那就是实数特征值分析是许多类型的动态响应分析 的基础。因此，对于所有类型的动态分析来说，一定要全面了解正则模 态分析，以及特定结构的固有频率和模态。
● 可以基于固有频率的分析结果做出动态分析（即，瞬态响应分析 、频率响应分析、响应谱分析等）决定。可以先求出重要模态， 然后使用它们来选择要对运动方程进行积分的适当时间步长或频 率步长。同样，可以使用特征值的分析结果（固有频率和模态） 来分析模态频率和模态瞬态响应分析（请参阅“频率响应分析” 和“瞬态响应分析”）。
S3-15
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● 使用Patran和MD Nastran创建模型
K
M
K
M
K
DOF: 1
2
3
4
● 可以给上面的模型添加任意长度，然后直接输入节点和弹簧 及质量单元到Patran。
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S3-3
概述 (续)
● 前面章节考虑的是质量弹簧系统的单点自由度问题。
● 本章将侧重于如何使用Patran和MD Nastran定义多自由度问 题的模态分析。
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S3-20
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的.bdf文件将包含CELAS单元的连接关系和 PELAS属性定义
● 使用上述行列式的方程进行求解，代入
2 = ● 算得方程的两个根，1和2.