Patran與Nastran有限元分析標準教程

龍凱，華北電力大學教師；胡仁喜，河北交通職業技術學院教師。兩位老師均具有豐富的一線項目實踐經驗，以及有限元輔助分析類圖書出版經驗，並且前期出版的相關圖書經過市場檢驗很受讀者歡迎

第 1章 概述 1
1.1　Patran介紹 2
1.1.1　圖形用戶界面 2
1.1.2　CAD幾何模型的直接訪問 3
1.1.3　幾何造型功能 3
1.1.4　分析集成 4
1.1.5　有限元建模 4
1.1.6　結果交互式可視化後處理 6
1.1.7　*用戶化工具 7
1.2　Nastran功能介紹 7
1.2.1　靜力學分析 7
1.2.2　屈曲分析 7
1.2.3　動力學分析 8
1.2.4　熱傳導分析 8
1.2.5　氣動彈性分析 9
1.2.6　流固耦合分析 9
1.2.7　多級*單元分析 9
1.2.8　*對稱分析 10
1.2.9　設計靈敏度及優化分析 10
1.2.10　轉子動力學特性分析 11
1.2.11　概率有限元分析 11
1.2.12　與Adams集成進行剛/柔性多體動力學分析 11
1.2.13　Nastran的並行求解方法 12
1.2.14　多種求解方法 12
1.2.15　用戶化開發工具DAMP語言 12

第 2章 Patran建模和Nastran分析流程 13
2.1　有限元分析簡介 14
2.2　軟件建模和分析流程介紹 14
2.2.1　Patran 2019用戶界面的介紹 14
2.2.2　Patran建模和Nastran分析的一般流程 19
2.2.3　Patran和Nastran的主要相關文件 20
2.2.4　單位制介紹 21
2.3　實例——支撐結構受力變形分析 22
2.3.1　前處理 22
2.3.2　提交分析作業 25
2.3.3　結果後處理 26

第3章 創建幾何模型 28
3.1　直接創建幾何模型 29
3.1.1　創建點 29
3.1.2　創建曲線 32
3.1.3　創建曲面 38
3.1.4　創建實體 45
3.1.5　創建坐標系 48
3.1.6　創建平面 49
3.1.7　創建矢量 51
3.2　轉換創建幾何模型 51
3.3　Patran的輸入/輸出接口 55
3.3.1　Patran的輸入接口 55
3.3.2　Patran的輸出接口 56
3.4　編輯幾何模型 57
3.4.1　編輯點 58
3.4.2　編輯曲線 58
3.4.3　編輯曲面 60
3.4.4　編輯實體 63
3.5　其他幾何操作 65
3.5.1　刪除 66
3.5.2　信息顯示 66
3.5.3　檢查幾何模型 66
3.5.4　關聯 67
3.5.5　反關聯 67
3.5.6　重新標號 67
3.6　實例——圓頂凸臺建模 67
3.6.1　創建一個立方體 67
3.6.2　在實體表面中心創建點 68
3.6.3　顯示點的標號 69
3.6.4　在一個實體表面創建球面 70
3.6.5　進行布爾運算 70
3.7　全程實例——托架線性靜力分析的建模 71
3.7.1　創建數據庫模型 71
3.7.2　創建二維平面圖 71
3.7.3　創建三維實體 73
3.7.4　創建切割實體模型 74
3.7.5　創建底部圓孔 75
3.7.6　打印痕 77

第4章 劃分有限元網格 80
4.1　單元庫概述 81
4.2　直接創建有限元網格 82
4.2.1　網格生成器的分類 82
4.2.2　幾何協調性和有限元協調性 83
4.2.3　自動生成網格 84
4.2.4　手動生成網格 84
4.2.5　創建多點約束 85
4.3　轉換創建有限元網格 85
4.3.1　移動、旋轉和鏡像創建節點/單元 85
4.3.2　拉伸、滑動創建單元 86
4.4　修改有限元網格 87
4.4.1　修改網格 87
4.4.2　修改單元 88
4.4.3　修改梁/桿、三角形、四邊形、四面體單元 88
4.4.4　修改節點 89
4.4.5　修改網格種子 89
4.5　檢查有限元網格 89
4.5.1　檢查有限元網格 89
4.5.2　檢查三角形單元的質量 90
4.5.3　檢查四邊形單元的質量 90
4.5.4　檢查四面體單元的質量 90
4.5.5　檢查五面體單元的質量 91
4.5.6　檢查六面體單元的質量 91
4.5.7　檢查節點 91
4.5.8　檢查中間節點 91
4.5.9　檢查*單元 92
4.6　基於有限元網格的其他操作 92
4.6.1　重新標號 92
4.6.2　聯結 93
4.6.3　解除聯結 93
4.6.4　優化 93
4.6.5　顯示信息 93
4.6.6　刪除有限元元素 94
4.7　實例——創建有限元網格 94
4.7.1　卷簧網格劃分實例 94
4.7.2　支架網格劃分實例 97
4.7.3　連桿網格劃分實例 99
4.8　全程實例——在托架線性靜力分析中進行網格劃分 101

第5章 材料屬性 102
5.1　材料屬性概述 103
5.2　定義材料屬性 104
5.2.1　材料屬性的分類 104
5.2.2　定義材料屬性的方法 106
5.3　顯示材料屬性 106
5.4　實例——定義材料屬性 107
5.4.1　各向同性材料屬性實例 107
5.4.2　九層覆合材料屬性實例 108
5.4.3　溫度相關材料屬性實例 110
5.5　全程實例——在托架線性靜力分析中定義材料屬性 111

第6章 單元屬性 112
6.1　單元屬性概述 113
6.2　定義單元屬性 113
6.2.1　0D單元屬性 113
6.2.2　1D單元屬性 114
6.2.3　2D單元屬性 119
6.2.4　3D單元屬性 121
6.3　梁的顯示 122
6.4　顯示檢查單元屬性 123
6.5　全程實例——在托架線性靜力分析中定義單元屬性 123
第7章 載荷及邊界條件 125

7.1　載荷/邊界條件概述 126
7.2　對載荷/邊界條件的相關操作 127
7.2.1　施加載荷/邊界條件的步驟 128
7.2.2　顯示、檢查邊界條件 129
7.2.3　修改、刪除邊界條件 129
7.3　實例——施加邊界條件 129
7.3.1　施加平板位移邊界條件實例 129
7.3.2　施加徑向載荷實例 130
7.4　全程實例——在托架線性靜力分析中施加邊界條件 131
7.4.1　施加位移邊界條件 131
7.4.2　施加載荷 132

第8章 分析控制 134
8.1　分析控制概述 135
8.2　設置分析環境並提交計算 136
8.2.1　設置轉換參數 136
8.2.2　設置分析類型 136
8.2.3　定義Subcases 137
8.2.4　Subcase Select 138
8.3　讀取分析結果 138
8.3.1　讀取分析結果 139
8.3.2　將計算結果與Patran相關聯 139
8.4　全程實例——在托架線性靜力分析中提交分析作業 140

第9章 結果後處理 141
9.1　後處理概述 142
9.2　後處理的一般步驟 142
9.3　分析結果快速顯示 143
9.4　顯示變形圖 145
9.5　顯示雲圖 146
9.6　顯示圖符 148
9.7　繪制x-y平面曲線圖 148
9.8　生成報告 149
9.9　其他操作 151
9.10　全程實例——托架線性靜力分析的結果後處理 152

第 10章 Patran和Nastran基本使用實例 155
10.1　實例——活塞受壓分析 156
10.1.1　問題描述 156
10.1.2　創建數據庫模型並導入模型 156
10.1.3　劃分有限元網格 157
10.1.4　定義材料屬性 158
10.1.5　定義單元屬性 159
10.1.6　施加位移邊界條件 160
10.1.7　施加壓強載荷 161
10.1.8　提交分析作業 162
10.1.9　結果後處理 163
10.2　實例——組和列表定義 165
10.2.1　創建數據庫模型 165
10.2.2　創建幾何模型 165
10.2.3　劃分有限元網格 167
10.2.4　定義材料屬性 169
10.2.5　創建場 170
10.2.6　定義單元屬性 171
10.2.7　施加溫度邊界條件 172
10.2.8　創建厚度場集合 173
10.2.9　創建溫度場集合 175
10.2.10 創建組 175
10.3　實例——基於二維殼單元的梁分析 177
10.3.1　創建數據庫模型 177
10.3.2　創建幾何模型 178
10.3.3　劃分有限元網格 178
10.3.4　施加載荷 179
10.3.5　施加位移邊界條件 180
10.3.6　定義材料屬性 181
10.3.7　定義單元屬性 181
10.3.8　提交分析作業 182
10.3.9　結果後處理 183
10.4　實例——基於一維梁單元的梁分析 185
10.4.1　創建數據庫模型 185
10.4.2　創建網格模型 185
10.4.3　施加位移邊界條件 186
10.4.4　施加載荷 187
10.4.5　定義材料屬性 188
10.4.6　定義單元屬性 189
10.4.7　提交分析作業 191
10.4.8　結果後處理 192

第 11章 靜力學分析 194
11.1　彈性力學的基本方程和變分原理 195
11.1.1　彈性力學基本方程的矩陣形式 195
11.1.2　彈性力學基本方程的張量形式 198
11.2　平板受力分析 199
11.2.1　新建一個數據文件 199
11.2.2　創建幾何模型 199
11.2.3　劃分有限元網格 199
11.2.4　施加邊界條件及載荷 200
11.2.5　定義材料屬性 201
11.2.6　定義單元屬性 201
11.2.7　提交分析作業 202
11.2.8　結果後處理 202
11.3　鉸接桁架受力分析 203
11.3.1　新建一個數據文件 203
11.3.2　劃分有限元網格 203
11.3.3　施加邊界條件及載荷 205
11.3.4　定義材料屬性 209
11.3.5　定義單元屬性 209
11.3.6　提交分析作業 210
11.3.7　結果後處理 210
11.4　厚壁圓筒靜力分析 211
11.4.1　新建一個數據文件 211
11.4.2　創建厚壁圓筒的一個縱截面 212
11.4.3　旋轉截面生成三維實體 212
11.4.4　刪除臨時創建的截面 213
11.4.5　劃分有限元網格 213
11.4.6　定義材料屬性 214
11.4.7　定義單元屬性 214
11.4.8　施加邊界條件 215
11.4.9　施加壓強載荷 216
11.4.10　提交分析作業 217
11.4.11　查看分析結果 217
11.5　實例——箱體靜力分析 217
11.5.1　創建數據庫模型 218
11.5.2　創建組 218
11.5.3　抽取中面 219
11.5.4　幾何清理 220
11.5.5　刪除多餘的面 220
11.5.6　劃分自由網格 221
11.5.7　施加載荷 222
11.5.8　施加位移邊界條件 223
11.5.9　定義材料屬性 224
11.5.10　定義單元屬性 224
11.5.11　提交分析作業 225
11.5.12　結果後處理 226
11.6　實例——面與加強筋模型 227
11.6.1　創建數據庫模型 228
11.6.2　創建幾何模型 228
11.6.3　劃分有限元網格 232
11.6.4　施加載荷 234
11.6.5　施加位移邊界條件 236
11.6.6　定義材料屬性 237
11.6.7　定義單元屬性 238
11.6.8　提交分析作業 241
11.6.9　查看結果 241
11.7　實例——裝配體網格劃分和模型分析 242
11.7.1　創建數據庫模型 243
11.7.2　創建幾何模型 243
11.7.3　劃分自由網格 246
11.7.4　施加位移邊界條件 248
11.7.5　施加載荷 249
11.7.6　定義材料屬性 250
11.7.7　定義單元屬性 250
11.7.8　提交分析作業 251
11.7.9　結果後處理 251
11.8　實例——手柄靜力分析 252
11.8.1　創建數據庫模型 253
11.8.2　創建組 253
11.8.3　創建幾何實體1 254
11.8.4　分割幾何實體 254
11.8.5　創建幾何實體2 259
11.8.6　創建局部坐標系與劃分有限元網格 261
11.8.7　施加壓力載荷 263
11.8.8　施加位移邊界條件 265
11.8.9　定義材料屬性 267
11.8.10　定義單元屬性 267
11.8.11　提交分析作業 268
11.8.12　結果後處理 269

第 12章 屈曲分析 272
12.1　屈曲分析的步驟 273
12.2　薄壁圓筒屈曲分析 273
12.2.1　新建一個數據文件 273
12.2.2　創建幾何模型 273
12.2.3　劃分有限元網格 274
12.2.4　施加邊界條件及載荷 274
12.2.5　定義材料屬性 275
12.2.6　定義單元屬性 275
12.2.7　提交分析作業 276
12.2.8　結果後處理 276
12.3　實例——板屈曲分析 278
12.3.1　創建數據庫模型 278
12.3.2　創建幾何模型與網格模型 278
12.3.3　定義材料屬性 279
12.3.4　定義單元屬性 280
12.3.5　施加位移邊界條件 281
12.3.6　施加載荷 282
12.3.7　提交分析作業 283
12.3.8　結果後處理 284

第 13章 模態分析 286
13.1　模態分析概述及其步驟 287
13.2　翼板的模態分析 287
13.2.1　新建一個數據文件 287
13.2.2　創建模型 287
13.2.3　劃分有限元網格 288
13.2.4　施加邊界條件 288
13.2.5　定義材料屬性 288
13.2.6　定義單元屬性 289
13.2.7　提交分析作業 289
13.2.8　結果後處理 289
13.3　有預應力豎板的模態分析 291
13.3.1　新建一個數據文件 291
13.3.2　創建幾何模型 291
13.3.3　劃分有限元網格 291
13.3.4　施加邊界條件及載荷 292
13.3.5　定義材料屬性 294
13.3.6　定義單元屬性 294
13.3.7　提交分析作業 294
13.3.8　結果後處理 296
13.4　實例——塔模態分析 296
13.4.1　創建數據庫模型 296
13.4.2　提交分析作業 297
13.4.3　查看分析結果 299
13.5　實例——柔性地基的塔模態分析 301
13.5.1　創建數據庫模型 301
13.5.2　創建柔性地基 302
13.5.3　定義單元屬性 303
13.5.4　提交分析作業 304
13.5.5　查看分析結果 306
13.6　實例——含預應力的平板模態分析 306
13.6.1　創建數據庫模型 307
13.6.2　創建幾何模型與網格模型 307
13.6.3　施加邊界條件載荷 308
13.6.4　定義材料屬性 310
13.6.5　定義單元屬性 311
13.6.6　提交分析作業 311
13.6.7　結果後處理 314

第 14章 瞬態響應分析 316
14.1　瞬態響應分析概述及其步驟 317
14.2　實例——車燈瞬態響應分析 317
14.2.1　新建一個數據文件 317
14.2.2　讀入數據文件 317
14.2.3　定義工況 318
14.2.4　創建載荷場 318
14.2.5　施加邊界條件及載荷 319
14.2.6　定義材料屬性和單元屬性 321
14.2.7　提交分析作業 321
14.2.8　結果後處理 322
14.3　實例——汽車車身瞬態響應分析 323
14.3.1　創建數據庫模型 323
14.3.2　創建瞬態分析表 324
14.3.3　創建動態工況 326
14.3.4　施加邊界條件 326
14.3.5　提交分析作業 328
14.3.6　結果後處理 330

第 15章 頻率響應分析 334
15.1　頻率響應分析概述及其步驟 335
15.2　實例——懸臂梁頻率響應分析 335
15.2.1　新建一個數據文件 335
15.2.2　創建幾何模型 335
15.2.3　劃分有限元網格 336
15.2.4　創建工況 336
15.2.5　創建場 336
15.2.6　施加邊界條件及載荷 337
15.2.7　定義材料屬性和單元屬性 337
15.2.8　提交分析作業 337
15.2.9　結果後處理 339
15.2.10　使用模態分析法求解 339
15.3　實例——汽車車身頻率響應分析 341
15.3.1　創建數據庫模型 341
15.3.2　定義MPC單元 341
15.3.3　創建動態工況 342
15.3.4　創建頻響表 343
15.3.5　施加載荷 344
15.3.6　提交分析作業 344
15.3.7　結果後處理 347

第 16章 隨機響應分析 349
16.1　隨機響應分析概述及其步驟 350
16.2　實例——平板隨機響應分析 350
16.2.1　新建一個數據文件 350
16.2.2　創建幾何模型 350
16.2.3　劃分有限元網格 351
16.2.4　創建有限元模型 352
16.2.5　創建非空間場 353
16.2.6　創建載荷工況 354
16.2.7　定義材料屬性 354
16.2.8　定義單元屬性 355
16.2.9　施加載荷及修改邊界條件 355
16.2.10　提交分析作業 357
16.2.11　隨機響應分析 359
16.2.12　創建節點PSD響應的X-Y曲線圖 360
16.3　實例——衛星隨機振動分析 362
16.3.1　創建數據庫模型 362
16.3.2　創建頻響分析表 362
16.3.3　創建動態工況 363
16.3.4　定義強迫加速度 364
16.3.5　設置頻響分析 365
16.3.6　定義隨機響應表 368
16.3.7　隨機響應分析 369

第 17章 非線性分析 372
17.1　非線性分析概述 373
17.2　實例——高壓罐的彈塑性分析 373
17.2.1　新建一個數據文件 373
17.2.2　創建幾何模型 373
17.2.3　劃分有限元網格 376
17.2.4　施加邊界條件及載荷 376
17.2.5　定義材料屬性 378
17.2.6　定義單元屬性 378
17.2.7　提交分析作業 379
17.2.8　結果後處理 379
17.3　實例——圓管變形分析 380
17.3.1　新建一個數據文件 380
17.3.2　創建幾何模型 380
17.3.3　創建pipe的有限元模型 382
17.3.4　定義材料屬性 384
17.3.5　定義單元屬性 384
17.3.6　施加邊界條件及載荷 384
17.3.7　提交分析作業 386
17.3.8　結果後處理 387
17.4　實例——金屬樣件拉伸的材料非線性 389
17.4.1　創建數據庫模型 389
17.4.2　創建網格模型 389
17.4.3　定義材料屬性 391
17.4.4　定義單元屬性 393
17.4.5　施加位移邊界條件 394
17.4.6　提交分析作業 395
17.4.7　結果後處理 396
17.5　實例——橡膠壓縮 398
17.5.1　創建橡膠密封圈模型 399
17.5.2　定義材料屬性 401
17.5.3　定義單元屬性 401
17.5.4　施加位移邊界條件 402
17.5.5　定義接觸體 403
17.5.6　設置分析參數並提交分析作業 404
17.5.7　結果後處理 406
17.6　實例——三維接觸分析 408
17.6.1　創建數據庫模型 408
17.6.2　創建幾何與網格模型 408
17.6.3　定義材料屬性 410
17.6.4　定義單元屬性 411
17.6.5　施加位移邊界條件 412
17.6.6　定義接觸體 413
17.6.7　創建載荷工況 415
17.6.8　設置分析參數並提交分析作業 415
17.6.9　結果後處理 418

第 18章 結構拓撲優化 420
18.1　拓撲優化概述 421
18.2　實例——MBB梁拓撲優化 422
18.2.1　創建分析模型 422
18.2.2　創建拓撲優化模型 423
18.2.3　拓撲優化的後處理 425
18.3　實例——含制造約束的短懸臂梁拓撲優化 427
18.3.1　創建分析模型 427
18.3.2　創建拓撲優化模型 428
18.3.3　拓撲優化的後處理 429
18.3.4　施加拉伸方向的制造約束 430
18.3.5　施加平面對稱的制造約束 431
18.4　實例——連桿拓撲優化 432
18.4.1　創建分析模型 432
18.4.2　創建拓撲優化模型 432

第 19章 熱傳導分析 435
19.1　熱分析基礎 436
19.1.1　熱分析概述 436
19.1.2　熱分析的類型 437
19.2　實例——空間熱輻射分析 437
19.2.1　新建一個數據文件 437
19.2.2　創建幾何模型 437
19.2.3　劃分有限元網格 438
19.2.4　施加邊界條件及載荷 439
19.2.5　定義材料及單元屬性 440
19.2.6　提交分析作業 441
19.2.7　結果後處理 442
19.3　實例——自由對流熱分析 442
19.3.1　新建一個數據文件 442
19.3.2　創建幾何模型 443
19.3.3　劃分有限元網格 444
19.3.4　定義材料及單元屬性 444
19.3.5　施加載荷及邊界條件 445
19.3.6　提交分析作業 446
19.3.7　結果後處理 446
19.4　實例——雙金屬片熱應力分析 447
19.4.1　新建一個數據文件 447
19.4.2　創建幾何模型 447
19.4.3　劃分有限元網格 448
19.4.4　定義材料屬性和單元屬性 449
19.4.5　施加溫度邊界條件 449
19.4.6　提交分析作業 450
19.4.7　結果後處理 450
19.4.8　創建空間場 451
19.4.9　更改分析類型 451
19.4.10　定義材料屬性 451
19.4.11　定義單元屬性 452
19.4.12　創建結構分析工況 452
19.4.13　施加載荷及邊界條件 453
19.4.14　提交分析作業 453
19.4.15　結果後處理 454
19.5　實例——方向熱載荷作用下的熱應力分析 454
19.5.1　新建一個數據文件 455
19.5.2　創建幾何模型 455
19.5.3　劃分有限元網格 456
19.5.4　定義材料屬性 456
19.5.5　定義單元屬性 457
19.5.6　施加載荷及邊界條件 457
19.5.7　提交分析作業 458
19.5.8　結果後處理 459
19.5.9　創建空間場 459
19.5.10　更改分析類型 459
19.5.11　定義材料屬性 459
19.5.12　定義單元屬性 460
19.5.13　創建結構分析工況 460
19.5.14　施加載荷及邊界條件 460
19.5.15　提交分析作業 461
19.5.16　結果後處理 461
19.6　實例——穩態熱傳導分析 462
19.6.1　創建數據庫模型 462
19.6.2　定義材料表 462
19.6.3　定義材料屬性 463
19.6.4　定義單元屬性 463
19.6.5　施加溫度邊界條件 464
19.6.6　提交分析作業 466
19.6.7　結果後處理 467
19.7　實例——瞬態熱傳導分析 468
19.7.1　創建數據庫模型 468
19.7.2　創建幾何模型 469
19.7.3　劃分有限元網格 469
19.7.4　定義材料屬性 470
19.7.5　定義單元屬性 471
19.7.6　創建瞬態分析表 472
19.7.7　創建瞬態工況 473
19.7.8　施加溫度邊界條件 473
19.7.9　提交分析作業 475
19.7.10　結果後處理 477