msc patran从入门到精通

746
Τ 1 MSC.PATRAN&MSC.NASTRAN 使用指南 北京.BUAA 2002.05.11

Post on 04-Jul-2015

348 views

Category:

Documents


25 download

TRANSCRIPT

Page 1: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

1

MSC.PATRAN&MSC.NASTRAN

使用指南

北京.BUAA

2002.05.11

Page 2: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

2

目 录 第 1章 MSC.Software及MSC.Patran介绍

1.1 MSC.Software公司介绍 1.2 什么是MSC.Patran 1.2.1 开放式几何访问及模型构造 1.2.2 各种分析的集成 1.2.3 有限元建模 1.2.4 分析条件定义 1.2.5 结果交互式可视化后处理 1.2.6 高级用户化工具——PATRAN-PCL命令语言 1.3 MSC.Patran的一般使用流程 1.4 MSC.Nastran介绍 1.4.1 静力分析 1.4.2 曲屈分析 1.4.3 动力学分析 1.4.4 非线性分析 1.4.5 热传导分析 1.4.6 空气动力弹性击颤振分析 1.4.7 流-固耦合分析 1.4.8 多级超单元分析 1.4.9 高级对称分析 1.4.10 设计灵敏度及优化分析

1.5 MSC.Patran和MSC.Nastran的安装 1.5.1 MSC.Patran的运行环境 1.5.2 MSC.Patran和MSC.Nastran的安装过程

1.6 与MSC.Patran和MSC.Nastran相关的主要文件 1.7 本章小结

Page 3: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

3

第2章 建立几何模型(Geometry) 2.1 Patran的用户界面及其操作特点 2.1.1 Patran的用户界面 2.1.2 Patran中 Application Widget面板的操作特点 2.2 建立几何模型 2.2.1 Geometry介绍

2.2.2 创建点(Point) 2.2.3 创建曲线(Curve) 2.2.4 创建曲面(Surface) 2.2.5 创建实体(Solid) 2.2.6 建立自己的坐标系(coord) 2.2.7 创建平面和矢量(Plane &Vector)

2.3 编辑几何模型 2.3.1 编辑点(Point) 2.3.2 编辑曲线(Curve) 2.3.3 编辑曲面(Surface) 2.3.4 编辑实体(Solid) 2.4 输入输出几何模型(Import & Export)

2.4.1 输入几何模型 2.4.2 输出几何模型

2.4.3 修复损坏文件的一种方法 2.5 其它几何操作 2.5.1 删除(Delete) 2.5.2 显示信息(Show) 2.5.3 根据以有几何对象创建新的几何对象(Transform) 2.5.4 检查(Verify) 2.5.5 联结(Associate) 2.6 本章小结

Page 4: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

4

第 3章 有限元网格划分(Element) 3.1 Element介绍 3.1.1 Element介绍 3.1.2 MSC.Patran中的单元库 3.2 直接生成有限元网格(Create) 3.2.1 自动网格生成器的分类及其使用范围 3.2.2 网格疏密的控制 3.2.3 网格自动生成的操作过程 3.2.4 几何协调性与有限元网格的协调性 3.3 用别的方法生成有限元网格(Transform、Sweep) 3.3.1 移动、旋转、镜像(Transform) 3.3.2 拉伸、滑动(Sweep) 3.4 手工生成有限元网格(Create)

3.4.1 手工创建节点 3.4.2 手工生成单元 3.4.3 创建超单元 3.4.4 多点约束(MPC)

3.5 对节点、网格或多点约束进行修改(Modify) 3.5.1 编辑修改网格 3.5.2 编辑修改单元 3.5.3 编辑修改梁/杆单元 3.5.4 编辑修改三角形单元 3.5.5 编辑修改四边形单元 3.5.6 编辑修改四面体单元 3.5.7 编辑修改节点 3.5.8 编辑修改网格种子 3.5.9 编辑修改多点约束 3.6 对模型进行检查(Verify、Equivalence)

Page 5: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

5

3.6.1 检查模型(Verify) 3.6.2 消除重复节点(Equivalence)

3.7 其它操作(Renumber、Associate、Disassociate、Optimize、Show、Delete) 3.7.1 重新标号(Renumber) 3.7.2 联结(Associate) 3.7.3 反联结(Disassociate) 3.7.4 优化(Optimize) 3.7.5 显示信息(Show) 3.7.6 删除(Delete)

3.8 网格划分示例 3.9 本章小结 第 4章 有限元模型的载荷及边界条件(Loads/BCs) 4.1 Loads/BCs介绍 4.2 施加边界条件(Create) 4.3 显示、检查边界条件(Show Tabular、Plot Contours、Plot Markers)

4.3.1 以表格方式显示边界条件(Show Tabular) 4.3.2 以云纹图方式显示边界条件(Plot Contours) 4.3.3 以图符形式显示边界条件(Plot Markers) 4.4 修改及删除边界条件(Modify、Delete) 4.4.1 修改边界条件(Modify) 4.4.2 删除边界条件(Delete) 4.5 施加载荷的一个例子 4.6 本章小结 第 5章 材料(Materials)

5.1 Material介绍 5.2 创建材料模型(Create)

5.2.1 创建各向同性材料(Isotropic) 5.2.2 创建 2D正交各向异性材料(2d Orthotropic)

Page 6: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

6

5.2.3 创建 3D正交各向异性材料(3d Orthotropic) 5.2.4 创建 2D各向异性材料(2d Anisotropic) 5.2.5 创建 3D各向异性材料(3d Anisotropic) 5.2.6 创建复合材料(Composite)

5.3 显示创建的材料模型信息(Show) 5.4 修改及删除创建的材料模型(Modify和 Delete)

5.4.1 修改材料属性(Modify) 5.4.2 删除已定义的材料(Delete)

5.5 一些使用技巧 5.5.1 创建自己的材料库

5.5.2 Material Selector的使用 5.6 本章小结

第6章 有限元模型单元的物理特性(Properties) 6.1 Properties介绍 6.2 创建物理特性并施加于单元(Create)

6.2.1 创建 0D单元的物理特性 6.2.2 创建 1D单元的物理特性 6.2.3 创建 2D单元的物理特性 6.2.4 创建 3D单元的物理特性

6.3 显示物理特性(Show) 6.4 修改单元的物理特性(Modify) 6.5 删除单元属性(Delete) 6.6 本章小结

第7章 进行分析(Analysis) 7.1 Analysis介绍 7.2 分析参数的设定及提交分析运算(Analyze)

7.2.1 转换参数设置(Translation Parameters) 7.2.2 分析类型的设置(Solution Type)

Page 7: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

7

7.2.3 直接文本输入(Direct Text Input) 7.2.4 Subcase的定义(Subcase) 7.2.5 选择定义好的 Subcase(Subcase Select)

7.3 读入分析结果(Read Output2、Attach XDB) 7.3.1 读入分析结果(Read Output2) 7.3.2 将计算结果与 Patran相关联(Attach XDB)

7.4 分析模型的优化(Optimize) 7.5 读入 Nastran的输入模型(Read Input File) 7.6 删除分析工作(Delete) 7.7 本章小结

第8章 后置处理(一)(Results) 8.1 Results介绍 8.1.1 结果的定义 8.1.2 Results的功能和限制 8.1.3 Results的一般使用方法 8.2 Results中各种后处理方法介绍(Create)

8.2.1 分析结果的快速显示(Quick Plot) 8.2.2 创建结构变形图(Deformation) 8.2.3 创建云纹图显示(Fringe) 8.2.4 图形符号显示(Marker) 8.2.5 创建 YX坐标曲线图(Graph) 8.2.6 创建动画(Animation) 8.2.7 生成报告(Report) 8.2.8 已有结果再处理(Results) 8.2.9 自由体后置处理(Freebody)

8.3 Results后处理其它操作(Modify、Plot、Delete) 8.3.1 修改显示或报告(Modify) 8.3.2 显示创建的各种图形(Post)

Page 8: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

8

8.3.3 删除处理结果(Delete) 8.4 本章小结

第9章 后置处理(二)(Insight) 9.1 Insight介绍

9.1.1 Insight中的工具 9.1.2 Insight的一般使用步骤

9.2 创建 Insight工具 9.2.1 创建等值面(Isosurface) 9.2.2 其它工具方法的属性设置(Attributes) 9.2.3 Insight Control菜单的使用

9.3 修改和删除已创建的显示工具(Modify、Delete) 9.3.1 修改已创建的显示工具(Modify) 9.3.2 删除已创建的显示工具(Delete)

9.4 本章小结 第 10章 不同工况的处理(Load Cases) 10.1 工矿介绍(Load Case) 10.2 创建及修改工况 10.2.1 创建工况(Create)

10.2.2 修改工况(Modify) 10.3 显示工况(Show) 10.4 删除工况(Delete) 10.5 本章小结 第 11章 场(Fields) 11.1 Fields介绍 11.2 创建场(Create)

11.2.1 创建空间场(Spatial Field) 11.2.2 创建材料属性场(Material Field) 11.2.3 创建非空间场(Non-spatial Field)

Page 9: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

9

11.3 修改、显示和删除场 11.3.1 修改场(Modify) 11.3.2 显示场(Show) 11.3.3 删除场(Delete)

11.4 本章小结 第 12章 XY坐标曲线图管理(XY Plot) 12.1 创建(Create)

12.1.1 创建 XY窗口 12.1.2 创建曲线 12.1.3 创建曲线图的标题

12.2 显示(Post) 12.2.1 显示窗口 12.2.2 显示曲线 12.2.3 显示标题

12.3 修改(Modify) 12.3.1 修改 XY窗口 12.3.2 修改曲线 12.3.3 修改曲线图的标题 12.3.4 修改坐标轴的属性 12.3.5 修改图例

12.4 重命名(Rename) 12.5 删除(Delete) 12.6 本章小结 第 13章 Patran的菜单项 13.1 文件管理(File)

13.1.1 数据库文件基本操作 13.1.2 Utilities菜单项 13.1.3 模型的输入输出

Page 10: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

10

13.1.4 其它文件操作 13.1.5 关闭 Patran

13.2 组(Group) 13.2.1 创建组(Create) 13.2.2 显示组(Post) 13.2.3 修改组(Modify) 13.2.4 移动/拷贝到组(Move/Copy) 13.2.5 设为当前组(Set Current) 13.2.6 由已有的组创建对象(Transform) 13.2.7 删除组(Delete) 13.2.8 将命名属性应用于组(Attributes)

13.3 视窗管理(Viewport) 13.3.1 创建视窗(Create) 13.3.2 显示视窗(Post) 13.3.3 修改视窗的属性(Modify) 13.3.4 删除视窗(Delete) 13.3.5 同时显示所有的视窗(Tile)

13.4 视图操作(Viewing) 13.4.1 移动、旋转和缩放(Transformations) 13.4.2 模型居中(Fit View) 13.4.3 鼠标定位显示(Select Center) 13.4.4 选择局部显示(Select Corners) 13.4.5 缩放视图(Zoom(% of View)) 13.4.6 视点角度(Angles) 13.4.7 用两点确定视角(View From/To) 13.4.8 各方向不同比例缩放(Scale Factors) 13.4.9 命名视图(Named View Options) 13.4.10 切割/投影显示(Clipping/Perspective)

Page 11: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

11

13.4.11 任意面切割(Arbitrary Clipping) 13.5 图形显示特性设置(Display)

13.5.1 实体的颜色、标签和渲染设置(Entity Color/Label/Render) 13.5.2 显示/不显示(Plot/Erase) 13.5.3 高亮度显示(Highlight) 13.5.4 几何对象显示控制(Geometry) 13.5.5 有限元对象显示控制(Finite Element) 13.5.6 边界条件及单元属性显示控制(Load/BC/Elem. Props) 13.5.7 命名属性(Named Attributes) 13.5.8 坐标系(Coordinate Frames) 13.5.9 视窗标题(Titles) 13.5.10 参考彩色谱(Spectrums) 13.5.11 范围(Ranges) 13.5.12 视窗背景颜色设置(Color Palette) 13.5.13 光线设置(Shading) 13.5.14 光源(Light Sources)

13.6 环境设置(Preferences) 13.6.1 分析解算器的选择(Analysis) 13.6.2 全局参数设置(Global) 13.6.3 显示设置(Graphics) 13.6.4 鼠标设置(Mouse) 13.6.5 选择设置(Picking) 13.6.6 报告格式设置(Report) 13.6.7 几何设置(Geometry) 13.6.8 有限元设置(Finite Element)

13.7 工具选项(Tools) 13.7.1 列表选择(List) 13.7.2 计算质量(Mass Properties)

Page 12: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

12

13.7.3 定义梁截面(Beam Library) 13.7.4 定义变量(Model Variables) 13.7.5 设计优化(Design Study) 13.7.6 ABAQUS的“Rebar”定义(Rebar Definition) 13.7.7 调用MSC.Fatigue应用模块(MSC.Fatigue) 13.7.8 层合板设计(Laminate Modeler) 13.7.9 分析管理器(Analysis Manager) 13.7.10 关于网格划分等的补充功能(Pre Release)

13.8 在线帮助(Help) 13.9 本章小结 第 14章 应用实例 14.1 静力分析 14.2 模态分析 14.3 复合材料结构分析 14.4 非线性分析 14.5 热应力分析

14.6 优化分析 14.7 本章小节

附录 A MSC.Patran中数据的输入方法 附录 B Patran各工具栏工具功能列表 附录 C Patran中的单位制 附录 D Patran、Nastran中的坐标系 附录 E MSC的工具集 Utilities

Page 13: MSC PATRAN从入门到精通

第 1章MSC.Software及MSC.Patran

介绍

MSC.Software(MSC.Software Corporation,或写作MSC)公司是世界著名的有限元分析

和计算机仿真预测应用软件 CAE) 供应商之一,其所提供的产品从专为设计工程师校核设计概念而开发的桌面级设计工具,到以完成各类大型复杂工程分析的企业级软件平台,产品

的应用范围非常广泛,包括航空、航天、汽车、船舶、电子、核能等,涉及内容包括结构设

计、静态分析、动态分析、热传导分析、疲劳、运动模拟等,其产品为世界众多著名大公司

使用。 MSC.Software公司的产品众多,有MSC.Patran、MSC.Nastran、MSC.Marc、MSC.Dytran、

MSC.Fatigue、MSC.GS-Mesher、MSC.Visualcollaboration、MSC.RecurDyn、MSC.Mvision、MSC.Thermal 等。其中,MSC.Patran(或写作 PATRAN,MSC.PATRAN)诞生于 1980年前后,是在美国国家宇航局NASA的资助下,孕育并完善的新一代通用计算机辅助工程分析前后置处理器,它率先将工程技术人员从繁重的计算数据准备工作中解脱出来,并能将计算结

果以可视化的方式显示出来,直观而美丽。MSC.Patran拥有良好的用户界面,使用方便,功能强大,在当今强大的硬件基础的有力支持下,产品性能非常优秀。 本章主要内容:

Τ

13

• • • • • •

MSC.Software公司介绍 MSC.Patran软件介绍 MSC.Nastran软件介绍 MSC.Patran的一般使用流程 MSC.Patran的安装 MSC.Patran运行过程中的相关文件介绍

Page 14: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

14

1.1 MSC.Software公司介绍

MSC.Software Corporation(简称MSC.Software)创建于 1963年, 总部设在美国洛杉矶,是享誉全球最大的工程校验,有限元分析和计算机仿真预测应用软件(CAE,Computer Aided Engineering) 供应商,其最早最著名的产品是大型通用结构有限元分析软件MSC.Nastran。 MSC.Nastran 软件始终作为美国联邦航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件。 近十几年来,通过并购重组,资源整合,MSC.Software 迅速膨胀扩大。MSC.Software

公司先后在 1989 年收购闻名于国防、核能和汽车行业的流体 CAE 软件公司 Pisces International,1993年收购著名 CAD供应厂商Aries Technology公司,1994年收购当时全球第二大 CAE公司 PDA Engineers,1998年收购机构动力学和运动学仿真软件公司 Knowledge Revolution,1999年收购顶尖高度非线性 CAE软件公司 MARC,2001年收购了美国AES公司等。并购之后重新整合的MSC.Software产品线从低端桌面级设计工具,向上延伸到中端专业级仿真软件,到最顶层的高端企业级分析平台。2001 年 4 月 MSC.Software 与 IBM/达索(DASSAULT,CATIA)结成全球性战略联盟,共同向客户提供内容广泛的产品生命周期管理PLM(Product Lifecycle Management)集成分析和仿真分析软件包。MSC.Software以其丰富的产品和一流技术,为全球制造业及相关行业提供全套 CAD/CAE/System/Service解决方案,现已占有超过 40%的全球 CAE市场份额,高居MCAE业界前列。2001年以来,随着市场的不断扩大,MSC.Software公司已从纯粹的 CAE公司发展成从 CAD/CAE软件到系统/硬件及工程咨询服务一体化集成,提供一步到位的全方位整体解决方案公司。

MSC.Software公司的产品被广泛应用于各个行业的工程仿真分析,包括国防,航空航天,机械制造,汽车,船舶,兵器,电子,铁道,石化,能源,材料工程,科学研究及大专院校

等各个工业领域,用户遍及世界 100多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构,其中覆盖了全球 92%的机械设计制造部门,97%的汽车制造商和零部件供应商,95%的航空航天公司和 98%的国防及军事研发部门。 其产品作为世界公认的 CAE工业标准,获得各种权威机构的质量认证,例如MSC.Software公司的MSC.Nastran软件获得美国联邦航空管理局(FAA)认证,成为领取飞行器适航证指定的唯一验证软件。MSC.Marc软件通过了 ISO9001质量认证。

Page 15: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

15

21世纪全球经济飞速发展,市场竞争不断加剧,产品更新速度加快。只有拥有和使用先进的设计技术和产品开发工具,制造商才能以最小投入获取最大的利润。贯穿于产品概念设

计、详细设计和制造过程的 CAE 仿真工具对提高产品性能质量起着举足轻重的作用。MSC.Software公司为制造商提供的集软件工具、行业专长和专业化服务的一揽子解决方案,帮助制造商在产品设计定型或生产之前预测、仿真和优化产品的性能质量,改进产品加工工

艺,降低设计成本,节约资金,缩短产品投放市场的时间,大幅提升竞争实力。 从 1993 年以来,MSC.Software 公司开始了在中国的业务拓展,已先后在北京、上海、

成都、深圳建立了四个办事处,形成了包括代理,软硬件合作伙伴及系统集成商在内的广泛

的销售网络和渠道,并在北京、上海、长春、西安和成都等地建立了相应的技术培训中心和

工程咨询中心。形成了以北京技术服务部及工程咨询部为核心, 以MSC.Software上海、成都、深圳办事处、代理和技术培训中心为基地的服务网络,为广大中国用户提供全方位、深

层次的技术服务,并通过每年定期召开的中国用户年会为用户提供横向交流的机会。 为使产品适应中国的工业标准,MSC.Software产品作为与压力容器行业标准(JB4732-95)

相适应的设计分析软件,全面通过了(中国)全国压力容器技术委员会的严格考核认证;

MSC.Nastran 还成为中国船级社指定的船舶分析验证软件(CCS/CC(1997)118 附件)。 MSC.Software 公司还与上海汽车总公司达成合作联盟,大力推广 MSC.Software 产品、技术及咨询服务。

MSC.Software产品几乎覆盖了中国航空航天领域所有的研究结构,设计部门,生产厂家和高等院校,并得到了全面应用。在汽车行业,MSC.Software拥有具有十几年以上应用经验的长期用户。所有国有大中型汽车厂商,合资合作汽车公司以及重点高校汽车学院,均选用

MSC.Software 产品作为汽车国产化设计的标准 CAE 仿真软件。在船舶和海洋工程行业,MSC.Software占据 90%以上的分析市场,在各船舶研究机构,船检局,大型造船厂和高校船舶和海洋工程专业,拥有广泛的用户。MSC.Software的高端非线性产品,在冶金行业极享盛誉,成为各大钢铁公司和冶金院校优化压力加工、焊接和热处理工艺过程的首选工具。

MSC.Software还独享轮胎设计及橡胶密封和减振器市场,在国防,铁道,核能,电子,石化和工程机械行业,均有不俗业绩。为广大中国用户提供全方位、深层次的技术服务。

MSC.Software的高校推广政策,也培育了一大批重点高校,如清华、北大、中国科大、上海交大、北航、北理工、西工大、同济大学、西南交大的用户,为科研和教学提供高

Page 16: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

16

级 CAE工具,取得高水准科研成果,并培养大批工技术应用人才。

1.2 什么是 MSC.Patran

MSC.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。MSC.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 MSC.Patran,可以帮助产品开用户实现从设计到制造全过程的产品性能仿真。

MSC.Patran 拥有良好的用户界面,既容易使用又方便记忆。即使你以前没有使用过MSC.Patran,只要你拥有一定的 CAE软件使用经验,那么你很快可以成为该软件的熟练使用者,这可以使使用者将更多的精力用于自己的工作本身而不是软件。如图 1-1 所示,即为MSC.Patran的用户界面。

Page 17: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

17

图 1-1 MSC.Patran的用户界面

MSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器,具有高度的集成能力和良好的适用性: 模型处理智能化:众多的公司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, MSC.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。 此外, MSC.Patran还提供了完善的独立几何建模和编辑工具, 以使用户更灵活的完成模型准备。 MSC.Patran允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、材料和单元特性, 并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息, 以最大限度地减少设计过程的时间消耗。 所有的分析结果均可以可视化。 自动有限元建模: MSC.Patran 的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具,

同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能, 使用户快速完成他们想做的工作。同时也提供手动和其它有限元建模方法,一满足不同的需求。 分析的集成:MSC.Patran提供了众多的软件接口,将世界上大部分著名的不同类型分析

软件和技术集于一体,为用户提供一个公共的环境。这样可以使用户不必担心不同软件之间

的兼容问题,在其它软件中建立的模型,在MSC.Patran中仍然可以正常使用,非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断, 进行相应的改进,这就大大的提高了工作效率。 用户可自主开发新的功能:用户可将MSC.Patran作为自己的前后置处理器, 并利用其强

大的 PCL(Patran Command Language )语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统, 或单独使用或与其它系统联合使用。这样,MSC.Patran又成为用户二次开发的一个良好平台,可以为用户提供更强大和更专业的功能。 分析结果的可视化处理:MSC.Patran丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的

分析结果,从而找出问题之所在,快速修改,为产品的开发赢得时间,提高市场的竞争力。MSC.Patran能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式,形象逼真、准确可靠。 下面,就MSC.Patran的主要特点分述如下:

1.2.1 开放式几何访问及模型构造

1. 方便的图形用户界面

Page 18: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

18

MSC.Patran采用符合Open Software Foundation (OSF) Motif 标准全新的图形用户界面, 直观的鼠标驱动菜单和表格系统可用于输入命令。 友好的用户界面条理清晰, 最多不超过三级的菜单按"事件"激发, 使用户可随意接通任何分析任务。 丰富的电子表格工具,如弹出或下拉式菜单与表格、滑动条、图形图标、按钮。 "单击和拖动"和多功能屏幕拾取选择等, 可用于输入和管理数据。各类表格均使用普通的工程术语, 而不是特定代码命令语法和缩写,当需要时,辅助表格或自动弹出或自动消失,整个界面系统始终给人一种直观的感觉。

MSC.Patran 基于Motif的图形菜单和电子表格系统不但易学易用, 而且可通过随机的在线帮助系统在工程师手边提供了整个MSC.Patran用户手册并允许快速定位所需信息 随着微机工作站性能的飞速提高,MSC.Software 公司在已有的 UNIX 工作站版本

MSC.Patran基础上,于 1999年年底推出全新的专为Windows NT工作站平台操作系统开发的新版MSC.Patran。该版本的用户界面完全采用典型的NT界面风格,并保留用户所熟悉的原有MSC.Patran的特点。 为便于工程师使用, MSC.Patran的整个用户手册系统全部处于"等待激活状态",并可在分

析任务需要帮助的任意时刻被激活提供读取信息。 具体帮助方法分为主题相关和内容相关两种。在主题帮助中, 用户可简单选取"Help", 并从"内容表"上选择期望的主题信息。一旦选定内容, 文档中相应信息就会出现在屏幕上供用户读取。 内容相关帮助系统提供了与用户感兴趣的主题相关的所有主题信息。通过该方法用户可在MSC.Patran的任何菜单或表格中直接选择并获得帮助。 相应的用户手册内容包含了特定表格及应用程序使用所需的必要信息。

2. CAD几何模型的直接访问 MSC.Patran 作为世界著名的分析前后置处理器,其本身不但可以作为一个完整的应用系

统独立运行, 进行各种复杂模型的实体建模, 而且可以配合不同需求,选用不同模块完成不同的工程分析。 并行 CAE工程的设计思想使MSC.Patran从另一个角度上打破了传统有限元分析的前后

置处理模式, 其独有的几何模型直接访问技术(Direct Geometry Access, 简称DGA)为各种CAD/CAM 软件系统间的几何模型沟通, 及各类分析模型无缝连接提供了完美的集成环境。 使用 DGA技术,应用工程师可直接在MSC.Patran框架内访问现有 CAD/CAM系统数据库,读取、转换、修改和操作正在设计的几何模型而无需复制。 MSC.Patran 支持的不同的几何转换标准, 包括: Parasolid, ACIS, STEP, IGES等格式,而在新的版本中,MSC.Patran甚至可以

Page 19: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

19

• • • • • • • • • • • • • • • •

直接读取 CATIA的几何模型文件。 有限元分析模型可从 CAD 几何模型上快速地直接生成, 用精确表现真实产品设计取代

以往的近似描述,进而省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的传统过程, MSC.Patran所生成的分析模型 (包含直接分配到 CAD几何上的载荷、 边界条件、 材料和单元特性)将驻留 MSC.Patran的数据库中, 而 CAD几模型将继续保存在原有的 CAD/CAM系统中, 当相关的设计模型存储在MSC.Patran中并生成有限元网格时, 原有的设计模型将被"标记"。 设计与分析之间的相关性可使用户在MSC.Patran中迅速获知几何模型的任何改变, 并能重新观察新的几何模型确保分析的精度。

MSC.Software 公司在世界范围内与先导的 CAD/CAM 软件供应商建立了紧密而重要的合作关系,从而实现了"并行工程"和DGA技术,其能够保证用户在同步的工程环境下从一个或多个 CAD系统中获取 CAD信息。这些先导的 CAD/CAM软件包括:

CADDS 5 CoCreate CATIA AutoDesk MDT EUCLID 3 Bravo Pro/ENGINER CADKEY Unigraphics IronCad SolidWorks MSC/ARIES SolidEdge TurboCAD SolidDesigner Vellu

对于任意其它 CAD均可依据其所遵循的标准进行访问。以上读入的 CAD信息包括: 几

Page 20: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

20

• • • • •

• •

• • • • • • • •

何点、 曲线、 曲面和实体、 Unigraphics的特征。 其中, 对于Unigraphics的特征不但可以读入MSC.Patran,而且可以在MSC.Patran中根据分析的要求进行更改, 随后特征仍可返回UG供 CAD设计修改使用。

MSC.Patran Express 中间文件可用于在不同平台之间传递几何模型, 读入 MSC.Aries的几何模型。 IGES文件主要用于任意 CAD的几何数据的输入和输出, 其中当然也包括有限元和相关坐标系信息。

3. 强大的几何造型功能 MSC.Patran提供了一系列的几何造型和编辑功能。 不但可以编辑读入的 CAD几何,对

其划分有限元网格,而且可以独立创建各种复杂的几何模型。 统一的菜单形式提供了以下主要建模功能: 支持的几何要素包括: 点 曲线 曲面 实体 Trimmed

裁剪曲面 三参数实体 B-rep实体

多种生成选项包括: 平移或拷贝、转动、比例缩放、镜象 滑动拉伸、法向拉伸 抽取点、线、面 导角 直接定义 XYZ坐标 任意方向拉伸、旋转生成 复杂要素分解为简单要素 要素相交产生新的要素

Page 21: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

21

• • • • •

• • • •

重叠在指定的面上产生线、面 投影点、线、面 由有限元网格生成曲面 通过组的变换生成几何项 几何项序号的重新排序

此外还包含了曲线、曲面合并功能; 任意的局部坐标系设定选项(笛卡儿、圆柱和球坐标)、 重心、形心、转动惯量等几何模型的质量和几何特性计算。

1.2.2 各种分析的集成

作为优秀的前后置处理器, MSC.Patran 提供了按“事件分类”的分析解算器选择功能, 使MSC.Patran 的分析集成系统达到一崭新的水平。分析选择可根据不同分析软件(包MSC.Patran自己提供的商品化应用分析模块) 设置不同的工作环境, 可满足用户对使用效益和集成的需求,而无需再象以前那样当一个模型要进行不同的分析时必须针对不同的分析软

件的特点重复建模。 MSC.Patran界面内可直接选择的求解器如表 1-1所示。 表 1-1 MSC.Patran可直接选择的求解器

MSC.Nastran MSC.Superforge MSC.Fatigue

MSC.Dytran MSC.Mvision Star-CD

MSC.Droptest CFX Fluent

MSC.Marc ABAQUS ANSYS

MSC.Filghtloads and Dynamics LS-DYNA3D PamCRASH

SAMCEF SINDA

另外,MSC.Patran还可以选择自身的求解器和分析功能,包括: 通用结构分析 PATRAN-FEA 非线性结构分析 PATRAN-AFEA 专业热分析包 PATRAN-THERMAL 专业疲劳分析包 PATRAN-FATIGUE

Page 22: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

22

• •

• • • •

高级分析管理器 PATRAN-Analysis Manager 高级层板复合材料建模器 PATRAN-LAMINATE MODELER

中性文件选择可以使MSC.Patran方便地与任何第三方分析器集成。一方面用户可通过中性文件选择与其它第三方分析求解器进行连接, 另一方面可通过 MSC.Patran 强大的 PCL 功能直接将用户自编的软件嵌入MSC.Patran的框架系统。 一旦工程师在MSC.Patran中设定了分析选择, 其工作环境会自动地定义到与所选择的分析软件相应匹配的状态, 提示工程师每一步分析所有必需的数据,如MSC.Nastran工程师可不必离开MSC.Patran即可进行各种分析计算,此时MSC.Patran为使用MSC.Nastran提供了大量特定的菜单和表格,供输入数据使用,包括单元、材料类型和特性、 载荷、 边界条件与求解类型及参数。 当用户拥有不同的分析软件时, 用户只需在MSC.Patran中建立一个模型即可通过分析选择不同的分析软件进行计算校核, 而不必象以往那样针对不同的分析软件构造不同的分析模型。如当工程师选用MSC.Nastran的分析模型进行结构分析时,可切换分析选择器到MSC.Marc使用同一模型进行非线性热分析。制造商通常使用多种不同的分析代码, MSC.Patran的"分析选择"提供了一种有效的同时使用这些软件的方法。

1.2.3 有限元建模

MSC.Patran 提供了功能全面, 方便灵活的可满足各种分析精度要求的复杂有限元的建模功能。 其综合、全面、先进的网格划分技术,为用户根据不同的几何模型提供了多种不同的生成和定义有限元模型工具, 包括多种网格划分器。 有限元模型的编辑处理、单元设定、任意梁截面建模、边界和载荷定义以及交互式计算结果后处理。

1. 多种网格生成器 在一项工程分析中, 人们经常要花费很多时间划分有限元网格。 MSC.Patran提供了针对

不同分析目的的多种网格处理器, 帮助设计人员快速生成分析用的有限元网格。 这些网格生成器包括:

快速曲面网格划分器: 任意 2D曲面网格生成和缝合 用户定义局部或全局单元尺寸 网格自动光顺以确保网格质量

Page 23: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

23

• • • •

• • •

• •

• • • • • • •

• • • • • • •

网格密度控制,包括曲率检查 无曲面的面网格 先进的算法保证在边界和特殊区域的网格形状最佳 p-单元算法产生较少的单元以用于 p-单元的方法分析

自动实体单元网格划分器: 四面体网格 任意几何体 3D网格划分 强大的网格密度控制功能,包括曲率控制和基于邻近面的网格划分(Proximity-based

Meshing) 先进的算法保证在边界及重要区域网格有最佳形状 四面体网格诊断信息详尽,能准确定位几何缺陷

可靠的映射网格划分器: 通用 1D、2D、3D有限元网格划分 单一命令多种网格划分选项 均匀、非均匀(包括单方向、双方向、及基于曲率的网格划分) 控制 网格过渡控制 网格种子控制 用户控制的网格光顺处理 两条线之间产生面单元

扫成网格生成器: 1D、2D和 3D 单元可从低一阶次的单元扫略形成,扫略方法有很多种,包括: 圆弧方向 柱面径向 拉伸 球面径向 滑动 滑动、导轨、法向 球面周向矢量域(field)

Page 24: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

24

在拓扑相近的四边形网格之间蒙出实体单元,强大的单元库包括线性、二阶、及三阶单

元,如表 1-2所示。

表 1-2 MSC.Patran所提供的有限元单元形式

单元形状 节点数

杆 2 3 4

三角形 3 4 6 7 9 13

四边形 4 5 8 9 12 16

四面体 4 5 10 11 14 15 16 40

楔形单元 6 7 15 16 20 21 24 52

六面体 8 9 20 21 26 27 32 64

特殊单元类型包括: 质量单元 •

• • • • •

• • • • • •

弹簧元 阻尼单元 弹性支撑 自由度集 多点约束(MPC)

2. 有限元模型的编辑处理 除优异的网格划分技术外, MSC.Patran还拥有一些独特的网格处理功能,将进一步大大方

便用户的使用, 如网格的优化处理、单元验证试验、节点和单元编辑等。 具体包括: 自动硬点生成 自动产生高阶单元的边中、面中、或中心节点 单元平移、转动、镜象和比例缩放以及复制和管理单元 节点和单元的修改编辑 单元细化 一个几何体多种不同网格划分并存在于同一个数据库

Page 25: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

25

• • • • •

• • •

• • •

节点号、单元号、及其偏置用户可完全控制 方便的选项可用来产生位置重合的节点,用于生成零长度单元, 如间隙单元和滑移线单

元。 重合节点自动消除功能选项包括: 根据拓扑或几何关系 用于检查重合的节点可根据组定义、个别选择或整个模型 检查单元不连续和特殊单元 预览将删除的重合节点 选择节点不进行重合检查

3. 单元检查 为了确保所有分析模型的完整性,一般要对模型进行单元检查,其主要包括以下内容: 壳单元的细长比、翘曲、扭曲、阶梯性及法向的一致性检查 高阶壳单元的法向和切向偏置检查 实体单元的细长比、内角、扭曲、表面扭曲、表面阶梯性、表面翘曲、四面体间隙、

单元连接、及重合检查 雅可比测试 单元特性、材料、及边界条件的图形显示 单元自由边和自由面的图形显示

有限元网格可以随时与几何点、线、面或体相关联,这对生成网格时未做几何关联或网

格从外部读入的情况非常有用。 另外还可通过组的变换生成网格, 或利用别的单元的表面或边生成新的单元。 节点可投影到平面、曲面、曲线或指定的空间位置; 单元网格可进行打开和闭合控制。 在 MSC.PATRAN中,函数赋值既可以用于施加载荷和边界条件,又可用于材料和单元特

性的定义。 4. 任意梁截面定义 梁作为工程领域最为常用的一种结构形式, 在结构分析中也因此占据了十分重要的地

位。 如何高效地处理梁的或板梁实体组合的有限元模型是所有结构分析工具必须面临的问题。 人们以往由于工具的限制都是将三维简化成一维来处理, 经常会造成空间梁的摆放位置和方向错误, 使得计算失去意义。

Page 26: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

26

• • • • • •

• • • • • • •

在 MSC.Patran中设计人员可十分方便的处理各种梁或梁的有限元组合模型。 对于通用的标准梁截面,如“I”型、“L”型等,MSC.Patran 内嵌的梁单元库中均以参数的方式提供给用户, 并通过三维摆放保证分析模型的正确性。 更为重要的是除常规梁单元库外, MSC.Patran 还特别提供了任意梁截面计算和模型处理

方法。使得设计工程师能够随心所欲地选择各种形状的梁截面,设计出他们认为更合理的结

构产品, 而不是苦于如何简化梁模型。

1.2.4 分析条件定义

当网格划分完成之后,紧接着就需要在分析模型上定义相应的单元特性、 材料特性、载荷及边界条件。MSC.Patran全面的分析模型定义功能可将各种分析信息(单元、材料、载荷、边界条件等)直接加到有限元网格或任何 CAD几何类型上。 如果分析信息定义到 CAD几何模型上, 单元和材料特性、载荷和边界条件将与几何保持相关性, 并且当网格改变或修改时无需重新定义。

1. 载荷边界条件 结构分析所施加的载荷和边界条件可直接作用于几何或有限元模型上, 具体包括: 连续,集中于一点 沿一条边 在一个平面、柱面或球面内 通过一个曲面 通过一个实体

分析用到的载荷和约束选项非常丰富,主要包括: 力和力矩 压力和面分布力 强迫位移或约束 温度 点、面或体积热源 对流 热通量

Page 27: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

27

• • • • • •

• • •

此外,其它功能还包括: 多个点或单元与其它点或单元相联系的表格可由用户输入区域;数学函数表达的域可用于施加变化载荷;不同的有限元网格之间计算结果插值,如热-结构, 多个载荷和边界条件作用时产生多个工况。

2. 材料 MSC.Patran中定义了多种材料模型,其本囊括了当前工程中所使用的各种材料类型: 各向同性 正交各向异性 各向异性 复合材料 热各向同性 热正交各向异性和热各向异性

对于密度和材料主方向随空间位置变化的,可直接加在几何或有限元模型上。 复合材料特性包括:

对称和反对称层合板复合材料 Halpin-Tsai准则 短纤维复合材料

相关材料性质还包括应力、应变、应变率、温度、或频率相关;每个特性定义可有多达

96个特性输入位置;所有数据均可用彩色图显示出来以检查;每个特性值均自动根据分析器被指定一个名字。

MSC.Software 公司独有的 MSC.Mvision 材料数据库信息系统可完全集成到 MSC.Patran中,并通过MSC.Patran MATERIALS SELECTOR材料选择器将来自材料数据库的材料信息直接嵌入到有限元模型或 CAD 几何模型中。如非金属材料、复合材料、塑料、陶瓷、各类金属及合金材料的性能及制造特性信息等。目前 MSC.Software 公开发售的 MSC.Mvision 材料数据库信息系统包括来自全球各地各大材料制造商(公司)、材料研究机构、 国防及军事研制部门、 航空航天材料试验中心等等数万种材料信息(含各类的材料性能数据、试验环境数据、表格、成分、图象、供应厂商、材料牌号等)。对于更为复杂的材料,如定义诸如时间、

载荷和温度相关材料特性还可通过 MSC.Patran 的 PCL 宏命令语言完成, 既可直接显示在MSC.Patran模型上, 亦可用电子表格或坐标图表示。

Page 28: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

28

• • • • • • • • • • • • • • • •

• • •

• •

1.2.5 结果交互式可视化后处理

MSC.Patran提供了多种计算分析结果可视化工具,帮助工程师灵活、快速地理解结构在载荷作用下复杂的行为, 如结构受力、 变形、温度场、 疲劳寿命、 流体流动等。 分析的结果同时可与其它有限元程序联合使用。 其主要功能包括: 多种结果彩图显示类型: 等值图 彩色云图 连续色彩云带 混合云带 单元填充显示 矢量 张量显示 值显示 变形形状 等值面 流线 流面 记号显示 x-y曲线 阀值 灵活的参考彩色谱对照表

输出的结果颜色范围可按以下方法定义: 半自动 手工 显示出最小、最大、或同时显示出最小和最大值

组合结果值选项包括: 在单元中心或节点显示 节点结果仅在可见的表面显示

Page 29: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

29

• • • •

• • • • • •

• • •

• • • • • •

• •

仅显示用户选定的节点和单元的结果 屏幕显示的标题选项包括: 自动或手工屏幕定位 大小和颜色可调 显示开关 与硬件相关的实体消隐及连续云图瞬态动画

输出图形格式包括: BMP JPEG MPEG 动画文件 PNG TIFF VRML

结果显示可以将变形后的几何叠加在未变形的几何上同时显示出来: 线框或隐藏线方式 变形动画 可调的显示放大因子

结果显示可按等值线或云图方式叠加在变形或未变形的消隐几何上,任何与时间或载荷

步有关的结果都可以做线框、隐藏线和消隐实体方式的动画显示,包括: 模态 变形 等值线 云图 连续云图 单元填充结果动画

多种张量和矢量显示方式: 节点和/或单元结果的幅值、方位和方向显示 叠加在变形或未变形的几何上

Page 30: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

30

• • • •

• • • •

• • • • • • • •

• •

• •

• • •

可选择标号显示 可用色图或单色图显示张量 可加一比例因子 可在总体坐标、单元坐标、外部单元文件和其它坐标系里显示

沿梁单元的结果分布可用 x-y曲线方式显示: 可同时显示多达三个结果曲线 测量计算导出结果(剪力、力矩)时第一个单元和最后一个单元的距离 结果可在梁单元的任何一点导出和显示 曲线可以是由一个结果对另一个结果或总体变量沿任一路径产生

利用图象功能绘制结果图: 任意选取的节点或单元结果现示 标出最小和/或最大值 显示所有结果 切面显示 不同参考彩色谱显示 任意多个视窗显示 强大的标号显示控制 对所有显示内容生成硬拷贝图象

X-Y 曲线支持键盘和外部文件多种输入方法, 且输入格式十分灵活, 包括: X-Y 数据成对输入 仅输入 Y数据而 X数据按给定的增量自动增加

同时可有多个曲线窗: 曲线窗可相互覆盖 曲线窗大小可调

每个曲线窗可有无数条曲线: 数据可按分散点、折线、小方块 或样条线的形式显示 曲线的颜色、风格(实线、点线或虚线)及宽度可调 15种曲线标识符号

Page 31: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

31

• •

• •

• •

曲线坐标轴的定义: 颜色、风格(实线或虚线)、宽度和长度可调

图注: 颜色、尺寸、边线、背景色、及显示内容的多少可任选

标题: 整个屏幕、每个曲线窗、每个坐标轴、每条曲线及每个图注均可给定标题 标题字体和颜色可调

X 和 Y轴比例可调: 线性或对数坐标 可自动、手工或给定一个范围来产生

按压力容器 ASME规范的数据后处理 为了适应压力容器行业对于规范设计的要求, MSC.Patran 的后处理中专门提供了符合相

应规范要求(包括中国压力容器规范)的分析结果处理器。 可进行规范要求的应力线性化分类及疲劳寿命计算等多种数据结果后处理, 大大简化了设计人员的工作量。 由于MSC公司的ASME规范是通过PCL作用在MSC.Patran框架系统的顶层, 因此可用

于包括MSC公司自身产品在内的MSC.Patran所支持的任何结构分析及用户自编工具。

1.2.6 高级用户化工具——PATRAN-PCL命令语言

MSC.PATRAN 命令语言 (PCL,Patran Command Language) 是 MSC.PATRAN一个高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具, 类似于 C语言和 FORTRAN语言,又具有一些 C++语言的特性,可用于生成应用程序或特定的用户界面,其提供了数万个函数,特别适用于 CAE软件的开发。 显示自定义图形、 读写 PATRAN数据库、建立新的或增强功能。 同时,通过 PCL语言,其它商品化或自编分析程序可被集成到 MSC.PATRAN软件系统中。 几乎所有的分析仿真软件均利用被业界公认为标准的PCL工具, 建立了与PATRAN的直接集成关系, 甚至通过 OEM将 PATRAN作为其分析系统的前后处理器。

PCL 的主要功能包括: 命令行表达式输入 可编译的命令库函数

Page 32: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

32

• • • •

• • • • • • • • • • • •

丰富的表格及菜单库供开发用户图形界面 递归的子程序和函数调用 同类函数归于一个类 条件分支语句

IF, THEN, ELSE SWITCH, CASE, DEFAULT BREAK, CONTINUE 条件循环语句

REPEAT, UNTIL WHILE, END WHILE FOR, TO, BY, END FOR LIST, END LIST 用户可定义的表格生成功能使用户的 PCL函数可通过菜单选项来执行 数据库的访问存取工具 整型、实型、逻辑型、字符串变量及常数 局部、全局、静态变量及类变量 任意变量类型的数组 虚拟内存数组及数组内存管理功能 跟踪调试工具 数组排序和搜索 字符串函数包括大小写转换和缩写检查 二进制及文本文件读写功能 多种数学函数程序 丰富的图形函数

绘点、线、虚圆或实圆、虚方块或实方块、虚多边形或实多边形 在任意位置显示文本 改变图形寄存器 模型管理程序:

Page 33: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

33

比例缩放 转动 旋转 平移 系统实用工具

通过以上介绍,已基本说明了MSC.Patran的结构、特点和应用,下面,将介绍MSC.Patran的一般使用流程。

1.3 MSC.Patran的一般使用流程

MSC.Patran具有非常友好的使用界面,该界面上显著位置的一行工具栏,如图 1-2所示(参见图 1-1),是该软件使用中应用最多的工具,其每一项都对应一个操作面板,用于实现相应的操作,完成一定的功能。

图 1-2 MSC.Patran的主要工具栏

MSC.Patran的一般使用流程,归结起来如图 1-3所示。

Page 34: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

34

图 1-3 MSC.Patran的一般使用流程

(1)建立几何模型:首先应建立几何模型,或者从其它 CAD软件中直接读入,再利用图 1-2 的【Geometry】工具栏打开【Geometry】面板,用该面板中提供的功能,对读入的模型进行编辑修改,例如,MSC.Patran可直接读入 CATIA的.model。几何对象将以图形的形式显示在编辑区中。 (2)选择分析解算器:不同的分析程序间虽然有许多共性,比如几何、有限元网格划分、

模型检查等,但在材料本构、单元类型、分析过程等方面都有各有特点,因此,在创建分析

模型前,一定要选定所要用的分析程序。在完成几何模型后,应该确定本次工作要进行那种

类型的分析,比如线性静态计算,根据所要进行的分析的类型,选用适当的解算器,在

【Preferences】菜单中,用【Analysis】菜单项打开【Analysis Preference】面板,从中选用适当的结算器(当然,应该保证该解算器已经被正确安装), MSC.Patran 的基本解算器是

Page 35: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

35

MSC.Nastran,也是缺省的设置。 (3)建立有限元分析模型:做完了以上工作,就应该在几何模型的基础上建立有限元分

析模型了,有限元模型的建立,主要用到图 1-2 中的工具栏 【Element】、【Loads/BCs 】、【Materials】和【Properties】项,打开相对应的面板,分别执行网格划分、载荷/边界条件定义、材料定义和属性加栽操作。【Element】工具栏主要用于有限元网格的划分,点击该项,在屏幕的右侧则会弹出【Finite Elements】面板,可执行网格划分的各种操作,例如选用网各类型,选取划分网格的方法,对划分好的网格进行编辑修改等。【Loads/BCs】工具栏用于定义模型的载荷和边界条件,MSC.Patran支持多种载荷形式和边界条件。【Materials】工具栏用于定义或选用材料,MSC.Patran中定义了多种材料模型,如各向同性材料,正交各向异性材料,各向异性材料,复合材料等。【Properties】工具栏则是将材料属性、单元类型与具体的网格相结合,给网格施加物理属性。之后,应该对模型进行检查,以防止出现错误或遗漏。 (4)递交计算:设置与计算相关的求解程序及参数,即可递交运算了,相对应的工具栏

是【Analysis】,当运算完成后,会产生相应的输出文件。 (5)后置处理:读入分析结果输出文件,通过【Results】和【Insight】后处理工具,即

可以图形,动画,曲线等多种形式显示计算结果了。在后处理阶段,可以清楚地看到如应力

应变分布、变形情况、变形过程等,形象逼真。 以上介绍了 MSC.Patran 的基本操作流程,详细内容见本书相应章节。由于 MSC.Patran

界面的友好,操作起来非常方便,其过程也不复杂,即使是新手也很容易上手。

1.4 MSC.Nastran介绍

MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一个大型结构有限元分析软件,其第一个版本是于 1969年推出的NASTRAN Level 12,经过几十年的不断发展和完善,目前最新版本是V2001。

MSC公司自 1963年开始从事计算机辅助工程领域 CAE产品的开发和研究, 1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求,主持开发大型应用有限元程序的招标,MSC中标并参与了整个 NASTRAN的开发过程。1969年 NASA推出了其第一个NASTRAN版本 NASTRAN Level 12。 1973年NASTRAN Level 15.5发布,

Page 36: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

36

MSC公司被指定为 NASTRAN的特邀维护商。 1971年, MSC公司对原始的NASTRAN做了大量改进, 采用了新的单元库、增强了程序

的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运算方法做重大改进, 即而推出了自己的专利版本: MSC.NASTRAN。1989 年 MSC 公司发布了经革命性改良的MSC.NASTRAN 66版本。 该版本包含了新的执行系统、高效的数据库管理、自动重启动及更易理解的DMAP开发手段等新特点,同溶入许多当今世界上 FEM领域最杰出的研究成果,使MSC.NASTRAN变得更加通用、更加易于使用。 之后,MSC公司对NASTRAN不断进行改进和升级,先后推出了MSC.NASTRAN V67.5、

MSC.NASTRAN V68、MSC.NASTRAN V68.2、MSC.NATRAN V69、 MSC.NASTRAN V70、 MSC.NASTRAN V70.5、MSC.NASTRAN V70.7等, 其性能和适用性都有了质的飞跃。2001年,MSC公司推出了其最新版本MSC.NASTRAN V2001。

MSC.NASTRAN具有很高的软件可靠性、品质优秀, 得到有限元界的肯定,众多大公司和工业行业都用MSC .NASTRAN的计算结果作为标准代替其它质量规范。MSC.NASTRAN具有开放式的结构,全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活

性,使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外, MSC .NASTRAN还为用户提供了强大的开发工具 DMAP语言。 针对实际工程应用, MSC.NASTRAN中有近 70余种单元独特的单元库。所有这些单元可

满足 MSC.NASTRAN 各种分析功能的需要, 且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后, MSC.NASTRAN 即可进行分析, 如动力学、 非线性分析、灵敏度分析、热分析等等。此外,MSC.NASTRAN 的新版本中还增加了更为完善的梁单元库, 同时新的基于 P 单元技术的界面单元的引入, 可有效地处理网格划分的不连续性(如实体单元与板壳单元的连接), 并自动地进行MPC约束。MSC.NASTRAN的 RSSCON连接单元可将壳-实体自动连接, 使组合结构的建模更加方便。 现就MSC .NASTRAN的主要功能介绍如下:

1.4.1 静力分析

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段, 主要用来求解结构在静力载荷(如集中/分布静力、温度载荷、 强制位移、惯性力等)作用下的响应, 并得出所需的节点

Page 37: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

37

位移、 节点力、 约束(反)力、 单元内力、 单元应力和应变能等。 该分析同时还提供结构的重量和重心数据。 MSC.NASTRAN 支持全范围的材料模式,包括: 均质各项同性材料,正交各项异性材料, 各项异性材料,随温度变化的材料。方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、热载荷、强迫位移,各种载荷的加权组合,在前后处理程序MSC.PATRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。 在静力分析中除线性外, MSC.NASTRAN 还可处理一系列具有非线性属性的静力问题,

主要 分为几何非线性, 材料非线性 及考虑接触状态的非线性如塑性、 蠕变、 大变形、大应变和接触问题等(需非线性模块, 进一步信息见后有关部分)。

1.4.2 屈曲分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,

MSC.NASTRAN中屈曲分析包括: 线性屈曲和非线性屈曲分析。线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析;线性屈曲分析可以考虑固定的预载荷,也可使用惯性释放;非线性屈曲分析包括

几何非线性失稳分析, 弹塑性失稳分析, 非线性后屈曲(Snap-through)分析。在算法上 ,MSC.NASTRAN 采用先进的微分刚度概念 ,考虑高阶应变 -位移关系 , 结合MSC.NASTRAN特征值抽取算法可精确地判别出相应的失稳临界点。该方法较其它有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。此外,MSC.NASTRAN 提供了另外三种不同的 Arc-Length 方法特别适用于非稳定段和后屈曲问题的求解,不但可帮助分析准确地找出失稳点而且还可跟踪计算结构的非稳定阶段及后屈曲点后的响应。

1.4.3 动力学分析

结构动力学分析是 MSC.NASTRAN的主要应用之一。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响,同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。 全面的MSC.NASTRAN动力学分析功能包括: 正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响

应分 析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击波分析、动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模, 可选择MSC.NASTRAN不同的动力学方法加以求解。例如,在处理大型结构动力学问题时,可采用特征缩减技术使解题效率大为提高。 为求解动力学问题, MSC.NASTRAN提供了求解所需的动力和阻尼单元,如瞬态响应分析

的非线性弹性单元、各类阻尼单元、(噪) 声学阻滞单元及吸收单元等。阻尼类型包括: 结

Page 38: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

38

构阻尼、材料阻尼、不同的模态阻尼(含等效粘滞阻尼)、(噪)声阻滞阻尼和吸收阻尼、 可变的模态阻尼(等效粘性阻尼,临界阻尼的分数,品质因数)、离散的粘性阻尼单元、随频率变化的非线性阻尼器以及动力传递函数,直接矩阵输入、动力传递函数定义等。MSC.NASTRAN可在时域或频域内定义各种动力学载荷, 包括动态定义所有的静载荷、强迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延时、 时间窗口、解析显式时间函数、实复相位和相角、作为结构响应函数的非线性载荷、基于位移和速度的非线性瞬态加载、 随载荷或受迫运动不同而不同的时间历程等。 模态凝聚法有 Guyan凝聚(静凝聚),广义动态凝聚,部分模态综合,精确分析的残余向量。

MSC.NASTRAN的高级动力学功能还可分析更深层、更复杂的工程问题如控制系统、流固耦合分析、传递函数计算、输入载荷的快速富里叶变换、陀螺及进动效应分析(需DMAP模块)、模态综合分析(需 Superelement模块)。所有动力计算数据可利用矩阵法、位移法或模态加速法快速地恢复, 或直接输出到机构仿真或相关性测试分析系统中去。

MSC.NASTRAN 的主要动力学分析功能如:特证模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模

态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下: 正则模态分析

用于求解结构的自然频率和相应的振动模态,计算广义质量, 正则化模态节点位移,约束力和正则化的单元力及应力,并可同时考虑刚体模态。如线性模态分析(实特征值分析),考虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析,(预应力状态下的模态分析)等。

复特征值分析 复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型, 分析过程与实特征值分

析类似。 此外 NASTRAN 的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。复特征值抽取方法包括直接复特征值抽取和模态复特征值抽取两种

瞬态响应分析(时间-历程分析) 瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应,分为直接瞬态

响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。 随机振动分析

该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。对于例如地震波,海洋波,

Page 39: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

39

飞机或超高层建筑物的气压波动,以及火箭和喷气发动机的噪音激励,通常人们只能得到按概率分布的函数,如功率谱密度(PSD)函数, 激励的大小在任何时刻都不能明确给出,在这种载荷作用下结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。MSC.NASTRAN 中的 PSD可输入自身或交叉谱密度, 分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关函数及响应的 RMS值等。

响应谱分析 响应谱分析(有时称为冲击谱分析)提供了一个有别于瞬态响应的分析功能,在分析中结

构的激励用各个小的分量来表示, 结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大响应的组合。

频率响应分析 频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计

算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度,虚部代表响应的相角。 直接频率响应分析:直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程, 得出各频率对于

外载荷的响应。 该类分析在频域中主要求解二类问题。第一类问题是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼,分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。第二类问题

是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度所定义。而结构

载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移。加速度。 约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。 模态频率响应:模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的二类问题与直接频率

响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽咯阻尼的实特征值分析进行了压缩,然后用模态坐标建立广义刚度和质量矩阵。该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。

声学分析 MSC.NASTRAN中提供了完全的流体-结构耦合分析功能。 这一理论主要应用在声学及

噪音控制领域,例如车辆或飞机客舱的内噪音的预测分析。

1.4.4 非线性分析

在大很多情况下,结构响应与所受的外载荷并不成比例。 由于材料的非线性,接触的存

Page 40: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

40

在,就牵扯到非线性的问题。要解决这些问题,就必须考虑材料和几何、边界和单元等非线性因素。 MSC.NASTRAN 的非线性分析功能为是一个十分有用的工具。通过精确的非线性分析,可以提高材料利用率,减轻结构重量,应用非常广泛,如解决高温下的蠕变问题,轮胎

与道路的接触、齿轮、垫片或衬套等。 几何非线性分析

几何非线性分析研究结构在载荷作用下几何模型发生变形、如何变形、几何变形的大小

等问题。所有这些均取决于结构受载时的刚性或柔性。非稳定段过度、回弹,后屈曲分析的研究都属于几何非线性的应用。 在几何非线性分析中, 应变位移关系是非线性的,这意味着结构本身会产生大位移或大的

转动,应力应变关系或是线性或是非线性。 对于极短时间内的高度非线性瞬态问题,大应变及显式积分等MSC.DYTRAN 可以进一步对MSC.NASTRAN进行补充。 在几何非线性中可包含:大变形、 旋转、 温度载荷、 动态或定常载荷、拉伸刚化效应等。

材料非线性分析 当材料的应力和应变关系是非线性时要用到这类分析。 包括非线性弹性(含分段线弹

性)、超弹性、热弹性、弹塑性、塑性、粘弹/塑率相关塑性及蠕变材料,适用于各类各向同性、各向异性、具有不同拉压特性(如绳索)及与温度相关的材料等。

非线性边界(接触问题) 平时我们经常遇到一些接触问题,如齿轮传动、冲压成形、橡胶减振器、紧配合装配等。

当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。由接触产生的力

同样具有非线性属性。对这些非线性接触力, MSC.NASTRAN 提供了两种方法: 一是三维间隙单元(GAP),支持开放,封闭或带摩擦的边界条件;二是三维滑移线接触单元, 支持接触分离,摩擦及滑移边界条件。另外,在 MSC.NASTRAN 的新版本中还将增加全三维接触单元。

非线性瞬态分析 非线性瞬态分析可用于分析以下三种类型的非线性结构的非线性瞬态行为:考虑结构的

材料非线性行为;几何非线性行为(如大位移,超弹性材料的大应变,追随力);边界条件的

非线性行为(如结构与结构的接触,缝隙的开与闭合,考虑与不考虑摩擦,强迫位移)。 非线性单元

Page 41: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

41

除几何、材料、边界非线性外, MSC.NASTRAN还提供了具有非线性属性的各类分析单元如非线性阻尼、弹簧、接触单元等。 非线性弹簧单元允许用户直接定义载荷位移的非线性关系。

1.4.5 热传导分析

热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性,利用

MSC.NASTRAN 可以计算出结构内的热分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。可根据计算结果改变发热元件的位置、提高散热手段、绝热处理或其它方法优化产品的

热性能。 MSC.NASTRAN提供温度相关的热传导分析支持能力。基于一维、二维、三维热分析单

元,MSC.NASTRAN 可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内的热传导现象,并真实地仿真各类边界条件,构造各种复杂的材料和几何模型,模拟热控系统,进行热-结构耦合分析。

MSC.NASTRAN提供广泛的自由对流的边界条件有: 随温度变化的热交换系数,随热交换系数变化的加权温度梯度,随时间变化的热交换系数,非线性函数形式,加权层温度;强

迫对流有:管流体流场关系H(Re,Pr),随温度变化的流体粘性,传导性和比热容(specific heat),随温度变化的质量流率,随时间变化的质量流率,随质量流率变化的加权温度梯度;辐射至

空间:随温度变化的发射率和吸收率,随波长变化的发射率和吸收率,随时间变化的交换,辐射闭合,随温度变化的发射率,随波长变化的发射率,考虑自我和第三体阴影的三维散射角

系数计算,自适应角系数计算,净角系数,用户提供的交换系数,辐射矩阵控制,多辐射闭

合;施加的热载荷:方向热流,表面法向热流,节点能量,随温度变化的热流,随热流变化的加权温度梯度,随时间变化的热流;温度边界条件:稳态分析指定常温变界条件,瞬态分析指定时变温变界条件;初始条件:非线性稳态分析的起始温度,所有瞬态分析的起始温度等。

线性/非线性稳态热传导分析 基于稳态的线性热传导分析一般用来求解在给定热载和边界条件下, 结构中的温度分

布,计算结果包括节点的温度,约束的热载和单元的温度梯度,节点的温度可进一步用于计

算结构的响应;稳态非线性热传导分析则在包括了稳态线性热传导的全部功能的基础上,额

外考虑非线性辐射与温度有关的热传导系数及对流问题等。

Page 42: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

42

线性/非线性瞬态热传导分析 线性/非线性瞬态热传导分析用于求解随时间变化的载荷和边界条件作用下的瞬态温度

响应,可以考虑薄膜热传导、非稳态对流传热及放射率、吸收率随温度变化的非线性辐射。 相变分析

该分析作为一种较为特殊的瞬态热分析过程,通常用于材料的固化和溶解的传热分析模拟, 如金属成型问题。在MSC.NASTRAN中将这一过程表达成热焓与温度的函数形式。

热控分析 MSC.NASTRAN可进行各类热控系统的分析,包括模型的定位、删除、随时间变化的热

能控制等,如现代建筑的室温升高或降低控制。自由对流元件的热传导系数可根据受迫对流

率、热流载荷、内热生成率得到控制,热载和边界条件可定义成随时间的非线性载荷。

1.4.6 空气动力弹性及颤振分析

气动弹性问题是航空航天工业中非常重要的问题之一,涉及气动、 惯性及结构力间的相互作用,求解相当复杂。像飞机、导弹、火箭、高层建筑等都需要气动弹性方面的计算。为

解决这方面的问题,MSC.NASTRAN中提供了多种有效的方法。 MSC.NASTRAN 的气动弹性分析功能主要包括: 静态和动态气弹响应分析、 颤振分析

及气弹优化。 静动气弹响应分析

气弹响应分析,计算结构在亚音速下在离散或随机二维阵风场中的响应, 输出包括位移、应力、或约束力、加速度等。

气动颤振分析 空气动力颤振分析是考虑空气弹性问题的动力稳定性分析。MSC.NASTRAN可以分析亚

音速或超音速流。系统求出一组复特征解,提供可用五种不同的气动力理论。对于稳定性分

析系统提供三种不同的方法,输出包括阻尼、频率和每个颤振模态的振型。 气弹优化分析

在MSC.NASTRAN中, 气弹分析与设计灵敏度和优化功能的集成,为气弹分析提供了更强有力的设计工具。气弹灵敏度分析主要用来确定结构响应的改变如位移、速度等对结构气

动特性的影响程度。气弹优化则是依据气弹响应及灵敏度分析的数据自动地完成满足某一设

Page 43: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

43

计变量(如: 应力、变形、或颤振特性)的设计过程。

1.4.7 流-固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解决流体与结构之间的相互作用效应。MSC.NASTRAN 中拥有多种方法求解完全的流-固耦合分析问题,包括:流-固耦合法、水弹性流体单元法、虚质量法。

流-固耦合法 流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱

内 的声场分布控制和研究等。分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。流体假设是无 旋的和可压缩的,分析的基本控制方程是三维波方程,二种特殊的单元可被用来描述流-固耦合 边界。 (噪)声学载荷由节点的压力来描述, 其可以是常量, 也可以是与频率或时间相关的函

数,还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。 由不同的结构件产品的噪声影响结果可被分别输出。

水弹性流体单元法 该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。水弹性流体

单元法可用于标准的模态分析、瞬态分析、复特征值分析和频率响应分析。当流体作用于结

构时,要求必须指出耦合界面上的流体节点和相应的结构节点。自由度在结构模型中是位移

和转角,而在流体模型中则是在轴对称坐标系中调和压力函数的傅利叶系数。 类似于结构分析,流体模型产生"刚度"和"质量"矩阵,但具有不同的物理意义。载荷、约

束、 节点排序或自由度凝聚不能直接用于流体节点上。 虚质量法

虚质量法主要用于以下流-固耦合问题的分析: 结构沉浸在一个具有自由液面的无限或半无限液体里。 容器内盛有具有自由液面的不可压缩液体。 以上二种情况的组合, 如船在水中而舱内又装有不充满的液体。

1.4.8 多级超单元分析

超单元分析是求解大型问题一种十分有效的手段,特别是当工程师打算对现有结构件做

局部修改和重分析时。超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析,

Page 44: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

44

即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度,类似于

子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。 子结构可使问题表达简单、计算效率提高、计算机的存储量降低。超单元分析则在子结构的基础上增加了重复和镜像映射和多

层子结构功能,不仅可单独运算而且可与整体模型混合使用,结构中的非线性与线性部分分

开处理,可以减小非线性问题的规模。应用超单元,工程师仅需对那些所关心的受影响大的

超单元部分进行重新计算,从而使分析过程更经济、更高效,避免了总体模型的修改和对整个结构的重新计算。MSC.NASTRAN多级超单元分析功能可在大型工程项目中使用,如飞机的发动机、机头、机身、机翼、垂尾、舱门等在最终装配出厂前可由不同地区和不同国家分别

进行设计和生产,此间每一项目分包商不但可利用超单元功能独立进行各种结构分析,而且可通过数据通讯在某一地利用模态综合技术通过计算机模拟整个飞机的结构特性。 多级超单元分析是 MSC.NASTRAN 的主要功能之一,适用于所有的分析类型,如线性

静力分 析、刚体静力分析、正则模态分析、几何和材料非线性分析、响应谱分析、直接特征值、频率响应、瞬态响应分析、模态特征值、频率响应、瞬态响应分析、模态综合分析(混

合边界方法和自由边界方法)、设计灵敏度分析、稳态、非稳态、线性、非线性传热分析等。 模态综合分析需要使用超单元,可对每个受到激励作用的超单元分别进行分析,然后把

各个 结果综合起来从而获得整个结构的完整动态特性。超单元的刚度阵、质量阵和载荷阵可以从经验或计算推导而得出。结构的高阶模态先被截去,而后用静力柔度或刚度数据恢复。该分析对大型复杂的结构显得更有效(需动力学分析模块)。

1.4.9 高级对称分析

针对结构的对称、反对称、轴对称或循环对称等不同的特点, MSC.NASTRAN提供了不同的算法。类似超单元分析,高级对称分析可大大压缩大型结构分析问题的规模,提高计算

效率。 对称分析

如果结构具有对称性则有限元模型的可以被减小,进而节省计算时间。每增加一个对称

面,有限元模型就相应地减小近乎一半, 例如当结构有一个对称面时只要计算一半模型,而当结构有两个对称面时只需计算 1/4 模型就可得到整个模型的受力状况。对称分析一般包括对称和反对称分析两种。MSC.NASTRAN可以在结构或有限元模型上施加各种对称或反对称

Page 45: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

45

载荷及边界条件。 轴对称分析

压力容器及其它一些类似的结构通常是由板壳或平面绕某一轴线旋转而得到的,具有轴

对称性。此时结构的位移仅仅沿着半径方向,有限元模型简化到只需要分析结构的一个截面

就够了。轴对称分析一般适用于线性及超弹性问题的分析。 高级循环对称分析

很多结构,包括旋转机械乃至太空中的雷达天线,经常是一些由绕某一轴循环有序周期

性排列的特定的结构件组成,对于这类结构通常就要用循环对称或称之为旋转对称方法进行

结构分析。在分析时仅需要选取特定的结构件即可获得整个组件结构的计算结果,可以减少

计算和建模的时间。这部分结构可绕某一轴旋转生成整个结构。 循环对称可分二种对称类型,即简单循环对称和循环复合对称。简单旋转对称中,对称结构件没有平面镜像对称面且边界

可以有双向弯曲曲面;复合循环对称中,每个对称结构件具有一个平面镜像对称面,且对称

结构件之间的边界是平面。循环对称分析通常可解决线性静力、模态、屈曲及频率响应分析

等问题。

1.4.10设计灵敏度及优化分析

设计优化是为满足特定优化目标如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等等的

综合设计过程。这些优选目标称之为设计目标或目标函数。优化实际上含有折衷的含义,例

如结构设计的重量更轻就要用更少的材料,但这样一来结构就会变得脆弱,因此就要限制结

构件在最大许用载荷下或最小失稳载荷等条件下的外形及尺寸厚度。类似地,如果要保证结

构的安全性就要在一些关键区域增加材料,但同时也意味着结构会加重。最大或最小许用极

限限定被称之为约束。 设计变量是一组在设计过程中为产生一个优化设计可不断改变的参数。MSC.NASTRAN

中的设计变量包含形状和尺寸两大部分。形状设计变量(如边长、半径等)直接与几何形状

有关,在设计过程中可改变结构的外形尺寸;尺寸设计变量(如板厚、凸缘、腹板等)则一

般不与几何形状直接发生关系,也不影响结构的外形尺寸。设计优化意味着有在满足约束的

前提下产生最佳设计的可能性。MSC.NASTRAN拥有较强的设计优化能力,其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成,可对静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹

Page 46: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

46

性和颤振分析进行优化。优化允许在模型中存在上百个设计变量和响应。 除了具有这种用于结构优化和零部件详细设计过程的形状和尺寸优化设计的能力外,

MSC. NASTRAN 也具有适于产品概念设计阶段的拓扑优化功能,以最小平均柔度或指定阶数的最大特征频率、计算频率与指定频率的最小频率差为目标函数,在一定体积约束下,寻

找最优的孔洞尺寸和壳体或实体单元的方向厚度,可用于静力和模态分析的拓扑形状优化。 设计灵敏度分析

设计灵敏度分析是优化设计的重要一环,可成倍地提高优化效率。这一过程通常可计算

出结构响应值对于各设计变量的导数,以确定设计变化过程中对结构响应最敏感的部分,帮

从而可以获得最关心的灵敏度系数和最佳的设计参数。灵敏度响应量可以是位移、速度、加

速度、应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、声压、频率等,也可以是各响应量的混合。设

计变量可取任何单元的属性如厚度、形状尺寸、面积、二次惯性矩或节点坐标等。在灵敏度

分析的基础上,设计优化可以快速地给出最优的设计变量值。 设计优化分析

设计优化分析允许不限数量的设计变量和用户自定义的目标函数、约束和响应方程,除

了输入“分析模型”之外,还需要输入“设计模型”。设计模型是一个用设计变量和结构响应

值以数学方式来描述的一个优化问题,不仅与分析模型有关,并且也与这个分析模型的结构

响应有关。其先按照提供的初始设计开始进行结构分析,获得结构响应(如应力、位移、固

有频率等)后,确定设计变量对结构响应的灵敏度,这些灵敏度数据被送入一个数值优化求

解过程以得到一个改进了的设计。在这个新设计的基础上,修改分析模型开始一个新的迭代

优化循环过程直到满足优化设计要求。 MSC.NASTRAN的优化功能涉及多种分析类型如:静力优化、特征值优化、屈曲优化、

直接/模态频率优化、气弹和颤振优化、声学(噪声)优化、超单元优化分析等。除此之外,还可根据自己的设计要求和优化目标,在软件中方便地写入自编的公式或程序进行优化设计。

拓扑优化分析 拓扑优化是与参数化形状优化或尺寸优化不同的非参数化形状优化方法。在产品概念设

计阶段,为结构拓扑形状或几何轮廓提供初始建议的设计方案。MSC.NASTRAN现有的拓扑优化能够完成静力和正则模态分析。拓扑优化采用 Homogenizaion 方法, 以孔尺寸和单元方向为设计变量,在满足结构设计区域的剩余体积(质量)比的约束条件下,对静力分析满足

Page 47: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

47

最小平均柔度或最大平均刚度,在模态分析中,满足最大基本特征值或指定模态与计算模态

的最小差。目前的拓扑优化设计单元为一阶壳元和实体单元。集成在 MSC.NASTRAN 中的拓扑优化,通过特殊的DMAP工具,建立了新的拓扑优化求解序列。在MSC.PATRAN中专门的拓扑优化 Preference,支持拓扑优化建模和结果后处理。 除以上所述的这些功能之外,MSC.NASTRAN还具有很强的复合材料分析功能,并有多

种可应用的单元供用户选择。 借助于 MSC.PATRAN,可方便地定义如下种类的复合材料:层合复合材料,编织复合材料(Rule-of-Mixtures),Halpin-Tsai连续纤维复合材料,Halpin-Tsai不连续纤维复合材料等多种复合材料。判辨复合材料失效准则包括:Hill 理论、Hoffman 理论、Tsai-Wu理论和最大应变理论。MSC.NASTRAN的复合材料分析适于所有的分析类型。 早在 1986年MSC公司就开发出了 P单元算法,与常用的H-法相比,P-单元算法通过提

高单元阶次减少高应力区的单元划分数量提高形函数的阶次来保证求解精度,而不是在高应

力区增加单元的密度。P 单元法网格划分的规模一般仅相当于 H-法的 1/10 或更小,且对形状极不规则的模型仍能给出精确解。在 MSC.NASTRAN 中,P-单元的阶次可达 9 阶并允许同一模型中 H-法与 P-法混合使用。此外,根据用户定义的误差容限,MSC.NASTRAN 的 P自适应算法可通过应力不连续、能量密度和残余应力估计分析中的误差,自动地调整形函数

阶次进行计算直到满足误差精度为止。 MSC.NASTRAN能有效地求解大模型, 其稀疏矩阵算法速度快而且占用存储空间少,内

节点自动排序以减小半带宽,再启动能利用以前计算的结果。并行计算以及线性静力,正则

模态分析,模态及直接频率响应分析的分布式并行计算极大地提高分析速度。 总之,MSC.NASTRAN是非常优秀的一个有限元分析软件,其为MSC.PATRAN提供了

强的计算支持,如果没有MSC.NASTRAN,MSC.PATRAN将逊色许多。

1.5 MSC.Patran和 MSC.Nastran的安装

1.5.1 MSC.Patran的运行环境

因为工程分析运算两巨大,对硬件的要求较高,所以 MSC.Patran 的早期版本都运行在UNIX 系统工作站上。近些年来,随着计算机硬件的飞速发展,微机的运算能力有了质的飞

Page 48: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

48

跃,许多大型工程应用软件都推出了微机版,运行在Windows NT环境下。MSC公司于 1999年推出了专为Windows NT设计的版本,该软件性能稳定,运行良好。此处,以MSC.Patran2001 Window NT版的安装为例,来说明该软件的安装过程,处理器为 Intel PentiumⅣ CPU,操作系统为Windows2000 Professional。

1.5.2 MSC.Patran和 MSC.Nastran的安装过程

将该软件的 CD放入光驱,则会自动弹出如图 1-4所示的安装界面。安装MSC.Patran和MSC.Nastran就从这里开始。

图 1-4 MSC.Patran和MSC.Nastran的安装界面

从图 1-4中可以看出,其界面上共有七个按钮, 按钮用于MSC.Patran的安装,按钮用于 MSC.Nastran 的安装, 按钮用于安装“Flexlm License

Manager”,其用于管理MSC软件的 License,其它几个按钮的功能分别为获取系统信息、获取MSC公司的信息、安装在线帮助浏览器和退出安装。下面,就开始安装MSC.Patran。

1. MSC.Patran的安装

Page 49: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

49

(1)单击 按钮,则会弹出如图 1-5所示的【Setup】MSC.Patran安装界面。在安装前,应该关闭其它所有应用程序,以免安装过程中出现错误。

图 1-5 MSC.Patran的安装界面

(2)单击 按钮,则会弹出如图 1-6所示的【Setup Type】对话框,在该对话框中,可以选择安装方式,确定安装路径。安装方式有四种:“Typical”、“Full”、“Custom”和“Client”,可根据不同需要选用不同的安装方式。同时,在这一步需要选择安装路径。

Page 50: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

50

图 1-6 MSC.Patran安装方式和安装路径的选择

如果选用“Custom”方式,则会弹出如图 1-7所示的【Select Components】对话框,在该对话框中,可以选择安装不同的组件,具体应根据需要确定。

图 1-7 MSC.Patran安装组件选择

Page 51: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

51

(3)当选定所需要的组件之后,单击 按钮,则会弹出如图 1-8 所示的【Select Program Folder】对话框,该对话框用来确定MSC.Patran的打开快捷方式将被置于Windows【开始】菜单的哪个文件夹中,一般情况下,都使用安装过程的缺省值。

图 1-8 MSC.Patran快捷方式文件夹的选择

(4)选定了快捷方式文件夹,单击 按钮,就会弹出如图 1-9所示的【Start Copying Files】对话框,该对话框给出了前几步所作的设置,看是否还需要修改,如果需要修改,则可单击 按钮退回到上一步,否则,单击 进行安装过程的文件拷贝,当文件拷

贝完成,MSC.Patran的安装也就完成了(确切的说是完成了文件拷贝和一些设置,软件还不能运行,因为没有 License)。

Page 52: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

52

图 1-9 MSC.Patran的安装文件拷贝

2. MSC.Nastran的安装 MSC.Nastran的安装与MSC.Patran的安装有些类似,介绍如下: (1)在如图 1-4所示的界面上单击 按钮,将弹出如图 1-10所示的MSC.Nastran

安装界面,即可进行安装。

Page 53: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

53

图 1-10 MSC.Nastran的安装界面

(2)单击如图 1-10所示的 按钮,会弹出如图 1-11所示的【MSC Software License Agreement】对话框,要求用户确认遵守 MSC 的 License 的相关规定,如果没有异议,则单击 按钮进入下一步。

Page 54: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

54

图 1-11 MSC的软件约定

(3)在这一步,如图 1-12所示,会出现【Select Install Option】对话框,要求用户在安装MSC.Nastran和 FlexLM中做出选择,也就是说,FlexLM的安装有两种选择,一种是从如图 1-4 所似的界面开始,一种是从这里开始,两种方式的结果是一样的,有时如果一种安装方法失效,不妨试试另外一种方法,也许会减少许多麻烦。从图 1-12中可以看出,这个版本的 Nastran 是专为 i386 体系结构的系统设计的。选择“Install MSC.Nastran2001 for i386 systems”,单击 ,继续安装过程。

Page 55: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

55

图 1-12 MSC.Nastran的安装选择

(4)在这一步,如图 1-13所示,会弹出一个【Destination Directory】对话框,用于选择软件的安装路径,单击 按钮,在弹出的另外一个对话框中,既可以选择已有文件夹,

也可以创建新的文件夹。

Page 56: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

56

图 1-13 安装路径的选择

(5)在如图 1-13所示的对话框中选择好了安装路径,单击 按钮,会弹出如图 1-14所示的【Choose Scratch Directory】对话框,该对话框用于选择/创建一个名为“scratch”的文件夹,用于存放临时文件。MSC.Nastran 在运行过程中,会产生一些中间计算结果,需要占用硬盘空间以临时文件的形式存储,在运行结束时,MSC.Nastran 会自动删除这些用过的临时文件,这就是为什么要创建这个文件夹。

图 1-14 临时文件存放路径的选择

(6)单击图 1-14中的 按钮,则会弹出如图 1-15所示的【Set Memory Size】对话框,其用于设定 MSC.Nastran 运行过程中所占用内存大小的缺省值。MSC.Nastran 在运行过程中,会占用大量的系统内存,用户可以在这里设定一缺省值以对其加以控制,但通常都选

用“estimate”,这样,MSC.Nastran在运行过程中会根据需要,选择大小合适的内存空间。

Page 57: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

57

图 1-15 缺省内存设置

(7)单击图 1-15中的 按钮,会弹出如图 1-16所示的【Set BUFFSIZE】对话框,该对话框用于设定缺省的缓冲区大小。MSC.Nastran 在运行过程中,会与数据库文件交换数据,这里的缓冲区大小,决定了每次 I/O操作所能够传输数据的多少。在MSC.Nastran V2001中,安装过程的缺省设置是 8193(以块为单位),一般直接选用这个值。

Page 58: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

58

图 1-16 缓冲区大小的设置

(8)接下来的一步跟 MSC.Patran 安装过程中的(3)步非常类似,选择 MSC.Nastran快捷方式所在的文件夹(参见图 1-8)。 (9)参见MSC.Patran安装的第(4)步。 至此,MSC.Nastran 的安装基本完成(确切的说是完成了文件拷贝和一些基本设置,软

件还不能运行,因为没有 License),下一步就应该安装购买软件时MSC公司提供的 License了。

3. FlexLM的安装和设置 安装 FlexLM实质上是向Windows NT添加一项服务,用于管理MSC的 License,当安

装完成后,会在系统的【控制面板】中添加一个名为“FlexLM License Manager”的项,用于开启/关闭 License 服务。下面,就开始 FlexLM的安装。 (1)在图 1-4所示的界面上,单击 按钮,即进入 FlexLM的安装界面,如图

1-17所示。在安装界面上的【FlexLM Configuration】对话框中,有四个按钮 、 、

和 ,它们的作用分别是:输入 License文件相关信息、以客户端形式安装软件、以服务器端形式安装软件和安装 local FlexLM Nodelocked License文件,如果是单机安装,应

Page 59: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

59

该选用第三个。

图 1-17 FlexLM的安装界面

(2)在图 1-17中单击 按钮,会弹出如图 1-18所示的【Select License File】对话框。用户在购买软件时,MSC 公司会提供相应的 License 文件,只有拥有该 License 文件,软件才可能运行。在安装时,将该 License文件拷贝到某一文件夹中,在图 1-18中的对话框里,利用目录和文件列表框,在【Path】文本框中输入 License文件的全路径名称。

Page 60: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

60

图 1-18 指定 License文件

(3)在图 1-18中单击 按钮,会弹出安装路径选择对话框【Choose Folder】,如

图 1-19所示,可在此对话框中选择安装的目标文件夹。选定路径后,单击 按钮,进

入下一步。

图 1-19 安装路径选择

Page 61: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

61

(4)选择完安装路径之后,接下来会弹出入图 1-20所示的【Enter Information】对话

框,要求输入正在安装软件的计算机的名称,该名称也就是Windows NT中计算机的网络标识,该名称会被写入 License 文件中,在 MSC.Nastran 运行时会通过 FlexLM Server 访问License,计算机名称也是这一访问过程中所要验证的内容之一。

图 1-20 输入计算机名称

输入了计算机名称之后,安装过程就开始拷贝文件到目标文件夹中,屏幕上会出现

安装过程的进度条,同时完成对系统的一些设置,当这些工作都完成之后,安装程序会

弹出一安装完成对话框【FlexLM Server Install Complete】,并提示要求重新启动计算机,用户也可以选择当时不重新启动系统。单击该对话框上的 按钮,即完成了整个

安装过程。 值得指出的是,MSC.Patran、MSC.Nastran和 FlexLM的安装是一体的,缺一不可:

MSC.Patran 是一个非常出色的前后置处理器,具有强大的建模和计算结果处理功能;MSC.Nastran 是一个非常强大的计算分析程序,可以解决许多计算问题;而 FlexLM 为两者的运行提供 License服务,支持软件的运行。 安装完成之后,重新启动系统,这时,在Windows NT的【控制面板】中将出现【FlexLM

License Manager】项,其就是 FlexLM Server服务的管理器,用于 License服务的管理。

Page 62: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

62

双击其图标,则会弹出【FlexLM License Manager】对话框,如图 1-21所示。

图 1-21 FlexLM License Manager

【FlexLM License Manager】共有五个标签,分别用于 License Server的开启/关闭、License等文件路径的设置和查看 License文件等。一般情况下,先单击【Setup】标签打开【Setup】页面,检查一下文件路径是否正确,如图 1-22所示。如果有错误,则改正

Page 63: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

63

图 1-22 License等文件路径的设置页面

过来,然后再切换到如图 1-21所示的【Contral】页面,单击 按钮,启动服务,

这时,该页面上会出现“Server Started”的提示。如果想要停止该服务,则单击

按钮,若想查看该服务的状态,则可单击 按钮,页面上会出现文字提示以说明当前

该服务所处的状态。

在安装过程中,安装程序会添加一个系统变量 MSC_LICENSE_FILE到系统中,它的值

是当前 License文件的路径,如图 1-23所示,MSC.Nastran在运行时,要用到该变量。

Page 64: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

64

图 1-23 增加的系统变量MSC_LICENSE_FILE

安装完成之后,如果MSC.Patran和MSC.Nastran不能正常运行,则应该检查该变量,看其值是否正确。有时甚至要检查 License文件本身,看其中的计算机名称项和msc.exe文件的路径项是否正确。 至此,MSC.Patran和MSC.Nastran的安装基本完成,软件应该可以运行了。如果仍旧有

问题,请联系MSC公司,请求技术支持。

1.6 与 MSC.Patran和 MSC.Nastran相关的主要文件

在 Patran 和 Nastran 运 行 时 , 会 生 成 许 多 文 件 , 主 要 包

括.db、.db.bkup、.bdf、.op2、.xdb、.f04、.f06、patran.ses.**、.jou,还有一些中间临时文件,在运行结束时会被自动删除,下面就这些主要文件作简要说明。

.db文件是MSC.Patran的数据库文件,用于保存各种几何信息和有限元模型的信息,它是MSC.Patran中最基本的文件。.db.bkup文件是.db文件的本分文件。

Page 65: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

65

.bdf 文件是由 MSC.Patran 生成的、供 MSC.Nastran 读取的文件,其中保存着在MSC.Patran 中所建立的有限元模型的所有信息,MSC.Nastran 就是根据.dbf 文件来进行运算的。.bdf文件可以用诸如 vi和 notepad等文本编辑其打开。 .op2文件和.xdb文件是MSC.Nastran计算结果输出文件,由MSC.Patran来读取并进行后

置处理。MSC.Patran 根据.op2 或.xdb 文件的内容以图形、动画等形式将结果显示出来。选用.op2还是.xdb作为MSC.Nastran的输出文件,可以在MSC.Patran中进行控制,具体内容参见第 7章。

.f04 文件是系统信息统计文件,可以用文本编辑器打开,其记录了本次分析中的系统信息,比如占用系统内存、硬盘、CPU时间情况,以及创建了哪些文件,每项工作的时间等情况。

.f06 文件是分析运算过程记录文件,其中记录了许多非常有用信息:有限元单元的各种信息,包括单元类型、节点坐标、载荷情况、约束情况;计算结果信息,包括最大应力、最

大位移等;警告、出错信息,警告和出错信息都以错误号(数字)的形式给出,用户可以查

阅MSC的用户手册,从而找出出现错误的原因,加以改正。 Patran.ses.**文件是对话文件,其记录了本次从 Patran打开到退出期间所有的对话过程,

“**”表示两位数字,由系统自动赋予。 .jou 文件是日志文件,记录了用户在数据库中的所有操作,利用日至文件,可以重建模

型,即使原来创建的数据库文件丢失。 使用时,先由 Patran生成.db文件,再生成.bdf文件,Nastran读取.bdf文件并进行计算,

输出.op2/.xdb文件,然后再由 Patran读进来,将计算结果显示出来。 此外,还有一个 settings.pcl文件,其也是一个可编辑的文本文件,MSC.Patran启动时,

会根据该文件内容来设置当前的环境变量,所以,用户可根据自己的爱好,编辑 settings.pcl,定制自己喜欢的MSC.Patran。 想要了解更加详细的内容,请参阅MSC相关手册。

1.7 本章小结

本章着重介绍了MSC.Patran和MSC.Nastran软件的功能和用途,力图使读者从大的

Page 66: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

66

方面对该软件有一个大概的了解,同时介绍了该软件的安装,对 MSC 公司也作了简单介绍。因为MSC.Patran和MSC.Nastran运行时生成的文件较多,为了使初始使用者不致感到手足无措,特此也对MSC.Patran和MSC.Nastran的相关文件作了介绍。从这里开始,将开始MSC.Patran的使用。

Page 67: MSC PATRAN从入门到精通

第 2章 建立几何模型(Geometry)

在 Patran中工作的第一步就是建立几何模型,因为几何模型是一切的基础,有限元模型的建立是以良好的几何模型为基础的,而且,几何模型可以使使用者直观的面对所要做的对

象,形象生动。Patran 具有强大的几何建模功能,用户可以从无到有的建立几何模型,包括简单的和复杂的模型,也可从其它 CAD 系统直接输入几何模型,并可以根据需要对模型进各种编辑操作,以利于有限元模型建立的要求。本章将围绕【Geometry】工具栏,重点介绍Patran的几何功能,同时介绍一些相关的内容。

本章主要内容:

Τ

67

• • • • •

Patran的用户界面和操作特点 用 Patran建立几何模型的相关操作 编辑几何模型 从别的 CAD系统读入几何模型 用户坐标系

2.1 Patran的用户界面及其操作特点

2.1.1 Patran的用户界面

Patran具有良好的用户界面,清晰、简单、功能强大,参见图 1-1(按照MSC.Patran V2001 Windows NT版本来介绍)。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,如图 2-1 所示。下面,就分别对这几个区域进行介绍。

Page 68: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

68

图 2-1 Patran界面功能分区

1. 菜单和工具栏区 如图 2-2所示,Patran的界面上有一行菜单,两行工具栏。

图 2-2 Patran的菜单和工具栏

这里对菜单栏仅作简单的介绍,详细内容参见第 13 章,【File】菜单主要用于 Patran 数据库文件的打开/关闭,同时也用来从其它 CDA系统输入模型;【Group】菜单主要用于组的操作,组是 Patran中一个比较重要的概念,类似于其它 CAD系统中的“层”,通过将模型的各部分分组,使操作变得非常方便;【Viewport】菜单用于视窗设置;【Viewing】用于图形显

Page 69: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

69

示设置,其也包括了工具栏中一些工具的功能;【Display】用于设置各种元素的显示方式;菜单【Preferences】用于选择解算器、定制用户自己的环境等操作;【Tools】菜单中提供了许多非常有用的工具;【Insight Contral】菜单只有在【Insight】面板被打开的时候才能激活,用来对【Insight】面板中的行为进行控制;【Help】菜单为使用者提供在线帮助。 关于工具栏各工具功能的介绍,详见附录 B。处在界面上的这些工具,都是在平时使用

中经常要用的,有些用于视图控制,有些用于显示方式控制,而以 开头的第二行工具

是最重要的(称为Application按钮,由它们打开的面板称为Application Widget),是每次运行 Patran都必须使用的。这些按钮都对应分析过程中的某一步,从左到右,覆盖了整个分析过程,单击其中的某个按钮,就会在屏幕右侧出现相应的面板。 应该指出的是,这些工具在界面上使可以被移动的,它们跟Windows其它程序界面上的

工具按钮一样,可以由使用者托动而放置在用户喜欢的位置。用户也可以定制自己喜欢的快

捷方式,将其做成工具按钮,添加到界面上。 2. 操作面板区 由工具按钮和菜单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。

大部分的具体功能实现都是在这些面板中完成的,如图 2-3所示,该图是由 工具按钮

Page 70: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

70

图 2-3 【Geometry】面板

打开的【Geometry】面板,用于建立几何模形式进行各种几何操作。在 Patran中,各种功能的实现,用户大多数情况下是利用这种对话框式的面板实现与机器的交互。除过进行几

何建模,建立有限元模型的各种操作,进行各种系统设置,都要用到类似的面板。所以要熟

练的使用这样的面板,习惯于使用这样的面板。 3. 图形编辑区 如图 2-4 所示,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。编辑区的标题栏显示了当前操作的数据库的名称等信息,其右边是一个鼠标选择过滤器

(选择菜单,参见附录A),当用户用鼠标进行图形编辑操作时,可利用该过滤器以方便的选择自己希望的对象(其用法见附录 A MSC.Patran中数据的输入方法)。

Page 71: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

71

图 2-4 Patran的图形编辑区

4. 信息显示和命令行输入区 如图 1-5所示,Patran中的所有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,错误信息等等,都会显示出来。如果对形同非常熟悉的话,用户也可以命令行输入区自己直接输入 PCL命令来执行。

图 2-5 Patran的信息显示和命令行

2.1.2 Patran中 Application Widget面板的操作特点

在 Patran中Application Widget面板是建模、分析和后处理的主要工具,MSC对它们的设计非常有特点,在 Application Widget 面板的上部,大都有三项:“Action”、“Object”和“Methed”(或“Type”),分别对应三个下拉式按钮菜单,这三项非常类似于语言中的“动词”、“宾语”和“状语”,在“Action”中说明是要施行哪中动作,在“Object”中说明动作的对象,而在“Methed”(或“Type”)中则说明动作的执行用哪种方法(方式),三者结合

Page 72: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

72

起来,再辅以其它的设定和输入,即可完成一项复杂的操作,非常接近于人在正常生活中的

思想意识和行为习惯。这里,以【Geometry】面板为例来说明。 例如,在这里想建立一条直线,可以按照“动/宾/状”的语法结构对所要做的事情进行

分解:建立直线,也就是该直线原来不存在,需要创建,如图 2-6 所示,在【Geometry】面板中,打开“Action”相对应的下拉式按钮菜单,可以看到有“Create”、一项,该项就是用来创建新对象的,选中该项;现在,“动词”应经确定,跟着应该确定“宾语”了,这里要创

建的是一条直线,所以操作对象应该是线,在【Geometry】面板中,打开“Object”所对应的下拉式按钮菜单,可以看到有“Curve”一项,从广义的几何来说,直线也是一种曲线,所以,这里的操作对象应该是“Curve”,选中“Curve”项;“动词”和“宾语”都确定之后,剩下的就只是“状语”了,采用什么样的方法来创建一条直线,在【Geometry】面板中,打开“Method”项所对应的下拉式按钮菜单,可以看到二十多种创建曲线的方法,其中用“Point”方法就可以方便的创建一条直线,所以可选用该项,接着,在选项卡“Starting Point List”和“Ending Point List”所对应的文本框中输入直线的起点坐标和终点坐标,或者用鼠标在图项编辑区中选择合适的点(关于 Patran在数据的输入方法,请参见附录A MSC.Patran中数据的输入方法),单击 按钮,即可生成所需要的直线。

Page 73: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

73

图 2-6 创建一条直线

Patran中 Application Widget面板的操作简单明了,容易理解,使用起来非常方便。

2.2 建立几何模型

几何模型对于 Patran来说是非常重要的,而建立良好的几何模型的目的就是为了给建立有限元模型提供方便,只有良好的几何模型才能使建立有限元模型的过程顺利进行(便于有

限元网格的划分、材料和物理特性的定义和边界条件的施加)。这里,就比较细致的介绍一下

创建各种几何元素的方法,这些功能基本由【Geometry】面板来实现。

Page 74: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

74

2.2.1 【Geometry】介绍

在 Patran的界面上,单击 工具按钮,则就会打开【Geometry】Application Widget

面板,其会显示在屏幕右侧,如图 2-6 所示。在该面板中,可以创建各种简单、复杂的几何元素,建立几何模型,同时可以对几何模型进行各种编辑修改,以满足建立有限元模型的要

求。Patran 中的几何元素包括点(Point)、曲线(Curve,包括直线段)、曲面(Surface,包括有界平面)、实体(Solid),另外平面(plane,几何上无边界限制的平面,一般只用作辅助功能)、矢量、用户坐标系也在这部分处理。由于几何操作内容繁多,受本书篇幅所限,只能就

常用的部分重点说明,未能介绍全的部分请参阅 Patran用户手册。

2.2.2 创建点(Point)

几何点是 Patran中最基本的几何元素,由 x,y,z三坐标来描述,缺省情况下,在屏幕上显示为蓝色。在 Patran中创建点的方法很多,这里一一介绍如下:

• “XYZ”:即三坐标,根据输入点的三个坐标值来建立点。在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”,在“Object”对应的下拉式按钮菜单中选择“Point”,即确定要创建的是点,接着单击“Method”项对应的下拉式按钮菜单,选中“XYZ”项,如图 2-7所示。在“Point Coordinates Lists”文本框中输入坐标值(关于坐标值的输入方法,参见附录A MSC.Patran 中数据的输入方法),然后单击 ,即可看到,在屏幕上出现以蓝色显

示的点,这样就创建了一个点。

Page 75: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

75

图 2-7 输入坐标值建立几何点

每创建一个点,Patran都会给所创建的点赋予一个标号,同时在“Point ID List”中显示下一个将要创建的点的标号,创建其它几何体也是一样。用户也可以自己修改几何体的标号。

“ArcCenter”:即根据已有圆弧建立点,新建点是已有圆弧的圆心。在“Method”中选择“ArcCenter”,然后选择圆弧,即可创建该点。

“Extract”:即在已有的一组曲线上生成点。在“Method”中选择“Extract”项,如图 2-8 所示,此法可在已有的曲线上任意位置生成点,所要创建点的在曲线上的位置由“Parametric Position”中的划块来确定(即曲线上的自然坐标 u来确定,u的值从 0~1)。在选定了 u坐标的值之后,选取目标曲线,然后单击 按钮即可。应该说明的是,这

里的曲线也包括曲面的边、实体的边,下同。 •

Page 76: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

76

图 2-8 在曲线上创建点

• “Interpolate”:即在已有两点之间/已有曲线上同时创建多个点。如图 2-9 所示,这种方法又有两个选项,即在两点之间创建点和在曲线上创建点,由“Option”所对应的下拉式按钮菜单来确定,所以将两种情况同时显示在图中。同时,生成点之间的距离也有等距和

不等距两种,由“Point Spacing Method”项控制。要生成点的数量由用户在“Number of Interior Points”中输入,缺省情况下,该项的值为 1。

Page 77: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

77

图 2-9 在两点之间/曲线上同时创建多个点

• “Intersect”:即在两个元素的交点上创建一个点,这里的两个元素是指曲线/曲线、曲线/曲面、曲线/平面(plane)、矢量/曲线、矢量/曲面、矢量/平面(plane),在系统的公差范围内,这两个元素之间应该是相交的,如图 2-10所示。如果这两个元素之间不相交,Patran则会在两个元素上分别创建一个点,这两个点之间的连线是这两个元素上所有点之间连线最

短的。从图中可见,这两个元素通过两个“Option”选项来确定,这种不相交的情况有时会有很大的用途。

Page 78: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

78

图 2-10 在交点创建点

• “Offset”:该方法也是在已有曲线上创建点的一种方法。以给定曲线上的一个点作为参考点,给定一个距离作为偏移量,在曲线上创建一个点,如图 2-11所示。所给定的偏移量必须小于等于曲线本身的长度,否则,将不会创建任何东西。

Page 79: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

79

图 2-11 用偏移量创建点

• “Pierce”:创建一个点,该点是一条曲线与一个曲面的交点,如图 2-12所示。这里,曲线可是独立的曲线,也可以是曲面、实体的边,曲面可以是独立的曲面,也可以是某实体

的一个面。曲线和曲面必须完全相交,如果两者的交点不止一个,则 Patran会在每一个相交处创建一个点。

Page 80: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

80

图 2-12 创建曲线与曲面的交点

“Project”:即投影法,如图 2-13所示。该方法是将一组已有的点按照给定的方向投影到曲线、曲面、实体表面而创建新的点。投影的方向在“Direction”中确定,可以垂

图 2-13 投影法创建点

直于投影目标,也可以自己定已矢量方向,或者垂直于视野平面。同时可以选择是否保

留原来的点。 至此,点的创建方法介绍完毕,可以做一些练习,熟悉熟悉。

2.2.3 创建曲线(Curve)

像创建点一样,在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”项,在“Object”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Curve”项,开始创建曲线。创建曲线的

Page 81: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

81

方法也一一介绍如下。每创建一条曲线,Patran都会给新建曲线赋予一个 ID标号,同时,小一个标号显示在“Curve ID List”文本框中。

“Point”:根据点创建一条曲线,这些点可以是已有的点,也可以是顶点、节点,或是其它点。如图 2-14所示,通过“Option”选项,可以选择用几个点来创建曲线,如果选两个点,则在两个点之间建立一条直线;如果选择三个点,则过三个点建立一条曲线,而中间

点在曲线上的位置既可以通过自然坐标参数 u来调节,也可以根据弦长来确定;

图 2-14 由点创建曲线

• 如果选择四个点,则过四个点建立一条曲线,而曲线中间两个点的位置则通过按钮打开的面板来确定。

Page 82: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

82

图 2-15 四点创建曲线时中间两点位置的调整

“Arc3Point”:用三点创建一圆弧,如图 2-16所示。 •

图 2-16 三点画圆弧

• “Chain”:该方法是将已有的曲线、边连接起来,构成一条复杂曲线,这些已有的曲线应该是首尾相连的,如图 2-17所示。复杂曲线用于创建平面(plane)或裁剪曲面。

Page 83: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

83

图 2-17 建立复杂曲线

• •

“Conic”:即建立圆锥二次曲线,包括双曲线、抛物线、椭圆、圆弧等,如图 2-18所示。通过指定焦点、起点和终点来控制曲线的生成,这些点可以是独立的几何点,也可以

是顶点、节点或其它点。 “Extract”:在已有的曲面/实体表面上创建曲线,通过指定曲面上两个方向的参数

u/v的值,控制所生成的曲线在曲面上的方向和位置。一般适合于较规则的曲面。 “Fillet”:即在已有的两条曲线之间生成一圆弧,将这两条曲线连接起来,同时可裁

剪原有曲线,从而由简单曲线构造复杂的光滑连接曲线。 “Fit”:根据一组点由最小二乘法生成一条拟合曲线。 “Intersection”:生成两个曲面的交线,这两个曲面必须完全相交,这里的曲面也包

括无界平面(plane)。

Page 84: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

84

图 2-18 创建圆锥曲线

• “Manifold”:根据曲面上的点直接在曲面上生成曲线,其有一个“Option”选项,可以选择用“2Point”或“N-Point”两种方式来完成,即根据两个点来生成曲线还是根据多个点来生成,如图 2-19所示。这里的曲面可以是独立的曲面,也可以是实体的表面。

Page 85: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

85

图 2-19 在曲面上生成曲线

“Normal”:过一点生成一垂直于某曲线的直线。 • • “Offset”:通过类似于平移的方法生成曲线,如图 2-20所示。

Page 86: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

86

图 2-20 “Offset”法生成曲线

“Porject”:即通过指定的方向将曲线向曲面/平面(plane)投影而生成曲线。投影方向可以垂直于投影面,也可自己定义矢量方向,或垂直于视野平面。

“PWL”:一次绘出多条直线。选择多个点,当选择完毕时,Patran会依次在这些点之间建立直线。

“Spline”:过多点创建一条曲线/根据多点拟合一条曲线,是过所有的点还是拟合,由选项“Option”来确定,选择“Loft Spline”是过所有点创建曲线,“B-Spline”是拟合曲线,两种方式中创建的曲线都过起始、终止点,而起始、终止点的切线方向矢量由用户自己定义,

Page 87: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

87

• • •

如图 2-21所示。 “TanCurve”:即过两曲线的做一切线。 “TanPoint”:过一点向一曲线作切线。 “XYZ”:根据给定的矢量方向和原点创建一条直线。

图 2-21 过多点创建曲线

• “Involute”:创建一条渐开线曲线,可以用“Option”选项选择使用渐开角或使用初始、终止半径两种方法来创建渐开曲线。

Page 88: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

88

图 2-22 创建渐开线曲线

• “Revole”:通过点绕轴线的旋转生成曲线。即通过指定旋转轴、旋转角度,选定点来生成曲线。旋转轴既可以是坐标系的坐标轴,也可以是由两点指定的轴,如图 2-23所示。

Page 89: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

89

图 2-23 旋转生成曲线

• •

“2D Normal”:过一点向一曲线作垂线,而垂线的长度可以指定,也可以根据两点之间的距离计算。垂线以垂足为起点。

“2D Circle”:以指定点为圆心,给定长度为半径,在给定的平面内,创建一平面圆。 “2D ArcAngles”:以指定点为圆心,给定长度为半径,在指定的平面内,根据起始

角度和终止角度创建一平面圆弧曲线。 “2D Arc2Point”:在给定平面内,根据指定的三点绘圆,即圆心、起点、终点,或

者根据指定的半径、起始点坐标绘圆。 “2D Arc3Point”:根据给定的三点绘圆弧,即起点、中间点、终点。

2.2.4 创建曲面(Surface)

在 Patran中,创建曲面往往以创建的点、线为基础。在【Geometry】面板中,在“Action”

Page 90: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

90

对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”项,在“Object”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Surface”项,开始创建曲面。

“Curve”:在“Method”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Curve”项,如图 2-24所示,根据已有的曲线创建曲面。可以根据已有的两条、三条、四条、多条曲线生成曲面,

可在“Option”选项中选择根据几条曲线创建曲面。这些曲线可以是共面的,也可以是空间的。

图 2-24 由曲线创建曲面

• “Composite”:根据已有的曲面创建新的复杂曲面。如果现有的曲面过多、过于细碎,则在划分网格时可能会出现问题,所以应将这样的曲面重新组合成一个新的曲面。如图

2-25所示,可以看到面板上有一个“Inner Loop Option”选项,当选择“All”时,建立的复

Page 91: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

91

杂曲面内部闭合的环线都会被作为内部边界来处理,即新建的复杂曲面内部是有孔的;若选

择“None”,则 Patran 会将内部不连续的部分自动连通,形成一个没有内边界的复杂曲面;若选择“Select”,则这个过程交给用户来处理,用户可以有选择的处理内部闭合的环线。

“Decomposing”:根据已有曲面的四个顶点创建一个四边形,这样做主要是出于划分有限元网格的的需要。通常,原有曲面是多边形裁剪多边形曲面,建立一个新的四边形曲

面,则在划分有限元网格时,可以采用“IsoMesh”方法。 “Edge”:选择已有曲面的边(3条或 4条)创建新的曲面。是选择 3条边还是选择

4条边,通过选项“Option”来确定。 “Extract”:在一个实体内部或表面创建一个曲面。若在实体内部创建,则选项

“Option”应选择“Parametric”,同时可以选择使用新建曲面与原实体的位置关系,即在实体的自然坐标 u、v、w中选择以哪个为常数,并可指定其大小,如图 2-26所示。若选项“Option”选定“Face”,则在实体的表面创建一个曲面。

Page 92: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

92

图 2-25 创建复杂曲面

Page 93: MSC PATRAN从入门到精通

图 2-26 在实体内部创建曲面

• “Fillet”:在已有的两个曲面、实体表面之间创建参数化二次过渡曲面。已有的曲面不必相交,如图 2-27所示。在生成过渡区面世时,可以选择将原有多于曲面部分删除,过渡曲面的曲率通过指定其两端的半径来确定。

Τ

93

Page 94: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

94

图 2-27 在两曲面间生成过渡曲面

• “Match”:该方法创建一双三次曲面,将两个已有曲面的相邻近的边连接起来。已有的两个曲面/实体表面的边界在拓扑上是不一致的,两个曲面有两个公共的顶点,但边界是不匹配的,不相连的。

Page 95: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

95

图 2-28 连接两个顶点相连的曲面

• •

“Offset”:平移创建一个曲面,即通过将一平面复制一个,再平移得到一个新的曲面。

“Ruled”:在两条曲线/边之间生成规则的曲面。 “Trimmed”:创建裁剪曲面,其边界比较复杂,如图 2-29所示。这创建之前,先应

该用“Create/Curve/Chain”创建至少一条复杂曲线作为裁剪曲面的外环(外边界),或者在中选择参数 ,使得所选的若干条曲线自动连接成复杂曲线。在图中

的“Option”选项中,有三个选项可选,“Surface”、“Planar”、“Composite”。“Surface”选项用于从已有的一个曲面上,利用外环线和内环线裁剪出一个边界复杂的曲面,完成之后,可

以选择将原有曲面、内外环线删除;“Planar”选项用于从一平面上利用复杂的内外环线裁剪出一具有复杂边界的平面;“Composite”选项用于从多个曲面裁剪生成一个裁剪曲面,此时,原有的曲面之间可以有裂缝和重叠,也不要求拓扑一致。

Page 96: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

96

图 2-29 创建裁剪曲面

“Vertex”:由四个顶点生成一曲面。 • •

“XYZ”:以给定的矢量方向、大小和给定的原点,创建一平面。即从给定的原点出发,以给定的矢量为对角线,创建一矩形平面。

“Extrude”:一条基曲线/边根据给定的条件移动,在空间扫成一曲面,这种方法也可用于实体造型,如图 2-30所示。通过指定矢量“Translation Vector”确定一动方向和移动距离,通过比例因子“Scale Factor”来控制扫成面的形状,通过设置“Angle”可以控制扫成面以扫成方向矢量为轴心旋转的角度。

Page 97: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

97

图 2-30 扫成曲线

“Glide”:这也是一种扫成曲面方法,如图 2-31所示,通过基曲线沿一组由方向曲 •

Page 98: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

98

图 2-31 曲线沿方向曲线扫成曲面

线/边定义的路径滑动而创建两参数曲面。方向曲线可以是一条,也可以是两条,由选项“Option”确定。当方向曲线只有一条时,有一个“Glide Input Options”选项,当选择“Normal Project Glide”时,可消除一个移动自由度,以避免扭曲面的出现,当选择“Fixed Glide”时,三个转动自由度将被消除,曲线只能作移动。当有两条方向曲线时,就不需要对曲线的运动自由度加以限制,这样可以构造出更为复杂的曲面。

“Normal”:沿曲线曲率的方向平移曲线,扫成曲面。所生成的曲面的宽度是可变的,通过“Thickness Input Options”和“Thickness”项来控制。如果用户想自己确定扫成方向,则可通过“Construction Point Options”选项来实现,选中其中的“Construction Point”项,输入点的位置即可。这种方法也可用于实体造型,通过曲面沿一定方向移动,生成实体。

Page 99: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

99

图 2-32 移动曲线生成曲面

“Revolve”:旋转生成曲线。类似于点绕轴旋转生成曲线,曲线绕轴旋转即可生成曲面,通过确定旋转轴、旋转角度即可完成。如果生成的曲面不是从基曲线开始的,有一定

角度偏移,则在“Offset Angle”项中输入即可。 “Mesh”:根据有限元单元、节点生成曲面,如图 2-33所示。在建立有限元模型时,

可能局部地方由于原曲面构建不合理而使网格划分出现困难,此时,可根据已有的网格、节

点重新在局部构建曲面,重新生成有限元单元。 “Midsurface”:在实体的中面处创建曲面。

Page 100: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

100

图 2-33 根据网格生成曲面

2.2.5 创建实体(Solid)

Patran 也提供了丰富的创建实体的方法,包括基本的实体类型,通过旋转、拉伸等其他方法,同时,通过的对基本实体的编辑,可以生成各种复杂的实体。这里,即可是介绍实体

的创建方法,至于进一步的编辑,则在后边介绍。 在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”项,在“Object”

项对应的下拉式按钮菜单中选择“Solid”项,开始创建实体。打开“Method”项所对应下拉式按钮菜单,即可看到大约有 10中方法,下边一一介绍。

“Primitive”:创建几种基本的实体,包括立方体、圆柱、圆锥、球体和圆环体,如•

Page 101: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

101

图 2-34所示。对于立方体,给定基点和三个方向的长度即可;创建圆柱要给定圆柱的高度、圆半径、基点和旋转轴;圆锥跟圆柱非常类似,只是多了一个上圆半径,若其不为零,则是

圆台,否则即为圆锥;球体比较简单,只有一个球心和半径;创建圆环体时,要给定圆环的

轴半径、环本身截面的半径和旋转轴。在这里也可以进行布尔运算。 “Surface”:根据曲面创建实体。即以给定的曲面为表面,创建实体,曲面数可以是

2个、3个、4个或多个。 “B-rep”(Boundary represented):由若干围成一个空间的曲面、体的表面生成实体,

这些曲面应该是封闭的、拓扑一致的, “Decompose”:在实体的两个相对的表面之间创建一实体。先选定一个实体的一个

表面,并在该面上选四个点作为所要创建实体的四个定点,然后再选一个与该面相对的面,

也在这个面上选四个点作为要创建实体的另外四个顶点即可。

Page 102: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

102

图 2-24 创建基本实体

“Face”:由 5个或 6个曲面或实体表面定义一个实体。这些面之间没有顺序,也不管它们的方向,只要能够定义一个有效地外表面即可。

“Vertex”:根据给定的 8个点创建一个实体。这 8个点即为新创建实体的 8个顶点,这些点可以是几何点、其它实体的定点、节点或其它点。

“XYZ”:根据给定的基点和矢量创建一立方体。矢量的每一个分量表示了新创建实体在每个方向上的尺寸。

“Extrude”:类似于曲面造型中的“Extrude”,曲面以给定点为基点,沿给定的矢量

Page 103: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

103

方向平移,扫成一个实体。 “Glide”:也类似于曲面造型中的“Glide”,给定的曲面,以给定的曲线为轨迹,扫

成一实体。可以通过参数“Scale Factor”来调整截面大小的变化。 “Normal”:使给定的曲面沿其法线方向移动,扫成实体。操作上类似于曲线生成中

的“Normal”。 “Revolve”:旋转成形,将给定的曲面绕给定的轴旋转,生成实体。可以指定旋转

角度的大小和初始角度。

2.2.6 建立自己的坐标系(coord)

一般情况下,Patran 中只有一个直角坐标系,标号为“0”,用户通常使用的就是这个坐标系。但有时由于建摸的需要,或者是建立有限元模型的需要,用户要定义自己的坐标系,

在前面介绍点、线、面、实体的创建过程中,每个面板中都有一项“Reger. Coordinate Frame”,其就是让用户来选择坐标系的。Patran中支持的坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系,这些坐标系的分量都有字母标记和数字标号,它们的对应关系,如表 2-1 所示。Patran 中的坐标系是右手坐标系。

表 2-1 各坐标系分量之间的对应关系和数字标号

数字标号 1 2 3

直角坐标分量 X Y Z

柱坐标分量 R T Z

球坐标分量 R T Q

用户自定义的坐标系有时非常有用,例如在复合材料结构建模时,由于复合材料是各向

异性的,使用时其性能是有方向性的,如果结构不在同一平面内,或者即使在同一平面内,

但不同的地方使用角度不同,则仅用一个坐标系就无法描述,这时,就需要建立用户坐标(局

部坐标),使局部坐标系的轴与复合材料的主轴同向。再者如果结构是一柱面,使用各向异性

材料,则就要用到柱坐标。所以,用户自己定义坐标系是非常重要的。下面,就介绍用户坐

标的定义方法。 在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”项,在“Object”

项对应的下拉式按钮菜单中选择“Coord”项,开始创建用户坐标系。

Page 104: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

104

• “3Point”:根据给定的 3个点来创建新的坐标系,如图 2-35所示。

图 2-35 根据 3个点创建坐标系

可以通过“Type”选项来确定建立的是哪种类型的坐标系,选定参考坐标系(即根据已有的坐标系建立新的坐标系),指定原点,指定一个位于新坐标系轴 3上的一个点,再指定一个位于新坐标系 1-3平面上的一个点即可。

• “Axis”:根据给定的原点和两个轴来创建坐标系,如图 2-36 所示。这种方法可以创建 3种坐标系中的任何一种,给定原点之后,通过给定另外两轴上的两地点来确定两根轴,从而建立坐标系。

Page 105: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

105

图 2-36 通过确定原点和两个坐标轴创建坐标系

• “Euler”:将原有坐标系通过 3 次旋转而生成新的坐标系。其旋转参数由按钮打开的面板设定,如图 2-37所示。

Page 106: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

106

图 2-37 旋转参数的设定

“Normal”:以曲面为参考建立坐标系。给定原点,选定一曲面/实体表面,即可创建一坐标系。新坐标系以给定的原点为原点,其轴 3垂至于所选定的曲面,同时,其轴 1与曲面的自然坐标 u同向,轴 2与曲面的自然坐标 v同向。

“2Vector”:根据两个矢量创建坐标系。指定一原点,同时指定两个矢量作为坐标系的两个轴向,即可创建一座标系。用户可以选定使哪两根轴与选定的矢量同向。

“View Vector”:以当前视野平面为 1-2平面建立坐标系。给定一个原点,水平方向为 1轴方向,垂直向上方向为轴 2方向,建立坐标系,则其轴 3将指向面外。

2.2.7 创建平面和矢量(Plane &Vector)

几何体有各种各样,建立各种几何体的方法也有所不同,但也有许多相通之处,所以,

这里对创建平面和矢量的方法就简化介绍步骤,以表格的形式给出。 先来介绍创建平面(Plane)的方法。在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉

式按钮菜单中选择“Create”项,在“Object”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Plane”项,

Page 107: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

107

即可创建平面,如表 2-2所示。 表 2-2 创建平面的方法

方法名称 说 明

Point-Vector 根据给定的点和矢量建立平面。所建平面过给定的点,同时以给定的矢量为该平面

的法线方向。

Vector Normal 根据给定的矢量和偏移量建立平面。所建平面以给定的矢量为自己的法线方向,平

面与给定矢量的原点的距离等于所给的偏移量。

Curve Normal 以给定曲线的切线方向为法线方向建立平面。平面在曲线上的位置可以通过给定一

个点来确定,也可以根据曲线的自然坐标来确定,这可以通过“Option”选项来选择。

Plane Normal 建一平面使其过给定的矢量并垂至于另一给定的平面。

Interpolate 以给定曲线的切线方向为法线方向建立多个平面。平面的数量可以指定,平面在曲

线上的自然坐标值可以设定。

Least Squares 根据给定的点、线、面建立平面。根据点来建立平面,即根据最小二乘法来拟合一

平面,使得这些点到该平面的距离平方最短,这些点应不共线;根据曲线建立平面,

即用最小二乘法拟合一平面;同样,根据曲面建立平面也是用最小二乘法来拟合。

Offset 以给定距离平移(复制)一平面。

Surface Tangent 与曲面相切建立平面。有两个选项,“Point”和“Parametric”。“Point”选项是过

曲面上一点建一与曲面相切的平面;“Parametric”则是在给定的曲面自然坐标位置

处建立一与曲面相切的平面。

3Points 过不共线的 3点创建一平面。

2Vectors 平行于两矢量建一平面,且该平面过第一个矢量,平面的法向矢量以前面两矢量的

空间交点为原点。

通过矢量能够非常清楚的定义几何之间的关系,使得复杂的问题能够被简单的描述出来,

反过来,在创建复杂几何体时矢量也是非常有用的。下面就介绍一下在 Patran中创建矢量的方法,如表 2-3所示。

表 2-3 创建矢量的方法

方法名称 说明

Magnitude 通过指定大小、方向和基点创建矢量。

Page 108: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

108

Interpolate 类似于在曲线上创建平面,在曲线上创建多个矢量,其方向与曲线的当地切线平行。

Intersect 根据给定的两平面的交线创建一矢量。量参考平面的基点在交线上的投影确定了该矢

量的基点和大小。

Normal 以给定点为基点创建一矢量,该矢量垂至于另一给定的面,这里的面可以是平面,也

可以是曲面或单元面。

Product 根据给定的两个矢量创建一矢量,该矢量是参考矢量的的乘积,其基点是第一个参考

矢量的基点。

2Point 根据两点创建一矢量。

在这里,对创建平面和矢量的过程叙述较为简单,关于详细内容,可参考相关手册。

2.3 编辑几何模型

创建几何元素只是创建几何模型中最基本的部分,根据需要,还要对各种基本元素进行

编辑修改,是其模足实际几何模型的要求。Patran 中有非常丰富的几何编辑功能,同时还有其它几何操作功能,能够满足建立复杂几何模型的需要,这里就介绍一下 Patran的几何编辑功能。 在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Edit”项,在“Object”

项对应的下拉式按钮菜单中,可以看到编辑功能的对象可以示点、线、曲面、实体和特征,

下面就一一介绍

2.3.1 编辑点(Point)

对点的编辑比较简单,只有一个“Equivalence”。在“Object”项中选择“Point”,在“Method”项中选择“Equivalence”,其功能是查找重合点并将其合并成一个点。在创建点时,可能会在空间的同一位置(以全局公差为判据)创建若干个点,从而导致模型在这些点处不连续,产

生裂缝或重合现象,这对于建立有限元模型是非常不利的,所以应将这些点合并,使其在空

间上和在几何上都是一个点。

Page 109: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

109

2.3.2 编辑曲线(Curve)

编辑曲线的方法相对来说较多,比如将曲线打断、平滑过渡、打散复杂曲线、延伸曲线、

平滑连接一组曲线、修整、反向、裁剪等。下面就一一介绍。 “Break”:打断曲线,通过在曲线上插入点、平面或利用参数,将已有曲线分成几

段,如图 2-38所示。通过“Option”选项的选择,可以确定是使用点,还是使用参数或在曲线上插入平面来将曲线断开。用来断开曲线的点不一定在曲线上,此时将会以该点到曲线的

垂足位置断开曲线。 “Blend”:将一系列首尾相连的曲线采用平滑过渡的方法重新连接。新创建的每一

根曲线都过原来的首尾点,同时相邻的两根曲线之间平滑过渡,即在连接点相切。

图 2-38 断开曲线

“Disassemble”:将复杂曲线打散,回到原来的各段曲线的状态。复杂曲线,即由“Create/Curve/Chain”创建的曲线。

“Extend”:将曲线、边按给定的方式延伸一段长度,如图 2-39所示。

Page 110: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

110

图 2-39 延伸曲线

这里,有两个选项,当“Option”选择“1Curve”时,延伸方法有 5 种,分别是直线延伸、连续曲率、过点、整圆、到另一曲线,这些方法在“Extend Method”中选择。直线延伸即从曲线上指定的点开始,沿曲线在该点的切线和曲线的正方向延长给定的长度;连续曲率

方法即从曲线上给定点开始,根据该点的曲率大小以给定的长度延伸曲线;过点即要求曲线

延伸时过所指定的点;整圆即将根据部分圆弧生成一个整圆;到曲线即将曲线延伸到另一曲

线,选择的第一条曲线用来延伸,第二条曲是其延伸的边界,若两曲线不共面,则延伸到两

曲线的空间交点为止。 若“Option”项选择“2Curve”,则是将选定的两条曲相同时延伸,直到两曲线的空间交

点。

Page 111: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

111

“Merge”:将若干条相连的曲线连接成一条或多条曲线,同时作平滑处理。做这样的处理,新曲线将不严格的过原有曲线的连接点,而是主要作平滑拟合处理。

“Refit”:若其“Option”项选择“Uniform”,则根据已有曲线创建参数三次曲线,以近似高阶部分。

“Reverse”:将曲线的自然坐标正方向反向,从而重新定义已有一组曲线的连接。此处,可以选择是否也改变与曲线相关联的单元的方向,如果选择,则与曲线相关联的单元

的标号将互换。 “Trim”:将曲线在给定的点处裁剪。即以给定的点为界,将曲线多余的部分删除。

2.3.3 编辑曲面(Surface)

一般来说,直接创建的曲面都是比较简单的,而实际曲面结构大都比较复杂,所以就经

常要对创建的较为简单的曲面进行编辑,比如断开、延伸、打孔等。下面就一一介绍。 在【Geometry】面板中,在“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Edit”项,在“Object”

项对应的下拉式按钮菜单中,选择“Surface”,进行曲面的编辑。 “Break”:根据给定条件,将一个曲面分成两个或多个曲面,如图 2-40所示。

图 2-40 将一个曲面分成两个曲面

Page 112: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

112

这里,给定的条件由“Option”选向确定,包括“Curve”、“Surface”、“Plane”、“Point”、“2Point”、“Parametric”,即可根据指定的曲线、曲面、平面、点、2个点或参数来拆分曲面。“Curve”选项是用曲线来拆分曲面,该曲线可以不在曲面上,但其在曲面上的投影必须与曲面的相对的边相交;“Surface”选项是用曲面来拆分曲面,即以两曲面的交线将选定曲面拆分成两个曲面;“Point”是用一个点将一个曲面拆分成两个或四个曲面,若选定的点在选定曲面的边界上,则将该曲面拆分成两个曲面,若选定点在选定曲面的内部,则将该曲面拆分

成四个曲面;“2Point”选项类似于“Curve”,只是用两个点来表示曲线;“Parametric”选项是根据曲面的自然坐标参数将曲面拆分。

“Blend”:由已有的一组曲面创建参数化双三次曲面,每两个曲面之间至少要有一条公共边,如图 2-41所示。类似于曲线的编辑,相邻曲面的交界处将作平滑处理,可以通过权重系数“Weighting Factors”来调节对选定曲面边的改变程度,权重系数的值从 0到 1。

图 2-41 平滑连接多个曲面为一个曲面

“Disassemble”:作用于裁剪曲面,恢复创建裁剪曲面之前各“父”曲面的状态。 •

Page 113: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

113

“Edge Match”:通过重新创建曲面使得已有曲面之间拓扑一致,如图 2-42所示。如果已有的两个曲面有两个公公顶点,但两个公共顶点之间有裂缝,则两曲面之间存在拓扑不

一致。为了消除这种不一致,在选项“Option”选择“2 Surface”,Patran通过重新创建的二个曲面消除裂缝,使两个曲面拓扑一致。

若有三个相邻曲面,它们的交线呈“丁”字形,且相邻边之间存在裂缝,则在选项

“Option”中选择“Surface-Point”选项,通过指定三面公共点和一个曲面,重新创建该曲面,以消除裂缝。

应该指出的是,这里的裂缝尺寸是非常小的,一般小于 Patran中全局模型公差的 10倍。

“Extend”:延伸曲面,如图 2-43所示。从图中可以看到,延伸曲面的方式有多种,

可以延伸一个曲面,也可以同时延伸两个曲面,下面一一说明。 方式是同时延伸两个曲

面到两者相交为止,要指定两个曲面,同时也要指定从哪两条边开始延伸; 是延伸一个

曲面到指定的一个平面,应该指定要延伸的曲面,从哪条边开始延伸,以及终止平面;

图 2-42 消除曲面间的拓扑不一致

Page 114: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

114

延伸一个曲面到一条曲线,应该指定要延伸的曲面,从哪条边开始延伸,以及终止曲线;

是同时从相邻的两条边延伸曲面; 是延伸一个曲面到另一个曲面; 是延伸曲面

到指

图 2-43 延伸曲面

定的点; 是以给定长度延伸曲面。曲面延伸功能很多,方法灵活,对于曲面编辑非

常有用。 •

“Refit”:根据已有的曲面创建双三次曲面片,即用三次曲面来近似有高阶几何的曲面。

“Reverse”:将曲面的正方向反向。每个曲面都有自己的法矢量,在这里可以使该矢量反向,同时,可以选择是否将与曲面相联系的单元的方向也反向。

“Sew”:该方法与“Edit/Point/Equivalence”方法相结合,可以消除曲面的重复顶点,

Page 115: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

115

• • •

与“Edit/Surface/Edge”方法结合可以消除曲面的重复边界,这一功能与“Edit/Surface/Match”方法有类似之处。

“Trim”:以给定的边裁剪曲面。 “Fillet”:倒圆角。以给定的半径和指定的顶点对曲面倒圆角。 “Add Hole”:在曲面上挖孔,如图 2-44所示。通过“Option”选项可以选择用什么

样的方式挖什么样的孔。若选择“Center Point”方式,则根据给定的半径和点,以圆柱正投影的形式面上挖孔,所给的点可以不在曲面上;若选择用“Project Vector”方式,则以给定的半径、点、矢量方向,以圆柱投影的形式挖孔;若选择“Inner Loop”的方式,则以选定的任意封闭曲线向曲面正投影挖孔。

图 2-44 在曲面上挖孔

“Add Vertex”:给曲面增加顶点。操作之前,曲面的边界上应该有合适的点可用。 • • • •

“Remove Edge”:去除裁剪曲面的边。 “Remove Hole”:去除曲面上的孔。这个操作与“Add Hole”是互逆的。 “Remove Vertex”:去除顶点。这个操作与“Add Vertex”是互逆的。

Page 116: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

116

2.3.4 编辑实体(Solid)

实体编辑的许多操作跟曲面编辑很相似,下面就略作介绍。 “Break”:根据给定条件将实体拆分,如图 2-45 所示。给定的条件包括“Point”、

“Parametric”、“Plane”、“Surface”,在选项“Option”中选定。选择“Point”选项,则根据给定的点将实体拆分成两个、四个或八个子实体,若该点在实体的边界上,则以过点的平面

将实体拆分成两个子实体,若该点在实体的表面,则以过点的两个正交平面将实体拆分成四

个子实体,若该点在实体内部,则以过点的三个正交平面将实体拆分成八个子实体;若选择

图 2-45 拆分实体

“Parametric”,则根据指定实体的自然坐标值来拆分实体,可以拆分成两个、四个或八个子实体;若选择“Plane”,则是根据选定的平面将实体拆分;若选择“Surface”,则根据选定的曲面将实体拆分。

“Blend”:根据一组实体生成新的参数化实体,同时对原实体的连接部位作平滑处理,可以通过权重参数“Weighting Factors”对平滑处理的程度进行控制。

“Disassemble”:将“B-rep”实体拆分成组成它的原曲面。“B-rep”实体是由

Page 117: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

117

• • •

“Create/Solid/B-rep”方法创建的实体,即由若干曲面围成一个实体。 “Refit”:将几何体中的高阶几何部分用三阶实体来近似表示。因为高阶几何的存在

会严重影响有限元网格的划分,所以要将其消除。 “Reverse”:改变实体自然坐标的方向。 “Boolean”:进行实体间的布尔运算操作。 “Edge Blend”:对实体进行倒角。包括倒直角、倒圆角、通过倒角建立多面体等,

如图 2-46所示。选择 是倒圆角,选择 是倒直角,倒圆角时只需输入一个半径值即可,

倒直角时要输入一个长度值和一个方向值。同时,可根据需要选择对哪些边进行倒角,选择

只对选定的边倒角,选定 则是对围成所选定实体的面边倒角,选择 则对实体所

有的边倒角,这样,可以生成一个多面体,原来的顶点被倒成一个三角形面。 • “Imprint”:将一个实体的外形曲线“印”到另一个实体上。两个实体之间可以是相

接触的,也可以是相嵌的,将第一个实体与第二个实体相交形成的曲线,“印”到第二个实体

的表面,在实体的表面形成一条曲线。

Page 118: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

118

图 2-46 实体倒角

• “Shell”:对实体抽薄壳,如图 2-47所示。即将一个实体内部挖空,形成一个壳体,被选中的表面将被挖空形成一个开口。壳体在每个方向的厚度都是相等的,由用户指定。

Page 119: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

119

图 2-47 对实体抽薄壳

除过以上对点、线、曲面和实体的编辑操作,还有对特征的编辑。“Edit/Feature”用于显示一些与几何模型相关联的 CAD特征。

• 创建几何模型和编辑几何模型实际上都是创建模型中不可或缺的。下边就举一个创建几何模型的例子。 【例 2-1】 创建一个支架实体,如图 2-48所示。 本例用来演示创建几何模型的一些操作,包括点、线、曲面、实体造型、布尔操作等。

Page 120: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

120

图 2-48支架实体

1)建四个点,其坐标分别为 P1(0 0 0),P2(20 0 0),P3(20 10 0),P4(0 10 0),由“Create/Point/XYZ”完成;

2)根据 1)中创建的点创建两条直线 C1、C2,由“Create/Curve/Point”完成,如图 2-49所示;

图 2-49 创建两条直线

Page 121: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

121

3)根据 2)中建立的直线创建一个平面 S1,由“Create/Surface/Curve”完成,如图 2-50所示;

4)根据 3)中建立的平面沿 Z 轴方向拉伸成一个厚为 1 个单位的实体 Solid1,由“Create/Solid/Extrude”完成;

5)创建一个与 Solid1相同的实体 Solid2,并将其移动到与 Solid1相距 9个单位的位置(沿 Z轴方向),由“Transform/Solid/Translate”完成,如图 2-51和图 2-52所示。“Transform”也是对几何体进行编辑的功能之一,详细内容见 2.5.3节;

图 2-50 由两条直线创建一个平面

图 2-51 复制实体

Page 122: MSC PATRAN从入门到精通

图 2-52 复制实体功能面板

6)创建两条直线 C3和 C4,由“Create/Curve/Point”完成,如图 2-53所示;

Τ

122

Page 123: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

123

图 2-53 创建两条直线

7)由直线 C3、C4建立平面 S2,方法同 3); 8)将平面 S2沿 Y向拉伸 1个厚度单位,创建实体 Solid3,形成支架的底面,如图 2-54

所示。方法同 4);

图 2-54 创建实体 Solid3形成支架底面

9)以点 P3为圆心,以 2为半径,以 Z轴为轴线方向,创建一个高为 1的圆柱体 Solid4,由“Create/Solid /Primitive”完成,如图 2-55所示;

图 2-55 创建一圆柱体

Page 124: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

124

10)类似于 5),将圆柱体 Solid4复制到实体另外三个顶点,形成实体 Solid5、Solid6、Solid7,如图 2-56所示;

图 2-56 复制产生另外三个圆柱体

11)到此,实体的大体形状已经拼出来了,但在几何上,这些实体是独立的、彼此没有关系的,应通过布尔加操作使它们形成一个实体。由“Edit/Solid/Boolean”完成;

12)现在应该给实体打孔了,也通过布尔操作来完成。以 P3 点为圆心,以 1 为半径,以 Z轴方向为轴向,创建一高为 10的圆柱体 Solid8;并复制一个同样的圆柱体 Solid9到点P4处,如图 2-57所示;

Page 125: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

125

图 2-57 创建两个圆柱体

13)进行布尔减操作,将圆柱实体 Solid8 和 Solid9 从大实体中减去,形成孔,由“Edit/Solid/Boolean”完成,同时删去辅助的线和面,如图 2-58所示;

14)在底面上挖孔,也通过布尔运算来实现。在底面上,以(2 0 3)点为圆心,以 0.5为半径,以Y轴方向为轴向,创建一个高为 2的圆柱体,由“Create/Solid/Primitive”完成。之后,再复制九个这样的圆柱到相应的位置,如图 2-59所示;

15)进行布尔减操作,将十个小圆柱体从大实体中减去,挖出支架底面上的孔,如图 2-60所示。

Page 126: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

126

图 2-58 用布尔减在实体上打孔

图 2-59 创建十个小圆柱体

Page 127: MSC PATRAN从入门到精通

图 2-60 完整的支架实体

至此,整个支架模型即告完成。

2.4 输入输出几何模型

Patran是一个开放性的软件,其可以通过自己的接口,与其它众多的 CAD系统进行交互,共享模型。Patran可以直接读入许多其它 CAD软件建立的模型,同时也可以将自己的模型输出,共其它软件使用,这给实际的工程应用带来的很大的方便。 模型的输入输出通过 Patran的【File】菜单实现。打开 Patran的【File】菜单,可以看到

有【Import】和【Export】两项,单击【Import】项,可打开输入模型对话框,单击【Export】项,可打开输出模型对话框。下边就分别介绍模型的输入输出。

2.4.1 输入几何模型

一般来说,当要输入一个模型时,应先新建一个空的 Patran 数据库,再由菜单【File】→【Import】打开输入模型对话框输入模型,如图 2-61所示。

Τ

127

Page 128: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

128

图 2-61 输入模型对话框

该对话框右上部有两个选项“Object”和“Source”,“Object”对应的下拉式按钮菜单中选择“Model”项,则表示要输入模型。“Source”项对应的下拉式菜单中列出了 Patran支持的所有输入格式或接口。在 Patran中读入几何模型可分为三个层次:采用相同的 CAD 软件建模核心的(如ACIS、Parasolid xmt)、专用的 CAD软件接口(如 CATIA、Pro/E)、通过标准的数据交换格式(如 STEP、IGES)。

Patran 中支持的专用 CAD 软件接口包括“CADDS 5”、“CATIA”、“EUCLID 3”、“Pro/ENGINEER”和“Unigraphics”。Patran支持的标准数据交换格式包括“Express Neutral”、“IGES”、“MSC.Nastran.Input”、“MSC.Patran.DB”、“Neutral”和“STEP”。“Express Neutral”文件是直接从 CAD 读入几何模型时可产生的中性文本文件,如 MSC.Aries;“MSC.Nastran.Input”文件是 Nastran的标准输入文件.BDF;“MSC.Patran.DB”是 Patran的数据库文件。 也可以对每种输入格式或接口的具体选项进行设置,例如,选用 CATIA接口,在模型输

入对话框中会看到 按钮,打开该按钮即可进行输入选项设置。当

模型输入完成后,Patran 会给出一个模型统计报告表,显示所输入模型的几何统计信息。下面,就以输入一个 CATIA模型为例,来说明整各输入过程。

1)由菜单【File】→【Import】打开输入模型对话框; 2)由“Object”和“Source”选项确定要输入的是 CATIA模型,即在“Object”中选择

“Model”在“Source”中选择“CATIA”;

Page 129: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

129

3)由 按钮打开输入参数设置面板,进行相关参数设置,如

图 2-62所示;

图 2-62 设置 CATIA模型输入参数

4)选择所要输入的文件,单击 按钮,输入几何模型。此时,Patran会弹出一个窗口显示正在进行的工作;

5)Patran弹出一个模型输入报告,如图 2-63所示,输入完成。

Page 130: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

130

图 2-63 输入模型时的报告信息

2.4.2 输出几何模型

在 Patran 中既可以输入几何模型,也可将当前模型输出,输出的格式包括“IGES”、 “Neutral” 、“Parasolid xmt”和“STEP”。由菜单【File】→【Export】打开输出模型对话框,如图 2-64所示。

Page 131: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

131

图 2-64 模型输出对话框

在模型输出对话框中,通过“Format”项选择输出格式,设对应的按钮打开的参数设置面板设置输出参数。并选择好文件存储路径,即可将当前模型输出为指定格式。

2.4.3 修复损坏文件的一种方法 一般来说,Patran的数据库文件.db是不会出现问题的,非常安全可靠,但如果由于某些

原因,.db文件不能正常打开,则不妨使用文件输入的方式,将该数据库文件通过【File】→【Import】输入,则可能会修复其中的错误,重新找回丢失的数据,挽回损失。

2.5 其它几何操作

对于几何建模来说,仅有前面介绍的“Create”和“Edit”还是远远不够的,还有一些平时经常用到的几何操作方法,如复制、镜像、显示几何信息等,都是非常重要的,所以,下

面就对 Patran中的这些功能加以介绍。

2.5.1 删除(Delete)

删除操作是编辑修改几何模型中经常要用的,在【Geometry】面板中,在“Action”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Delete”,则其下方仅会出现“Object”项。删除操作的对象是在几何操作中可创建的所有对象元素,在“Object”项中可以看到:有“Any”、“Point”、“Curve”、“Surface”、“Solid”、“Coord”、“Plane”和“Vector”,其中,“Any”指所有可删除的对象,其它选项则是指只删除该类对象。至于对象的选择,请参见附录 A MSC.Patran中数据的输入方法。

2.5.2 显示信息(Show)

在几何操作中,随时了解各种对象的各种信息,比如位置、尺寸、方向等是非常重要和

必要的,Patran 中专门提供了“Show”这一工具。在【Geometry】面板中“Action”项对应的下拉式按钮菜单中可以看到,其对应的面板如图 2-65所示。

Page 132: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

132

图 2-65 显示几何信息操作面板

“Show”的对象涵盖所有的几何元素,包括点、线、面、实体、平面、矢量和坐标系,由于涉及内容较多,所以下边以列表形式给出,分别说明“Show”对各种几何体的功用。

1. 显示点的信息(Point)。在“Object”选项中选择“Point”,“Info”中各项的功能如表 2-4所示。

表 2-4 显示点信息

Info选项 说 明

Distance 显示点到点、线、面、平面、矢量的距离。

Location 显示点的坐标位置。

Page 133: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

133

Node 显示给定点处节点的标号(ID)。

2. 显示曲线的信息(Curve),如表 2-5所示。 表 2-5 显示曲线信息

Info选项 说 明

Attributes 显示曲线的类型、长度、起始点。

Arc 显示模型中圆弧的总数、当前组中圆弧的总数,还有几何建模公差。

Angle 显示两曲线间的夹角。

Length 以给定的最小长度和最大长度为界,显示处在其间的曲线的起始点、长度和类型。

Node 显示位于曲线上的节点的标号。

3. 显示曲面的信息(Surface),如表 2-6所示。 表 2-6 显示曲面信息

Info选项 说 明

Attributes 显示曲面的面积、几何类型,以及与曲面相关的顶点、边的数量。

Area Range 以给定的最小面积和最大面积为界,显示处在其间的曲面的面积、几何类型,以及与

曲面相关的顶点、边。

Node 显示曲面上节点的标号(ID)。

Normal 显示曲面的法矢量,可是显示在曲面的内部,也可以显示在曲面的边界上。

4. 显示实体的信息(Solid),如表 2-7所示。 表 2-7 显示实体信息

Info选项 说 明

Attributes 显示实体的顶点数、面数,以及实体的体积、几何类型等。

5. 显示坐标系的信息(Coord),如表 2-8所示。 表 2-8 显示坐标系信息

Info选项 说 明

Attributes 显示坐标系在基坐标系中的原点位置,ID号,以及坐标系的类型,如直角坐标系、柱

坐标系等。

6. 显示平面的信息(Plane),如表 2-9所示。

Page 134: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

134

表 2-9 显示平面信息

Info选项 说 明

Attributes 显示平面的 ID号,所在的参考坐标系,在坐标系中的原点位置,以及其单位法矢在每

个方向上的分量值。

7. 显示矢量信息(Vector),如表 2-10所示。 表 2-10 显示矢量信息

Info选项 说 明

Attributes 显示矢量的 ID号,所在的参考坐标系,在坐标系中的原点位置,以及其单位矢量在每

个方向上的分量值。

2.5.3 根据以有几何对象创建新的几何对象(Transform)

Transform 是非常重要而且常用的功能之一,它可以通过对已有几何元素进行移位(阵列)、旋转(阵列)、缩放、镜像等操作来创建新的几何对象。在【Geometry】面板中“Action”项对应的下拉式按钮菜单中选择“Transform”,可以看到该操作能对应各种几个元素,如图2-66所示。

Page 135: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

135

图 2-66 “Transform”的面板

“Transform”对应的操作对象包括点、曲线、曲面、实体、坐标系、平面和矢量,而各对象对应的操作方法也比较类似,即通过如平移、旋转、镜像、缩放等方法来创建新的几何。

所以,下边以方法为主线,来介绍各种方法对各种几何对象的操作。 1. Translate是用平移的方法创建几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、

坐标系、平面和矢量,如表 2-11所示。 表 2-11 Translate

对 象 Translate 功 能 说 明

Point 根据给定的矢量的方向和大小(已其为间距),以给定的点为参考,移动/创建点,可以

Page 136: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

136

一次创建多个点,若参考系是直角坐标系,则沿直线创建点,若参考系是球坐标或柱坐

标系,则可能沿弧线创建点,即成放射状。

Curve 根据给定的矢量的方向和大小(已其为间距),以给定的曲线为参考,移动/创建曲线,

可以一次创建多条曲线,创建曲线的结果同样与坐标系有关。

Surface 类似于对点线的操作。

Solid 同上。

Coord 同上。

Plane 同上。

Vector 同上。

2. Rotate 是用旋转的方法创建几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、坐标系、平面和矢量,如表 2-12所示。

表 2-12 Rotate

对 象 Rotate 功 能 说 明

Point 以选定的点为参照,根据给定的轴线、旋转角度、重复次数通过旋转创建新的点。

Curve 以选定的曲线为参照,根据给定的轴线、旋转角度、重复次数通过旋转创建新的曲线。

Surface 类似于对点线的操作。

Solid 同上。

Coord 同上。

Plane 同上。

Vector 同上。

3. Scale是用缩放的方法创建几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体和矢量,如表 2-13所示。

表 2-13 Scale

对 象 Scale 功 能 说 明

Point 以选定的点为参照,根据给定的基点、各方向缩放比例、重复次数通过缩放创建新的点。

Curve 以选定的曲线为参照,根据给定的基点、各方向缩放比例、重复次数通过缩放创建新的

曲线。

Page 137: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

137

Surface 类似于对点线的操作。

Solid 同上。

Vector 同上。

4. Mirror 是用镜像的方法创建几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、

平面和矢量,如表 2-14所示。 表 2-14 Mirror

对 象 Mirror 功 能 说 明

Point 以选定的点为参照,根据给定的对称平面在参照点的对称位置上创建新的点。同时可以

设定对称平面的偏移量。

Curve 以选定的曲线为参照,根据给定的对称平面在参照曲线的对称位置上创建新的曲线。同

时可以设定对称平面的偏移量。

Surface 类似于对点线的操作。

Solid 同上。

Plane 同上。

Vector 同上。

5. MCoord是通过在两个坐标系之间平移、旋转来创建新的几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、平面和矢量,如表 2-15 所示。一般情况下,Mcoord 操作在相同类型的坐标系之间进行。

表 2-15 MCoord

对 象 Mcoord 功 能 说 明

Point 根据参考点 a在其参考坐标系A中的坐标值,在坐标系 B中创建点 b,使得点 b在坐标

系 B中的坐标值与点 a在坐标系 A中的坐标值相同。

Curve 根据参考曲线 a在其参考坐标系 A中的坐标位置,在坐标系 B中创建曲线 b,使得曲线

b在坐标系 B中的坐标位置与曲线 a在坐标系 A中的坐标位置相同。

Surface 类似于对点线的操作。

Solid 同上。

Page 138: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

138

Plane 同上。

Vector 同上。

6. Pivot是在三点定义的平面内通过旋转的方法创建几何对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、平面和矢量,如表 2-16所示。

表 2-16 Pivot

对 象 Pivot 功 能 说 明

Point 给定三点“Pivot Point”、“Starting Point”和“Ending Point”可以定义一个平面,在该

平面内,以“Pivot Point”为轴点(即以过该点且垂直与该平面的直线为轴线),根据

“Starting Point”和“Ending Point”(即确定一个旋转角度)旋转参照点生成新的点。

Curve 类似于对点的操作。

Surface 同上。

Solid 同上。

Plane 同上。

Vector 同上。

7. Position是根据对象由给定的三个原点所确定的位置,通过平移、旋转、缩放,在由给定的三个目标点确定的相应位置创建新的几何对象,给定的三个原点、三个目标点不要求

完全匹配,但不能共线。不过,一般来说,三个原点(三个目标点)构成的两条直线是正交

的。其对应的对象包括点、曲线、曲面、实体、平面和矢量,如表 2-17所示。 表 2-17 Position

对 象 Position 功 能 说 明

Point 根据参考点与选定的三个原点的位置关系,在选定的三个目标点的相应位置创建一点。

如果给定的三个原点和三个目标点之间的尺寸不匹配,则按比例进行缩放。

Curve 类似于对点的操作。

Surface 同上。

Solid 同上。

Plane 同上。

Vector 同上。

Page 139: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

139

8. VSum 是将两个给定的原点与两组选定的对象之间形成的矢量求和,在和矢量所在的位置创建相应的新的对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面和实体,如表 2-18所示。

表 2-18 VSum

对 象 VSum 功 能 说 明

Point 指定两个原点,选定两组矢量,则两个原点与两组点之间对应形成两组矢量。将这两组

矢量按顺序对应求和,则在和矢量位置处创建新的点。同时,可以分别设定两组矢量在

各个方向上的放大比例因子。

Curve 类似于对点的操作。

Surface 同上。

Solid 同上。

9. Mscale即“Move and Scale”,同时通过移动、缩放、旋转、扭转来创建新的对象。其对应的对象包括点、曲线、曲面和实体,如表 2-19所示。

表 2-19 MScale

对 象 Mscale 功 能 说 明

Point 指定原点,选定平移矢量,指定旋转矩阵各分量,通过缩放、平移和旋转产生新的点。

Curve 类似于对点的操作。

Surface 同上。

Solid 同上。

2.5.4 检查(Verify)

在【Geometry】面板的“Action”项中,“Verify”用来检查曲面的边和 B-rep实体,其用来消除曲面间的裂缝和实体中一些不合法的边,如图 2-67所示。“Verify”对应的项有两个,“Surface”和“Solid”。 “Verify”的作用是显示曲面的“free”边和“non-manifold”边。“free”边是指只属于

一个曲面而没有第二个曲面来与之共享的边,“non-manifold”边则正好与自由边相反,其是指由多个面共享的边。在 Patran中,“non-manifold”边作为曲面模型或一般实体模型的边是合适的,但作为“B-rep”实体模型的边却是非法的。

Page 140: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

140

图 2-67 检查操作

操作时,“free”边和“non-manifold”边都会以高亮度显示,同时,用相应的图形标志表示出来,比如空心圆、实心圆等。单击 ,会弹出如图 2-68所示的控制面板,用来控制边线的显示。

图 2-68 显示控制

Page 141: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

141

通过“Verify”操作,即可知道曲面、实体边的情况,从而可以消除错误,为建立良好的有限元模型打好基础。

2.5.5 联结(Associate)

联结是将一个几何对象“镶嵌”到另一个几何对象中去。比如将点镶嵌到曲线、曲面上,将曲线镶嵌到曲面上等,如图 2-69所示,这样的点、线称为硬点、硬线。镶嵌也是为了建立有限元模型时进行网格划分的方便。在进行网格划分时,有时需要控制结点的分布,

例如,需要在曲面内部的某点处施加载荷,那么,就先在该位置创建一个点,并通过“Associate”将该点联结到曲面上,则在划分网格时,就可以准确地在该点处生成一个节点。再如,两个

曲面呈“丁”字形对接时,也需要将作为交线的曲面A的边联结到曲面 B上,使得在划分网格时,两曲面上相邻单元的节点都在该交线上。

图 2-69 联结几何元素

使用“Associate”可以将点联结到曲线、曲面上,也可以将曲线连接到曲线、曲面上,在【Geometry】面板的“Object”和“Method”中可以选定。被联结的对象会用三角符号表示出来。

2.5.6 反联结(Disassociate) “Disassociate”的作用与“Associate”正好相反,即将联结的对象拆散,恢复其原貌。

因为较为简单,这里就略过了。

Page 142: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

142

2.5.7 重新标号(Renumber) 在实际操作中,往往由于某种需要,要对一些几何对象重新标号,包括点、曲线、曲面、

实体、平面和矢量,如图 2-70所示。 当对某一类几何的对象进行重新标号时,该类对象的统计信息会显示在面板上,包括模

型中该类对象的总数、最小 ID号、最大 ID号,这些信息可以为重新标号提供重要的帮助。“Renumber”对各类对象的操作基本相同,也比较简单,所以在这里就不详细叙述了。

图 2-70 对几个对象重新标号

2.6 本章小结

本章围绕 Patran的几何建模功能,主要介绍了 Patran界面各部分的功能及使用特点,各种几何元素,如点、线、面、实体、平面、矢量、坐标系等的创建和编辑,同时介绍了与几

何相关的一些内容。Patran可以读入其它 CAD系统的模型,也可以输出模型到别的系统,这

Page 143: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

143

些内容在本章也进行了介绍。如果还有不明了的地方,请查阅相关手册。

Page 144: MSC PATRAN从入门到精通

第 3章 有限元网格划分(Element)

划分网格是建立有限元模型时非常重要的一个步骤,分析软件划分网格的能力和质量直

接关系到分析结果的正确性和准确性,Patran 具有良好的网格划分能力,能够完成各种复杂几何的网格划分,并且通过控制功能,可以对划分过程和划分参数进行控制,以满足不同的

需要。在 Patran中进行有限元网格划分由 工具打开的【Element】面板来完成。为了使

网格划分工具具有更好的通用性,不依赖于有限元解算器,在 Patran中将单元的拓扑关系与物理特性分开,也即在划分有限元网格时,只涉及其拓扑,而不涉及单元的物理特性,单元

的物理特性专由 Patran的【Properties】来处理。 Patran具有非常丰富的单元库,可适应不同几何的需要,单元拓扑包括点、线、三边形、

四边形、四面体、五面体、六面体等,同时,一种单元形状又具有多种拓扑形式,比如四面

体单元就具有 4、5、10、11、14、15、16、40节点等不同形式。 Patran 中的有限元单元可以具有几何相关性。相关是指施加到几何上的属性等同于施加

到有限元单元上,而施加到有限元单元上的属性也等同于施加到几何上,根据几何可以找到

其单元,根据单元也能找到其所在的几何,这给模型处理带来的许多方面。 本章的主要内容如下: 划分有限元网格 •

• • • •

手工建立网格 修改有限元网格 模型检查 相关的其它操作

Τ

144

Page 145: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

145

3.1 Element介绍

3.1.1 Element介绍

在 Patran的主窗口中,与【Geometry】工具按钮相邻的就是【Element】,单击它,将打开有限元网格划分面板【Finite Elements】,如图 3-1所示,其形式和操作方法类似于【Geometry】的面板。利用该面板,可以对已有的几何模型直接进行网格划分,也可以根据实际需要,一

个一个的手工创建网格,也可以对已划分好的网格进行修改和优化,图 3-1 具体对应的是直接对曲面进行网格划分的面板。 一般来说,进行网格划分涉及到单元形状及其拓扑类型、网格生成器的选择、网格密度

的控制,以及相关的几何体。同时,每生成一个单元,Patran 都会自动赋予其一个标号,同时也会赋予相关节点标号。生成的网格将以不同于几何的颜色显示,非常直观。

Page 146: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

146

图 3-1 网格划分面板

3.1.2 Patran中的单元库

Patran 提供了较为丰富的单元库,从点、线、面到实体,都有相对应的单元形状和不同的拓扑形式,下面就一一介绍。

点单元(Point):点单元通过节点来创建,其一般用于动态问题中集中质量的处理。在节点处创建点单元,然后将结构中该点处的集中质量赋予该点单元,这样,集中质量所代

表的质量力就施加到了节点上。 梁/杆单元(Beam/Bar):梁杆单元有 2节点、3节点和 4节点三种拓扑形式(以“Bar”

后跟一个表示节点数的数字表示,如 Bar2、bar3、Bar4,其它形式的单元也类似),对应于线性的几何。从几何表达上讲,梁和杆是没有区别的,都用线来表示,但物理特性上来讲,两

者是有区别的,所以,Patran中将梁截面特性的定义放在了【Properties】部分。对于 3节点和 4节点的梁/杆单元,各节点将均匀的插入到单元中,以提高单元的表达精度。一般来说,在每种单元的端点或拐角位置,都有节点,以表征和维持单元的基本形状,例如杆单元的两

个端点,三角形单元的三个顶点。 三角形单元(Tri):三角形单元有 3节点、4节点、6节点、7节点、9节点和 13节

点等形式,适用于曲面的网格划分。4 节点三角形单元的第 4 个节点位于三角形的中心;6节点三角形单元的每一条边上有三个节点;7 节点三角形单元的的每条边上有三个节点,同时中心位置也有一个节点;9节点三角形单元的每条边上有 4个节点;而 13节点三角形单元的每条边上有 4个节点,同时内部有 4个节点。

四边形单元(Quad):相对来说,四边形单元的精确度要高于三角形单元,但其适应能力较差,适合于较规则的曲面。四边形单元有 4节点、5节点、8节点、9节点、12节点和16节点等形式,适用于曲面网格的划分。当单元节点多于 4个时,其节点分布类似于三角形单元。

四面体单元(Tet):四面体单元适用于实体网格的划分,其有 4 节点、5 节点、10节点、11节点、14节点、15节点、16节点和 40节点等形式。5节点的四面体单元其第 5个节点位于四面体的中心部位;10节点的四面体单元其每条边上有 3个节点;11节点的四面体单元除了每条边上有 3个节点之外,其中心位置也有一个节点;14节点的四面体单元每条边

Page 147: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

147

上有 3 个节点,同时每个面的中心位置也有一个节点;15 节点四面体单元的节点分布与 14节点的单元类似,只是在单元体的中心位置有个节点;16节点单元的每条边上有 4个节点;40 节点四面体单元节点的分布比较复杂,其每个面上节点的分布类似于 Tri10,单元体的内部有 11个节点。

五面体单元(Wedge):五面体单元也就是楔形单元,其有 6节点、7节点、15节点、16节点、20节点、21节点、24节点和 52节点等类型。7节点的五面体单元内部有一个节点;15节点的五面体单元每条边上有 3个节点;16节点的五面体单元除了每条边上有 3个节点之外,内部还有一个节点;20节点五面体单元的节点分布是这样的,在两个三角形表面之间插入一个面,这个面上节点的分布类似于 Tri6,而两个三角形表面上节点的分布类似于 Tri7;21 节点五面体单元节点的分布类似于 Wedge20,只是单元中心多了一个节点;52 节点五面体单元节点的分布是这样的,在两个三角形表面之间插入两个三角形平面,总共四个三角形

平面,每个三角形平面上节点的分布类似于 Tri13。 六面体单元(Hex):六面体单元相对于四面体和五面体单元来说,适用性稍差,但

其精度最高,适用于较规则实体的网格划分。六面体单元有 8节点、9节点、20节点、21节点、26节点、27节点、32节点和 64节点等类型。9节点的六面体单元是在单元体的中心位置有一个节点;20节点的六面体单元是每条边上有 3个节点;21节点的六面体单元体比 20节点的单元体在中心位置多了一个节点;26节点的六面体单元是每条边上有 3个节点,同时每个表面的中心位置还有一个节点;27 节点的六面体单元是在单元体中心位置比 26 节点的单元多了一个节点;32节点的六面体单元是在每条边上有 4个节点;64节点的六面体单元是在两个相对四边形表面之间插入两个平面,这样就可得到准平行的 4个四边形,这 4个四边形平面中节点的分布类似于 Quad16。

3.2 直接生成有限元网格(Create)

直接生成有限元网格,就是根据选定的单元形式和拓扑类型,还有选定的网格生成器和

控制参数,对曲线、曲面和实体进行网格划分。当这些参数都选定了之后,Patran 就会自动进行网格划分。

Page 148: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

148

3.2.1 自动网格生成器的分类及其使用范围

Patran中的网格生成器共有三个:IsoMesh、Paver、TetMesh,它们有不同的特点,有不同的适用范围:

IsoMesh:可用于曲线、曲面和实体的网格划分,可以使用的单元类型有三角形、四边形、四面体、五面体和六面体,通过指定划分参数,可以对网格的划分进行严格的控制,

甚至可以精确的控制每个节点的位置;但是,该划分器只适用于简单的、规则的几何,如遇

到 B-rep Solid、Trimmed Surface等复杂几何,则要将其先转化成简单几何,但几何内的硬点硬线将不起作用。

Paver:可用于划分任意曲面,自动以三角形和四边形划分网格,此时,对网格划分的控制不如“IsoMesh”强,可用“mesh seed”和“Global Length”来控制网格的密度,能识别曲面上的硬点硬线。适合于复杂的曲面网格划分。

TetMesh:能对任何实体用四面体进行网格划分,可以通过“mesh seed”或曲率半径来控制网格的密度。

3.2.2 网格疏密的控制

在实际应用中,对于不同的工程精度要求,以及同一项目的不同设计阶段,对分析结果

的精确度是不同的,比如,在初始设计阶段,可能只想快速的计算应力的总体分布情况,此

时,网格划分就可相对疏一些。对应于不同的网格生成器,可以用不同的方法来控制网格的

疏密,下面一一介绍。 Mesh Seed:“Mesh Seed”是【Finite Elements】面板上下拉式分级按钮菜单中的一项,

即“Create/Mesh Seed”,如图 3-2所示。其为“Mesh Seed”的界面之一,对应于不同的方法类型,其界面有所不同。用这种方法,可以在曲线上等距/不等距的撒下一些节点的种子,或是根据曲线的曲率半径来撒种(即指定一些点),将来划分网格时,将以这些点为基本节点。

Page 149: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

149

图 3-2 Mesh Seed的界面

“Mesh Seed”对三种网格生成器均有效。创建“Mesh Seed”的方式方法有六种,具体如表 3-1所示。

表 3-1 创建Mesh Seed的方法

方 法 名 称 说 明

Uniform 在指定的曲线、曲面/实体的边上,根据给定的长度或单元总数来等距的生成Mesh

Seed。生成的Mesh Seed将以小黄园表示,在之后的操作中,只有选定与其相关的

操作时才会显示。

Page 150: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

150

One Way Bias 在指定的曲线、曲面/实体的边上,以长度等比递增或递减的方式,根据给定的单

元总数和长度比,或根据曲线的实际长度和长度比,生成Mesh Seed。这里的长度

比指由生成的Mesh Seed将曲线分割成的曲线段之中相邻两线段之间的长度比。

Two Way Bias 该方法类似于“One Way Bias”,只是从曲线的两头开始,生成的Mesh Seed将按

长度对称分布。

Curv Based 在指定的曲线、曲面/实体的边上,由区率控制生成Mesh Seed。这里Mesh Seed的

分布可以是等距或不等距的(即将来生成的单元边长是相同或不相同的),由

“Element Edge Length”指定。同时,通过指定弦高 h或弦高 h与弦长 l的比值 h/l

来控制Mesh Seed的分布,也即控制网格的密度。或者,也可以通过指定“Min

Length”和“Max Length”来控制网格的密度。

Tabular 在指定的曲线、曲面/实体的边上,根据表格描述的种子点的位置生成Mesh Seed,

如图 3-4所示。若在“Coordinate Type”中选择“Arc Length”,则根据曲线上的弧

长位置生成Mesh Seed,在“Seed Location Data”项中输入位置坐标,该值的范围

在 0~1.0之间;若在“Coordinate Type”中选择“Parametric”,其与“Arc Length”

类似,输入值是曲线的参数 u的值;若在“Coordinate Type”中选择“Nodes or Points”,

则在指定的节点或点的位置生成Mesh Seed。

PCL Function 在指定的曲线、曲面/实体的边上,根据 PCL函数定义的位置生成Mesh Seed。Patran

中已预定义了三个函数 Beta、Cluster、Roberts,可直接利用它们生成Mesh Seed。

用户也可以定义自己的 PCL函数,下面是函数 Beta的代码。

FUNCTION beta(j,N,b)

GLOBAL INTERGER j,N

REAL b,w,t,rval

w=(N-j)/(N-1)

t=((b+1.0)/(b-1.0))**w

rval=((b+1.0)-(b-1.0)*t)/(t+1.0)

RETURN rval

END FUNCTION

Page 151: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

151

图 3-4 通过表格输入生成Mesh Seed

Global Edge Length:如图 3-1所示,“Global Edge Length”是面板上的一个控制选项,可输入长度值,以缺省的设置单元的长度/边长。当没有用其它方法进行网格的疏密控制时,则由“Global Edge Length”的值来确定网格的大小,以控制网格的疏密。也就是说,“Global Edge Length”的优先级最低。

Hard Geometry:硬几何即硬点和硬线,当需要在某个点的位置或某条线上生成节点

Page 152: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

152

时,可指定该点或该线为硬几何(见 2.5.5节),这样就可控制节点的生成,也是一种控制网格密度的方法。

Mesh Control:“Mesh Control”是一种控制曲面上单元尺寸的方法,其也是【Finite Elements】面板上下拉式分级按钮菜单中的一项,即“Create/Mesh Control”,如图 3-3所示。

图 3-3 Mesh Control的界面

通过指定曲面上单元的边长,来控制网格的疏密。 除过以上四种之外,还有“Curvature Check”和“Max/Min Edge Length”方法,它们一

般配合上边的方法使用。“Curvature Check”是根据曲率的大小来自动调整网格的疏密,即保证 h/l小于设定的值,其中 h是弦高,l是弦长;“Max/Min Edge Length”方法是控制网格的大小,使其所有边长都落在“Min Edge Length”和“Max Edge Length”之间。

3.2.3 网格自动生成的操作过程

直接生成网格的面板如图 3-1所示,可以对曲线、曲面和实体进行网格划分。一般来说,自动生成网格的步骤如下:

选择单元形状和拓扑形式,如 Quad、Hex; • • • •

选择网格生成器,如“IsoMesh”、“TetMesh”,指定网格划分参数; 指定“Global Edge Length”,进行网格密度控制; 输入/选择相应的几何体;

Page 153: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

153

• 单击 划分网格。 •

在“Create/Mesh”下的“Type”可以看到,可以直接对线、面、体进行网格划分,具体如表:

Curve:直接对曲线进行网格划分,单元的拓扑类型可选用 Bar2、Bar3、Bar4,同时用“Global Edge Length”控制网格的密度。

2 Curves:对由两条曲线围成的区域(曲面)进行网格划分,单元可选用不同节点数的 Tri单元和Quad单元,网格生成器可用“IsoMesh”,同时可由按钮打开如图 3-5所示的参数设置面板进行选择设置,以控制生成网格分布形式和相关参数。同时,可由 按钮来在通过指定单元数量控制网格密度和通过指定

“Global Edge Length”控制网格密度之间切换。

图 3-5 网格生成器 IsoMesh的参数设置

• Surface:与“2 Curve”方法类似,只是既可以选用“IsoMesh ”网格生成器,也可以选用“Paver”网格生成器,而且网格的密度只能由“Global Edge Length”来控制。但选用“Paver”网格生成器时,可单击 按钮,打开如图 3-6 所示的面板,可

Page 154: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

154

进行网格划分参数设置和网格密度设置。

图 3-6 网格生成器 Paver的参数设置

• Solid:直接对实体进行网格划分,可选用的单元类型包括各种节点数的 Tet、Wedge和 Hex单元。对应于不同的单元类型,可选用不同的网格生成器,Tet、Wedge 和 Hex三种单元形式都可以用 “IsoMesh”来划分,Tet也可以用“TetMesh”来划分。网格的密度可通过“Global Edge Length”的设置实现。当选用“TetMesh”来划分网格时,可单击

按钮打开如图 3-7所示的参数设置面板,进行网格划分的参数设置。

Page 155: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

155

图 3-7 网格生成器 TetMesh的参数设置

如果想了解更详细的内容,请参考相关手册。

2.2.4 几何协调性与有限元网格的协调性

几何协调是指不同的曲面/实体之间具有共同一致的边或面。如果两个几何是协调的,则在自动划分网格时,Patran 会使两几何在交界处的网格自动保持一致。对于两个几何体交界处的网格密度,Patran按下边的优先级来决定:

根据“Mesh Seed”; • • • 与相邻几何上的网格划分相一致; 根据“Global Edge Length”来确定。

如果两个几何之间不一致,则直接划分网格会引起几何间单元网格的不一致,所以,应

先将其消除掉。可以用几何的方法消除不一致,如【Geometry】中的“Create/Surface/Match”、“Create/Surface/Trimmed”、“Edit/Surface/Edge Match”,可参见 2.2.4节和 2.3.3节;也可以用网格控制工具来确保网格一致,如硬几何或“Create/Mesh Seed/Tabular”等。

Page 156: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

156

3.3 用别的方法生成有限元网格(Transform、Sweep)

除过直接自动的生成网格之外,也可以通过对已有网格的操作生成新的网格,如移动、

转动、镜像、拉伸、滑动等,可生成新的网格,甚至由低阶网格生成高阶网格。这些功能由

【Finite Elements】面板的“Transform”和“Sweep”来实现。

3.3.1 移动、旋转、镜像(Transform)

【Finite Elements】面板中的“Transform”可以对节点和单元进行移动、旋转和镜像操作,从而生成新的节点和单元,如图 3-8 所示。使用时,在【Finite Elements】面板中选择“Transform/Node(或 Element)/Translate(或 Rotate或Mirror)”。由于对节点和单元的操作

Page 157: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

157

图 3-8 通过移动生成节点

比较类似,所以归并到同一表中说明,如表 3-3所示。 表 3-3 Transform功能说明

Method 说 明

Translate 通过将指定的节点/单元沿指定的方向移动指定的距离创建新的节点/单元。在“Type of

Transformation”选项中可以选择移动操作的参考坐标系是直角坐标还是柱坐标系/球坐

标系,移动的方向和距离由“Direction Vector”中指定的矢量来确定,而复制的次数由

“Translation Parameters”中的“Repeat Count”参数来确定。当这些参数都确定了,则

选择所要操作的节点/单元,进行移动复制操作,同时,可以选择是否保留原节点/单元。

Rotate 通过将指定的节点/单元绕指定的周旋转指定的角度创建新的节点/单元。旋转轴在

“Axis”项中指定,在“Rotation Parameters”中可分别指定旋转角度、起始角度和重复

次数。同样,也可以选择是否保留原节点/单元。

Mirror 通过将指定的节点/单元以指定的平面为对称面镜像生成新的节点/单元。这里的对称面

由平面的法向矢量来表示,在“Define Mirror Plane Normal”项中指定。

3.3.2 拉伸、滑动(Sweep)

“Sweep”的作用对象是网格单元,通过对基网格进行拉伸、滑动,由低阶网格生成高阶网格,如图 3-9所示。如由 1D网格生成 2D网格,由 2D网格生成 3D网格,一个 Hex单元可以由一个 Quad单元沿指定的路径扫过而生成。

Page 158: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

158

图 3-9 沿圆弧扫过生成单元

“Sweep”对应的方法较多,在“Method”对应的下拉式按钮菜单中可以看到,共有九个,每种方法的使用如下:

• Arc:将基单元绕指定的轴旋转一定角度,生成高一阶单元,如图 3-9所示。在相应的文本框中,可以指定所在的坐标系、参考的旋转轴、要旋转的角度和起始旋转角度。同时,

可以用 按钮打开如图 3-10所示的【Sweep FEM Parameters】面板,进行基单元与新生成单元之间关系的设置,即由哪种单元经过“Sweep”后生成哪种单元,其它方法中也有该设置项。同时,可以由按钮 打开如图 3-11 所示的

Page 159: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

159

【Mesh Cortrol】面板,进行网格的疏密的控制,“Sweep”的其它方法中也同样有该控制项。

图 3-10 由基单元生成新单元的设置

图 3-11 “Arc”方法中的网格疏密控制

• Extrude:将基单元沿指定的矢量方向拉伸一段距离,生成高阶新单元。在相应的文本框中输入参考坐标系、方向矢量、伸长或滑动距离、起始距离等,同时可选择是否保留基

单元。

Page 160: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

160

• Glide:将基单元沿指定的路径曲线滑动,生成新的单元。在对应的文本框中输入路径曲线,同时可以由 按钮打开如图 3-12所示的【Glide Control】面板,对“Glide”操作进行更进一步的控制。

图 3-12 “Glide”方法控制设置

Glide-Glide:将基单元沿指定的路径滑动,生成新的单元。该方法的好处是在基单元沿着路径曲线滑动的同时,可以旋转(因为是两条路经曲线),例如划分一个弯曲管道的网

格。类似于“Glide”方法,该方法有一个【Glide-Glide Control】面板。应注意的是,路径曲线的起点或终点应与基单元相连接,否则可能会出现意想不到的结果。

Loft:将两组协调一致的 2D单元连接起来,生成一组 3D单元。应特别强调的是作为基单元的 2D单元应协调,否则,不能完成相应操作。

Normal:将基单元沿各自的法线方向滑动指定的距离,产生新的单元。既可以沿法线的正方向滑动,也可应沿法线的副方向滑动。

Radial Cylindrical:给定一个轴线和一个径向距离,将基单元沿该轴线的径向滑动,生成新单元。

Page 161: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

161

Radial Spherical:将基单元在球坐标系中以给定的距离沿径向滑动,生成新单元。这里得球坐标系,只给出了坐标原点,因为只用到一个球心。

Spherical Theta:将基单元在定义的球坐标中以给定的角度沿经线方向旋转,生成新单元。这里,要通过一根轴和原点来定义球坐标,在指定旋转角度(饶轴旋转)和起始角度。

Vector Field:要求输入一个可以空间变化的矢量场(关于矢量场,参见第 11章),将基单元沿矢量场中各矢量的大小和方向拉伸或滑动,生成新的单元。应预先定义矢量场,

如一个双变量的函数。 应该指出的是,由“Transform”和“Sweep”产生的网格没有几何相关性,但这可以通

过 3.7.2节中的“Associate”来解决,可以手工的将几何与有限元单元连接起来,使其相关。

3.4 手工生成有限元网格(Create)

有时,由于实际结构非常复杂,在局部需要作详细处理,或是要在特定的位置生成特定

的节点或单元,这就需要手工处理,来一个一个的生成节点、单元,还有多点约束,如图 3-13所示。

Page 162: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

162

图 3-13 手工创建节点

3.4.1 手工创建节点

手工创建节点比较简单,如图 3-13所示,选定参考坐标系,输入点的位置即可,同时,可以选择是否使生成的节点与几何相关。一般来说,生成节点是为生成单元作准备。

3.4.2 手工生成单元

如图 3-14所示,可以生成 Patran所支持的各种形状和拓扑类型的单元,而节点的输入可以选择已有的节点,也可以指定点的坐标。当单元形状选择的是“Bar”时,对应的节点输入模式“Pattern”有三种:“Standard”、“PWL”、“Elem Edge”。“Standard”是输入两个节点或坐标位置来创建一个单元;“PWL”模式则是通过输入多个节点,顺序的建立多个单元;“Elem Edge”模式则是通过输入已有单元的边,来创建若干个单元。当单元形状选择的是“Tri”时,对应的模式“Pattern”有两个:“Standard”和“Elem Face”,“Elem Face”是选择已有 3D单

Page 163: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

163

元的面来创建“Tri”单元。当单元形状选择的是“Quad”时,对应的模式“Pattern”也有两个:“Standard”和“Elem Face”。

图 3-14 手工生成四边形单元

3.4.3 创建超单元

超单元(Superelement)超单元分析是求解大型问题一种十分有效的手段,特别是当工程师打算对现有结构件做局部修改和重分析时。超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多

小的子部件来进行分析,即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩

成一组主自由度,类似于子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。创建高级单元的面板如图 3-15所示。超单元只用于 Nastran解算器,而对其它解算器无效。

Page 164: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

164

图 3-15 创建超单元

在“Superelement List”框中,可以看到已有的超单元的名称。要创建新的“Superelement”,则首先应在“Superelement Name”中输入其名称,接着要在“Element Definition Group”中选择相应的单元组,然后,单击 按钮,打开如图 3-16所示的【Select Boundary Nodes】面板,选择创建超单元的边界节点,之后,单击 和 按

钮,回到图 3-15的面板,单击 完成。

Page 165: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

165

图 3-16 选择超单元的边界节点

3.4.4 多点约束(MPC)

多点约束(MPC,Multi-Point Constraint)是对节点的一种约束,即将某节点的依赖自由度定义为其它若干节点独立自由度的函数。例如,将节点 1的 X方向位移定义为节点 2、节点 3和节点 4X方向位移的函数。 多点约束常用于表征一些特定的物理现象,比如刚性连接、铰接、滑动等,多点约束也

可用于不相容单元间的载荷传递,是一项重要的有限元建模技术。但是,建立明确的、能够

正确描述各种现象的多点约束方程是非常不容易的。 对应于不同的分析解算器和分析类型,Patran 支持的多点约束类型是不同的。这里以

Nastran的结构分析为例,则共有 12种类型的多点约束,这里就以 Explicit为例来介绍。 • Explicit:用于定义某节点的位移与其它若干节点位移的函数关系,该函数是一个一

次多项式。如图 3-17所示,在“Explicit”的面板上,可以明确地看到,其对应的分析解算器是“MSC.Nastran”,而分析类型是“Structural”。除过“Cyclic Symmetry”和“Sliding

Page 166: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

166

图 3-17 创建多点约束

• Surface”,其它所有的多点约束类型创建界面都很类似,每个面板上都有按钮,单击它,可打开不同的【Define Terms】面板,用于不同多点

约束的定义,“Explicit”对应的【Define Terms】面板如图 3-18所示。该【Define Terms】面板用于将一个节点某方向上的位移定义为若干个节点位移的一次多项式函数。

Page 167: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

167

图 3-18 “Explicit”型多点约束的定义

从图 3-18中可见,有“Dependent Terms”、“Independent Terms”项、“Coefficient”项、“Node List”项、“DOFs”项和四个操作项(“Create Dependent”、“Create Independent”、“Modify”和“Delete”),自由度项“DOFs”有六个选项:“UX”、“UY”、“UZ”、“RX”、“RY”和“RZ”,分别表示节点的六个位移自由度。使用时,一般先选定“Create Dependent”项,输入一个节点及其某个方向的位移自由度,表示要建立该节点该方向上位移的函数,所选定的节点和位

移方向会显示在“Dependent Terms”项中;接着,系统会自动选定“Create Independent”项,即输入一些节点的位移作为函数的变量,在“Coefficient”项中输入位移变量的系数,在“Node

Page 168: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

168

List”项中输入作为变量的节点,在“DOFs”中选择位移自由度,单击 ,则函数的

一个变量定义完成。这时,在“Independent Terms”项中可以看到。有几个变量,就重复操作几次,直到所有作为变量的节点位移都输入。如果某个节点输入有误,可用“Modify”和“Delete”项修改和删除。当所有的输入都完成之后,单击图 3-17中的 ,就完成了

一个多点约束的建立,屏幕上将以一个紫红色的小圆和若干条连接依赖节点和独立节点的线

段表示出来。 • Cyclic Symmetry:在两个不同的区域之间,建立一组柱面对称的多点约束边界条件,

如图 3-19所示。

图 3-19 建立轴对称的多点约束边界条件

从图 3-19中可见,需要选择一个柱坐标系,该坐标系的 Z轴将作为对称轴,在“Dependent Region”和“Independent Region”的文本框中,输入依赖节点和独立节点,依赖节点和独立

Page 169: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

169

• 节点必须成对出现,而且,各节点对的角度差应该相等。

Sliding Surface: 在两个相一致的区域的节点之间,定义一个滑动曲面。对应节点间的移动自由度(即垂直于该曲面方向)被约束,但其它方向上保持自由,如图 3-20所示。

图 3-20 定义滑动曲面

• Rigid(Fixed):固定的多点约束。其将若干个依赖节点与某个独立节点相互固定,从而使依赖节点的所有自由度都与独立节点保持一致,包括位移也保持一致,如图 3-21所示。这种多点约束在用曲面模拟板状实体时,可以连接不同的平面,从而可以使不同的曲面连接

起来。

Page 170: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

170

图 3-21 定义固定多点约束

3.5 对节点、网格或多点约束进行修改(Modify)

由于建模的需要,往往要对应经创建的节点、网格或多点约束等有限元对象进行编辑修

改,改变其形状或相关属性,“Modify”提供了所需的各种编辑修改功能。下面就分别加以说明。

Page 171: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

171

3.5.1 编辑修改网格(Mesh)

对网格的修改有三种类型:曲面、实体和缝合,在“Type”中可以看到。这里的网格是由自动方法生成的网格。

Surface:根据选定的硬节点,通过迭代算法,进一步提高曲面上网格的平滑度,如图 3-22 所示。这里所使用的是“Laplacian-Isoparametric” 光滑算法,最终的网格和运行时间由“Smoothing Parametric”参数确定。所谓的硬节点,是选定的一些节点,其在光滑过程中位置将保持不变,这一项是可选的,曲面边界上的节点将被视为硬节点。

图 3-22 光滑曲面上的网格

单击 按钮,即可打开如图 3-23所示的【Smoothing Parametric】参数设置面板,可对光滑参数进行设置。第一个参数是设置“Laplacian”和“Isoparametric”两种光滑算法的使用比例,滑块在最左边时,只使用“Laplacian”算法,在最右边时,纯粹使用“Isoparametric”算法;第二个参数是设置迭代次数,缺省情况为 20;第三个参数用来设置光滑递增系数,其表征了节点在每次迭代中所移动的距离,一般取值小于 0.1;第四个参数控制着光滑结束的公差系数,即当前一次迭代中最大的移动距离小于该系数对应的值时,迭

代结束。

Page 172: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

172

图 2-23 Smoothing的参数设置

• Solid:用选定的准则提高实体网格的质量,如图 3-24所示。这种方法只适用于由“Tet”类型的单元划分的网格,可以通过如该面板上的按钮进行参数设置,例如按钮

对应的设置参数有优化单元区域选择、几何与网格的相关性控制、

硬节点选择、输出信息控制等,按钮 对应的面板可进行迭代次数控制、

单元质量控制等;按钮 和 对应的面板用来来设定迭

代时与单元质量有关的参数,涉及到一些数学问题,如单元的雅克比行列式、高斯点等。

Page 173: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

173

图 3-24 提高实体网格的质量

• Sew:缝合选定的三角形单元中存在的裂纹,Patran通过自动的合并节点或分割三角形消除内部的自由边,如图 3-25所示。“Target Element Edge Length”项用来确定网格的边长,而裂纹的最大尺寸一般取作该长度的十分之一。

Page 174: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

174

图 3-25 缝合三角形单元间的裂纹

3.5.2 编辑修改单元(Element)

对单元的编辑修改,包括单元的标号、类型、相关性、正方向,以及对单元进行再分割

等,下边就分别介绍。 • Edit:可改变单元 ID号、拓扑类型和与节点的相关性等属性,这三种属性可分别修

改,也可同时进行,如图 3-26所示。要修改哪项属性,可在“Element Attributes”中选择确定,每选定一项,相应的输入操作界面就会显示在面板的下部,图中给的是三个选项都选定

的情况。

Page 175: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

175

图 3-26 修改单元的属性

若选定“Element Attributes”中的“ID”项,则可以改变单元的 ID号,在“Element List”中选定单元,在“New ID’s”中输入新的标号即可。 若要改变单元的拓扑类型,则选定“Element Attributes”中的“Type”项,改变单元的拓

扑类型,不会改变单元型种,只会改变单元的节点数,例如,可以将Quad8单元变为Quad4单元。 若选择“Connectivity”,则可以改变与指定单元相关的节点。

Reverse:单元的节点连接是有顺序的,这个顺序就确定了单元的法线方向,也就单•

Page 176: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

176

• 元的正方向,用“Reverse”可以改变单元的正方向,使其与原正方向相反。

Separate:将选定的单元以给定的方式分割,如图 3-27所示。分割的方式在“Option”对应的下拉式按钮菜单中选择,可以是在单元的节点、单元的边、单元的面、单元的自由边、

自由面处分割,“Keep Node Association”选项用来指定新生成的节点是否与几何相关。

图 3-27 分割单元

3.5.3 编辑修改梁/杆单元(Bar)

对“Bar”单元的修改方法只有一种,即分割,将一个单元等分成两个单元,如图 3-28所示。

Page 177: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

177

图 3-28 等分杆单元

3.5.4 编辑修改三角形单元(Tria)

对三角形单元的修改也只有一种方法,即分割,但分割的方式有六中,如图 3-29所示。

当选择 方式时,又有三种不同的分割方法:在最长的边上分割、在选定的节点处分割和

在选定边的给定位置处分割;当选择 方式时,会将一个三角形单元分割成一个三角形单

元和一个四边形单元,分割的方法有两种:在最尖的角处分割和在选定的节点处分割。

Page 178: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

178

图 3-29 分割三角形单元

3.5.5 编辑修改四边形单元(Quad)

对四边形单元的修改也只有分割,可将一个四边形分割成若干个四边形、三角形,如图

3-30所示。分割方式共有六种,当选择 方法时,将一个四边形单元分割成两个四边形单

元,分割的方法有两种:在最长的边上分割和在选定的边上分割;当选择 方法时,有两

种分割方法:将一个四边形单元分割成四个四边形单元和分割成N×M个四边形单元;当选

Page 179: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

179

择 方式时,将一个四边形单元分割成两个三角形单元,也有两种方法: 以最小的对角线分割和以指定的节点分割。

图 3-30 分割四边形单元

3.5.6 编辑修改四面体单元(Tet)

对四面体单元的修改也只有分割,即将一个四面体单元分割成两个或三个四面体单元,

如图 3-31所示。分割的方式有两种,若选择 方法,则在选定的一条边上分割;若选择

方法,则以指定单元的某个面上的一点为新节点,将原四面体分割成三个四面体。

Page 180: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

180

图 3-31 分割四面体单元

3.5.7 编辑修改节点(Node)

对节点的修改包括改变节点属性(如 ID、坐标系)、位置,进行投影等。其对应的方法共有四种,下边就分别介绍。

• Move:将选定的节点移动到指定的位置,如图 3-32所示。可以同时选定若干个节点,同时输入若干个位置坐标,一次移动若干个节点。

Page 181: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

181

图 3-32 移动节点的位置

• Offset:根据矢量的方向和大小移动节点,如图 3-33 所示。移动的参考坐标系可以是迪卡尔坐标系,也可以是柱坐标系或球坐标系,选定了参考坐标系,输入方向矢量,Patran会自动计算矢量的大小,并显示出来,也可取矢量的相反方向为实际移动方向。

Page 182: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

182

图 3-33 移动节点位置

Edit:修改节点的 ID、坐标系、位置等属性,如图 3-34所示。类似于 3.5.2节中单元属性的修改,可以单独的修改一项属性,也可以同时都加以修改,在“Nodal Attributes”

Page 183: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

183

图 3-34 修改节点的属性

中选择确定,在需要修改属性对应的文本框中输入新的值即可。 • Project:通过投影方式将节点移动到曲线、曲面或平面上,如图 3-35所示。投影的

目标类型由“Project onto”项来选择确定。投影的方向有三种定义方式,在“Direction”对应的下拉式按钮菜单中可以看到:“Normal”方式是指以垂直于投影目标的方式将节点投影移动;“Define Vector”是指以定义的矢量方向来投影移动节点;“View Vector”是以当前视野方向矢量投影移动节点。如果投影目标是曲线,则只能使用第一种方法。

Page 184: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

184

图 3-35 投影移动节点

3.5.8 编辑修改网格种子(Mesh Seed)

对于已经创建的网格种子(Mesh Seed),在这里可进行修改,例如种子的密度、类型等,如图 3-所示。“Select One Curve”用来选择需要进行网格种子修改的曲线,“Type”项用来选择新生成网格方法类型,如等距离分布,等比长度分布等,可参见 3.2.2节的表 3-1。

Page 185: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

185

图 3-36 修改Mesh Seed

3.5.9 编辑修改多点约束(MPC)

修改多点约束与创建多点约束的方法节本一样,所以这里就不再多做叙述,可参见 3.4.4节。

3.6 对模型进行检查(Verify、Equivalence)

一般来说,在自动划分网格时,在协调的几何间往往会产生重复节点,这样的节点需要

Page 186: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

186

检查并处理,否则将不能进行正确的分析运算。再者,网格划分好之后,应该对网格的质量

加以评估,如果觉得不甚满意,则可以重新划分或进行优化。所以,对模型进行检查是非常

必要和重要的。“Verify”用来对模型进行检查,而“Equivalence”用来消除重复的节点,两者一般配合使用,例如,用“Verify/Element/Boundary”来检查是否有重复节点,而用“Equivalence”来消除重复节点。

3.6.1 模型检查(Verify)

模型检查“Verify”包括多种不同的关于有限元模型有效性的检查,如单元扭曲度、单元重复、模型边界、节点连接、单元/节点的 ID号等。 单元扭曲的检查,是通过将实际单元与理想形状相比较,得出检查结果,并将检查结果

与设定的准则值相比较,已确定该单元是否可用。一般来说,“Verify”作用与当前激活的单元组。 “Verify”对应的检查对象和检查内容比较多,下面就一一介绍。

Element:检查单元,其对应的检查内容和方法较多,如表 3-2和图 3-37所示。 表 3-2 检查单元

Test 说 明

Boundaries 显示单元的自由边或自由面,并且报告所有检查有问题的情况。

Duplicates 检查单元,看它们的角节点是否一致,以确定是否有重复单元。

Normals 比较相邻壳单元的法向矢量。

Connectivety 用体积法检查,看单元与节点是否正确连接,如果某单元出现副体积,则会高亮度显

示。

Geometry Fit 检查单元与其相关的几何之间是否具有合适的距离。

Jacobian Ratio 报告最大的单元的雅克比行列式的值。

IDs 根据 ID的不同,用不同颜色显示单元。

Page 187: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

187

图 3-37 检查单元

Tria:检查三角形单元,主要是单元的形状,如表 3-3和图 3-38所示。 • 表 3-3 检查三角形单元

Test 说 明

All 检查所有与三角形单元有关的项,并且报告所有检查有问题的情况。

Aspect 计算单元的长宽比,即较短的两条边的比。

Skew 用边二等分法检查单元的锥度。

Page 188: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

188

图 3-38 检查三角形单元

Quad:检查四边形单元,主要集中在单元的形状,如表 3-4和图 3-39所示。 • 表 3-4 检查四边形单元

Test 说 明

All 检查所有与四边形单元有关的项,并且报告所有检查有问题的情况。

Aspect 计算单元的长宽比。

Warp 检查单元的翘曲度。

Skew 用边二等分法检查单元的倾斜角。

Taper 检查单元的四边形的锥角。

Page 189: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

189

图 3-39 检查四边形单元

Tet:检查四面体单元的形状,包括面、角度、体积等,如表 3-5和图 3-40所示。 • 表 3-5 检查四面体单元

Test 说 明

All 检查所有与四面体单元有关的项,并且报告所有检查有问题的情况。

Aspect 比较四面体单元的高与其对应的底面面积平方根的比。

Page 190: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

190

Edge Angle 计算四面体单元相邻面的最大偏差角。

Face Skew 用边二等分法检查四面体单元每个面的倾斜角。

Collapse 确定四面体单元的体积应大于门槛值,不同体积的单元将以不同的颜色显示出来,体

积小于门槛值的单元将以高亮显示。

图 3-40 检查四面体单元

Wedge:检查五面体单元,确保其形状符合要求,如表 3-6和图 3-41所示。 • 表 3-6 检查五面体单元

Test 说 明

Page 191: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

191

All 检查所有与五面体单元有关的项,并且报告所有检查有问题的情况。

Aspect 比较五面体单元三角形表面的高与两个三角形面之间的距离的比值的最大值。

Edge Angle 计算五面体单元相邻面的最大偏差角。

Face Skew 用边二等分法检查五面体单元每个面的倾斜角。

Face Warp 检查五面体单元每个四边形表面的翘曲度。

Twist 计算五面体单元中两个相对的三角形表面的扭转角。

Face Taper 检查单元每个四边形面的四边形锥度。

图 3-41 检查五面体单元

Page 192: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

192

• Hex:检查六面体单元,具体内容如表 3-7和图 3-42所示。 表 3-7 检查六面体单元

Test 说 明

All 检查所有与六面体单元有关的项,并且报告所有检查有问题的情况。

Aspect 计算六面体单元中每对相对面之间的最大与最小距离比。

Edge Angle 计算六面体单元相邻面的最大偏差角。

Face Skew 计算六面体单元每个面的倾斜角,并报告其最大值。

Face Warp 计算六面体单元每个面的翘曲度。

Twist 计算五面体单元中两个相对的三角形表面的扭转角。

Face Taper 检查单元每个四边形面的四边形的锥度。

Page 193: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

193

图 3-42 检查六面体单元

Node:生成基于节点 ID 的云文图,用于显示节点标号是否已经被优化处理,如图3-43所示。

Page 194: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

194

图 3-43 检查节点标号

Midnode:所有的二阶单元(拥有中间节点)的中间节点的位置也是单元衡量质量的一个参数,可以对其进行检查,如表 3-8和图 3-44所示。

表 3-8 检查单元的中间节点

Test 说 明

Normal Offset 计算中间节点的垂直偏移与单元边长的比值。

Tangent Offset 测量中间节点到单元边的中点的偏移量,计算这个偏移量与单元边长的比值。

图 3-44 检查中间节点

Page 195: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

195

• Superelement:只对 Nastran有效,显示高级单元的边界,同时可以选择是否显示节点。

3.6.2 消除重复节点(Equivalence)

“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。

图 3-45 消除重复节点

“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。

Page 196: MSC PATRAN从入门到精通

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。 “Equivalence”对应的对象共有三个“All”、“Group”和“List”,每类对象对应的方法

都相同,“Tolerance Cube”和“Tolerance Sphere”,具体如表 3-9所示。 表 3-9 消除重复节点

Object Method 说 明

Tolerance Cube 对整个模型进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以立

方体方法来判断重复节点。

All

Tolerance Sphere 对整个模型进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以球

体方法来判断重复节点。

Tolerance Cube 对选定的组进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以立

方体方法来判断重复节点。

Group

Tolerance Sphere 对选定的组进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以球

体方法来判断重复节点。

Tolerance Cube 对选定的节点进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以

立方体方法来判断重复节点。

List

Tolerance Sphere 对选定的节点进行“Equivalence”操作,根据给定的公差长度,以

球体方法来判断重复节点。

3.7 其它操作(Renumber、Associate、Disassociate、

Optimize、Show、Delete)

在【Finite Elements】中除了前面介绍过的划分单元网格的诸多操作以外,还有很多其它操作,例如节点单元的重新标号、联结、优化、显示信息、删除等操作,在网格划分过程中,

这些功能也是非常重的。

Page 197: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

197

3.7.1 重新标号(Renumber)

通常,节点、单元的标号(ID)是由 Patran自动选择和顺序分配的。有时,需要人为的改变这些标号,例如,将特定对象的标号限定在一定范围内,或者想使这些标号连续分布在

1~N之间(由于执行删除、合并等操作,会使节点、单元或多点约束的标号出现不连续)等。ID必须是正整数,并且同一类对象的 ID不允许重复,缺省情况下,ID从 1开始。重新标号的面板如图 3-46所示。

图 3-46 改变对象的 ID

“Renumber”的对象有三种:Node、Element和MPC,在“Object”中可以看到。对节点、单元、多点约束 ID的修改方法基本相同,在面板上,可以看到对象的 ID的统计信息,如对象的总数、最大标号、最小标号等。在“Numbering Option”中,有两个选项,“Starting ID”和“Offset ID”,前者表示以输入的数字为起始标号,重新对选定的对象编号,后者表示将输入数字与选定对象的标号的和作为对象的新标号。

Page 198: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

198

3.7.2 联结(Associate)

“Associate”的作用是将节点或网格单元与对应的几何相联结,使其建立逻辑上的相关性。如果节点或单元与几何不相关,则可以用这种方法建立它们之间的相关性,从而使载荷、

边界条件的施加不必一个单元一个单元来处理,可直接施加到几何上。 最典型的应用是对于通过 IGES 文件输入的模型,因为这样的模型其有限元与几何间是

不相关的。 “Associate”的对象有两种:“Node”和“Element”,对应的方法也不尽相同,下边分别

介绍。 Node:该对象比较简单,对应的方法只有“Curve”一种,即建立节点与曲线之间的

相关性。这里的曲线包括独立曲线,曲面、实体的边,如图 3-47所示。

图 3-47 建立节点与曲线的相关性

• Element:该对象对应的方法有四种:Point、Curve、Surface和 Solid,分别对应 0D、1D、2D和 3D单元,即几何的维数与单元的维数是对应的,如表 3-10和图 3-48所示。

表 3-10 建立单元与几何的相关性

Method 说 明

Page 199: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

199

Point 将节点或 0D单元与几何点相关联。

Curve 分别将节点、1D单元与顶点、边或几何曲线相关联。

Surface 分别将节点、2D单元与顶点、边、面或几何曲面相关联。

Solid 分别将节点、3D单元与顶点、边、面、体或几何体相关联。

图 3-48 使节点、单元与几何相关

3.7.3 反联结(Disassociate)

“Disassociate”是“Associate”的反操作,可解除节点和单元与几何的相关性,如图 3-49所示。其有两种方法:“Geometry”和“IDs”,前者是解除与该几何相关的所有节点和单元的相关性,后者则是解除指定节点或单元与其几何的相关性。

Page 200: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

200

图 3-49 解除相关性

3.7.4 优化(Optimize)

优化是重新给模型的节点和单元编号,使得有限元分析的总刚度矩阵的元素分布合理,

计算时占用尽可能少的 CPU时间、内存和磁盘空。解算器可以利用刚度矩阵的对称、带状分布、稀疏等特性,提高计算速度。而刚度矩阵的这些特性与节点、单元的标号有关。 优化的对象“Object”有两个:节点和单元,每个对象对应的方法相同,都有三个,如

图 3-50所示。

Page 201: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

201

图 3-50 编号优化

Patran在这里的优化算法有两种:“Cuthill-McKee”和“Gbbs-Pool-Stk”,两者非常接近,但对于给定的结构会稍有不同,两种算法也可以同时使用。

Patran提供了四个最小优化函数供选择使用,它们是“Minimization Criterion”中的:“RMS Wavefront”、“Bandwidth”、“Profile”和“Max Wavefront”。关于这些目标函数的定义,参见Patran的用户手册。 当然,优化需要有限元分析解算器的支持,不同的解算器支持不同的优化对象、优化算

法和优化目标函数,如表 3-11所示。 表 3-11 不同解算器对优化的支持

解算器 优化对象 优化算法 优化目标函数

ABAQUS Elements “Cuthill-McKee”和

“Gbbs-Pool-Stk”

RMS Wavefront

MSC.Nastran Nodes “Cuthill-McKee”和

“Gbbs-Pool-Stk”

RMS Wavefront

MARC Nodes “Cuthill-McKee”和

“Gbbs-Pool-Stk”

RMS Wavefront

FEA Nodes “Cuthill-McKee”和

“Gbbs-Pool-Stk”

Profile

3.7.5 显示信息(Show)

类似于【Geometry】中的“Show”,【Finite Elements】中的“Show”用来显示节点、单元和多点约束等对象的相关信息。“Show”的对象共有六个:“Node”、“Element”、“Mesh Seed”、“Mesh Control”、“MPC”和“Point”。

• Node:包括显示节点的位置和节点到目标对象的距离。当“Info”项选择“Location”时,显示节点在指定坐标系中的坐标值,如图 3-51所示。不指定坐标系,则 Patran取创建节点的坐标系。

Page 202: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

202

图 3-51 显示节点的位置

选定节点后,单击 ,会弹出如图 3-52所示的面板,显示节点的坐标值。

图 3-52 节点的坐标信息

Page 203: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

203

如果“Info”项选择的是“Distance”,则显示节点到选定目标的距离,如图 3-53所示。选定的目标可以是点、节点、曲线、曲面、平面、矢量,由“Option”项确定。结果的显示类似于图 3-52,但会有更多的信息。

图 3-53 显示节点到选定目标的距离

Element:显示单元的属性和坐标系,其“Info”有两个选项:“Attributes”和“Coord . Sys.”,分别用于显示单元的属性和坐标系。

当选择“Attributes”时,选定目标单元,则会弹出【Show Element Attribute Information】面板,显示单元的属性,包括单元的 ID、类型、相关的实体、节点数、边界条件,材料等。

当选择“Coord . Sys.”时,如图 3-54所示,则可以以不同的色彩直观的显示出单元

Page 204: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

204

所在坐标系,这里的坐标系既可以是 Patran中的坐标系,也可以是解算器中的坐标系。各坐标方向的颜色可选,同时,可选定显示时原点的位置。

图 3-54 显示单元坐标系

• Mesh Seed:显示网格种子的信息。选择目标曲线,单击 ,会弹出【Show Mesh Seed Attributes Information】面板,说明该曲线上的网格种子的状态、类型(即分布方式)、数量等信息。同时,通过 按钮,可先显示当前所有的网格种子。

Mesh Control:显示“Mesh Control”的相关信息。 • • MPC:显示多点约束的信息,即以类似于表格的形式显示多点约束的表达式如图 3-55

所示。选定某个多点约束之后,单击 ,会弹出如图 3-56所示的面板,

Page 205: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

205

其显示了定义多点约束的所有信息。

图 3-55 显示多点约束信息

Page 206: MSC PATRAN从入门到精通

图 3-56 多点约束信息

• Point:可显示点的位置、与目标对象的距离、与点相关的节点等。“Info”有三个选项:“Distance”、“Location”和“Node”。 当选择“Distance”项时,如图 3-57 所示,可显示点选定的目标对象的距离,目标对象

可以是点、曲线、曲面、平面、矢量,由“Option”选项确定。

Τ

206

Page 207: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

207

图 3-57 显示点到对象的距离

当选择“Location”项时,显示点的坐标位置。 当选择“Node”项时,则显示与几何点相关的节点标号。

3.7.6 删除(Delete)

删除操作也是经常使用的,其可以删除在“Create”中常见的所有有限元类型的对象,如图 3-58所示。在“Object”中可以选择一次删除所有类型的对象,也可以选择删除某种类型的对象,如只删除节点。可删除的对象包括:“Mesh Seed”、“Mesh Control”、“Mesh”、“Node”、“Element”、“MPC”和“Superelement”。可以根据有限元对象与几何的相关性,通过选择几何一次删掉若干个对象,也可单独的删除一个对象。

Page 208: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

208

图 3-58 删除有限元对象

3.8 网格划分示例

【例 3-1】曲面网格划分 如图 3-59所示曲面,对其进行网格划分。

图 3-59 待划分网格的空间曲面

Page 209: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

209

在曲面上两条相对的边上创建网格种子,使用“Create/Mesh Seed/Uniform”,种子的密度分别为 12和 14,以控制网格密度,如图 3-60所示。

图 3-60 在曲面的边上下网格种子

自动划分网格,即“Create/Mesh/Surface”,采用“Isomesh”网格划分器,选用“Quad4”单元进行网格划分,结果如图 3-61所示。

图 3-61 划分好的网格

【例 3-2】对盒状曲面进行网格划分 如图 3-62所示,本例是一个一面开口的立方形壳体,其中间有一个与壳体上、后、下面

相连的曲面。为了使中间曲面与立方壳体的上、后、下面在划分网格时一致,将中间曲面的

三条边指定为对应三个曲面的硬线,图中用小三角形表示。

Page 210: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

210

图 3-62 待划分网格的壳体

对该结构直接进行网格划分,即使用“Create/Mesh/Surface”方法,单元选用“Tria3”,网格划分器采用“Paver”,“Global Edge Length”取 20,进行网格划分,结果如图 3-63所示。从图中可以看到,硬线附近的节点都分布在硬线上,这样可以保证中间曲面与外围曲面有限

元单元的正确连接。网格划分完成之后,可以检查一下,看是否有重复节点等问题。

Page 211: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

211

图 3-63 网格划分结果

3.9 本章小结

本章用了较长的篇幅,介绍了 Patran中有限元网格的划分方法及相关问题。Patran中将网格划分和单元的属性分离开来处理,这样可以使软件具有更强的适用性,简化复杂问题的

解决。 Patran具有较为丰富的单元类型库,从 0D单元到 3D单元,有较强的适应能力,能满足

复杂工程分析的需要。 通过“Mesh Seed”、硬几何等方法,在 Patran中可以准确的定位节点的位置,控制网格

的密度。根据需要,可以选用不同类型的单元和不同的网格划分器,自动划分网格。对于复

杂的结构,也可以手工的一个个的建立节点和单元。对于已经创建的节点、单元,可以进行

各种编辑修改。同时也可将已有单元进行移动、旋转、镜像、拉伸等,生成新的单元。 网格划分完成之后,对于较为复杂的模型,一般要进行检查,以提高单元质量,消除错

Page 212: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

212

误。同时,也可以对模型进行优化,提高计算效率。

Page 213: MSC PATRAN从入门到精通

第 4 章 有限元模型的载荷及边界条件

(Loads/BCs)

边界条件是有限元分析中不可或缺的一部分,网格划分完成之后,就可以施加边界条件

了。Patran 中的边界条可以直接施加到有限元模型,也可施加到几何模型上,只要几何模型与有限元模型是相关的即可。在 Patran中,可以定义非常复杂的边界条件,比如随时间或空间变化的边界条件,这一般要用场“Field”来定义,可参见第 11章。 选择不同的有限元分析解算器,Patran 中对应的边界条件将有所不同,这里,将以

MSC.Nastran的结构分析为例来说明。 本章的主要内容如下:

Τ

213

• • •

边界条件的定义(包括结构分析、动态分析、热分析) 边界条件的显示察看 边界条件的修改

4.1 Loads/BCs介绍

在 Patran 界面的工具栏区,单击 按钮,会在屏幕右边弹出【Load/Boundary Conditions】面板,用来定义模型的载荷及边界条件,如图 4-1所示。当解算器是Nastran时,可进行结构分析(静力、动力)、热传导分析、气动弹性分析,这里,以Nastran的结构分析为例来说明。

Page 214: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

214

图 4-1 施加边界条件

Patran中的每个载荷或边界条都被称为一个“set”,每个“set”都有一个唯一的名称,在创建时,就要给每个载荷或边界条件命名。每个“set”都是一个数据集,与分析类型和几何模型/有限元模型相关,例如,固定/强迫位移边界条件“Displacement”就与静态结构分析和模型的节点相关。“set”可以直观的用符号显示在屏幕上,包括其类型、大小、方向等,也可以以云纹图的方式显示出来。 “工况”(Load Case)也是一个非常重要的概念,它是一组载荷/边界条件的集合。在实

Page 215: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

215

际应用中,结构在不同时刻、不同条件下受到的外部载荷是不同的,所以就要依据不同的外

部条件对结构进行不同的分析,即一次将结构可能的边界条件都定义下来,在按照实际需要

对这些条件进行分组,分成不同的工况,分析时,每次施加一种工况于结构。如果没有特别

指定,新建的边界条件都输入当前工况,也就是缺省“Default”工况。一般情况下,先在当前工况下建立所有的载荷和边界条件,然后再在【Load Cases】中创建新的工况(参见第 10章),将不同的边界条件分类。 对于复杂的边界条件,则要通过 PCL函数在场“Field”中定义。 载荷和边界条件的应用要牵扯到单元的局部坐标系,如图 4-2所示。图中的数字“1-2-3”

表示单元的局部坐标,单元的局部坐标可以根据几何实体的局部坐标产生,即与几何的局部

坐标“C1-C2-C3”保持一致;也可以根据单元节点的排列关系生成,若单元节点的排列关系是“I-J-K-L”,则单元局部坐标系的“1”轴取“I-J”方向,“2”轴取“I-L”方向,“3”轴根据右手系确定方向。

图 4-2 单元的局部坐标

不同的边界条件有不同的图形表示,例如,位移、集中力、压力、移动速度等用单箭头

表示,弯矩和转角用双箭头表示,旋转加速度用三箭头表示,位移约束用无尾的一、二、三

箭头表示等。同时,不同的边界条件也会以不同的颜色显示。

4.2 施加边界条件(Create)

对应于Nastran的结构分析,Patran的载荷和边界条件共有 14个,包括各种形式的载荷、

Page 216: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

216

各个约束、动力学中的速度和加速度、温度量等。下边就一一介绍。 Displacement:定义一个固定的位移或给定一个强迫位移,如图 4-1 所示。

“Create/Displacement”下的“Type”有三个选项:“Nodal”、“Element Uniform”和“Element Variable”,“Nodal”表示该“set”与选定的节点相关,“Element Uniform”表示与选定的单元相关,“Element Variable”表示与选定单元的节点相关。后边各载荷或边界条件的“Type”的选项也都在这三者之中,其意义也相同。

选定了“Type”,接着可在“Current Load Case”中选择当前“set”所在工况,缺省工况类型是静态。若要改变当前工况,则单击“Current Load Case”对应的按钮,如

,则会弹出如图 4-3所示的工况选择面板,在“Existing Load Cases”中,显示了当前已经定义的所有工况,选定合适的,单击 ,则被选定的工况就成为

当前工况。

图 4-3 工况选择

前边说过,每一个载荷或边界条件都有一个唯一确定的名字标识,在图 4-1 所示的边面上,有一个“New Set Name”文本输入框,用于输入当前新建“set”的名称。而在“Existing Sets”中,则显示了当前已经存在的所有“set”。 作完前面的工作,就应该进入实质性的一步:输入该“set”的数据,单击按钮

,打开【Input Data】面板,如图 4-4所示,进行数据输入。图中的“Load/BC Set Scale Factor”是一个放大系数,用来将输入的值放大或缩小一定的倍数,例如其值为 2.0,而输入的某方向上的位移值为 10,则实际定义的这个方向上的位移值为 20。

Page 217: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

217

图 4-4 输入固定位移数据

一般来说,一个节点的自由度有六个,三个移动自由度,三个转动自由度,所以,固定

位移时,也就有六个量,三个移动量,三个转动量,即图 4-4中的“Translations”和“Rotations”,前者定义节点在选定坐标下三个方向的移动,后者定义节点在选定坐标系下的转动。 六个自由度方向分别用 1~6六个数字表示。位移定义的语法很简单,空白表该方向上自

由,“0”表示该方向上固定,非零数表示该方向上的强迫位移值。例如,“Translations”的输入为“<0, ,3.5>”,表示在“1”方向上固定,在“2”方向上自由,在“3”方向上施加强迫位移 3.5。 如果有由场定义的边界条件,则会显示在“Spatial Fields”中,可以选用。参考坐标系在

“Analysis Coordinate Frame”中选择。 完成了这些,单击 即回到图 4-1所示面板。

Page 218: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

218

输入了位移数据,下来就应该选择该“set”的应用对象了,单击图 4-1 面板上的按钮,则会弹出【Select Application Region】面板,如图 4-5所示,用于输

入应用对象。边界条件可直接施加于 FEM,也可以施加于几何体,由“Geometry Filter”选择确定。这里,几何体可以是点、线、面或实体;若选择“FEM”,则选择对象就是节点或单元,具体由“Type”项控制,若“Type”选项的值是“Nodal”,则此处选择对象是节点,

图 4-5 选择固定位移的节点

若“Type”项的值是“Element Uniform”或“Element Variable”,则这里的选择对象是单元,这里,可选的单元有 2D和 3D两类,由主面板上的“Target Element Type”项确定,“Element Uniform”表示所施加的边界条件在单元内部是不变的,各处都相同,“Element Variable”则表示所施加的边界条件在单元的不同位置,其值可能有所不同。当选用 2D 单元时,【Input Data】面板如图 4-6所示,输入的数据除过放大系数和参考坐标系之外,

Page 219: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

219

图 4-6 2D单元的数据输入

还包括单元曲面的移动和转动、单元边的移动和转动,其将作用于几何曲面或其边,或

者是有限元单元或其边。当选择的是 3D单元时,其输入量只有三个移动量,如图 4-7所示,其将作用于几何实体的面或 3D单元的面。

Page 220: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

220

图 4-7 输入 3D单元数据

在“Application Region”中输入选定的对象,单击 ,则该对象被选中,单击

即可,回到图 4-1面板。 此时,所有的工作基本完成,如确认无误,则单击 ,创建的边界条件会以图

形方显示出来,如图 4-6所示。

Page 221: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

221

图 4-8 位移固定边界条件

下边各边界条件的施加过程和数据输入方法也都类似于此,使用时可相互参照。 Force:在选定的节点施加集中载荷。这里,集中载荷包括作用力和弯矩,可施加到

节点或几何,其对应的数据输入面板如图 4-9 所示。作用力和弯矩分别用参考坐标系下的三个分量来表示。

图 4-9 输入集中载荷

• Pressure:给 2D或 3D单元施加面压力,即作用力垂直于作用面。当对象是 3D单元时,只需输入压力的大小即可,压力直接作用于体单元的表面。当对象是 2D 单元时,则可在【Input Data】中分别输入作用于单元上面、下面、边上的作用力,如图 4-10 所示。至于单元的上下面,可参见图 4-2。

Page 222: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

222

图 4-10 输入 2D单元的面压力

• Temperature:一般来说,结构的力学特性与温度是有关系的,在不同的温度条件下,其特性会有所不同,在这里可以定义一个不随时间变化的温度边界条件。当“Type”选项是“Element Variable”且选择对象是 1D、2D单元时,单元的温度可以变化的方式来定义,对于 1D 单元,可以通过指定单元重心位置的温度和温度沿两个轴方向的温度变化梯度来定义温度,如图 4-11所示。对于 2D单元,则可分别指定单元上下面的温度,其它情况则只有一个温度值。

Page 223: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

223

图 4-11 定义变化的温度

• Inertial Load:定义惯性载荷。惯性载荷不依赖于任何单元,它通过指定参考坐标系中的移动加速度、旋转加速度和旋转速度来定义,其数据输入如图 4-12所示。

Page 224: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

224

图 4-12 定义惯性载荷

Initial Displacement:定义初始位移,用于动力学分析。初始位移有六个分量,三个移动分量,三个转动分量。初始位移作用于节点,其数据输入类似于图 4-4。

Initial Velocity:定义初始速度,用于动力学分析。初始速度有六个分量,三个移动分量,三个转动分量。初始速度作用于节点,其数据输入如图 4-13所示。

Page 225: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

225

图 4-13 定义初始速度

Velocity: 定义速度,用于动力学分析。其也有三个移动分量,三个转动分量。 • • Acceleration:定义加速度,用于动力学分析。在指定的参考坐标系下,由三个移动

分量,三个转动分量,如图 4-14所示。

Page 226: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

226

图 4-14 定义加速度

• Distributed Load:定义 1D或 2D单元上的线作用力,其作用于 1D单元或 2D单元的边。其有六个分量,三个作用力分量,三个弯矩分量,数据输入如图 4-15所示。

Page 227: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

227

图 4-15 定义线压力

• CID Distributed Load:定义分布力。可作用于 1D单元、2D单元的面或边、3D单元的面,如图 4-16所示,其用于 2D单元对象分布力的输入。

Page 228: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

228

图 4-16 定义分布力

Total Load:定义总载荷,与“CID Distributed Load”非常类似,作用对象为 1D、2D和 3D单元。

Contact:定义接触边界条件。两个物体相互接触,这也是分析中可能遇到的情况,此时可以通过接触刚度等的定义来模拟这种边界条件,这里,两条接触线来定义一种接触边

界问题,如图 4-17和图 4-18所示。

Page 229: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

229

图 4-17 定义接触刚度

Page 230: MSC PATRAN从入门到精通

图 4-18 选择接触曲线

• Initial Temperature:当温度随时间变化时,通过场可以定义变化的规律,但其变化的初始值在此处定义。如图 4-17 所示,在对应的【Input Data】面板中输入初始值之后,选定相应的温度场即可。这里,应用的对象是节点或几何实体。

Τ

230

Page 231: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

231

图 4-19 输入初始温度

4.3 显示、检查边界条件(Show Tabular、Plot

Contours、Plot Markers)

Patran 中不但可以创建多种载荷和边界条件,也可以以多种方式将它们显示出来,如以图符形式显示出来以确认边界条件创建成功;或是以表格的方式显示出来,以检查边界条件

各参数的正确性;或是以云文图的方式显示标量的分布,例如面上Y方向压力的分布情况。

4.3.1 以表格方式显示边界条件(Show Tabular)

由“Create”创建的所有载荷和边界条件都可以以表格的方式显示出来,在【Load/Boundary Conditions】面板上“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Show Tabular”,即出现如图 4-20所示的面板。

Page 232: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

232

图 4-20 用表格显示边界条件信息

在该面板中,首先在“Object”中选择要显示的载荷或边界条件的类型,例如集中力“Force”,然后在“Current Load Case”中选定当前的工况,则当前工况中所有的该类载荷或边界条件“set”会出现在“Existing Sets”中,如所有的集中载荷“set”。选定其中某个“set”,单击 ,即会弹出如图 4-21所示的表格面板。其中给出了集中载荷的作用对象、所在的参考系、放大系数、每个分量的大小等。

Page 233: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

233

图 4-21 显示集中载荷信息的表格

其它类型载荷和边界条件信息的表格显示与“Force”的操作基本相同,可参照进行。察看中若发现哪个载荷或边界条件不正确,则可以进行修改。

4.3.2 以云纹图方式显示边界条件(Plot Contours)

对于标量性质的载荷和边界条件,如连续变化的分布压力,或是矢量载荷或边界条件的

某一分量,用云纹图可以看出其分布变化的趋势,在“Action”项中选择“Plot Contours”,即打开了它的面板,如图 4-22所示。

Page 234: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

234

图 4-22 用云文图显示集中载荷的一个分量

Page 235: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

235

图 4-22显示的是集中载荷“Force”,在“Object”中选定“Force”,在“Current Load Case”中选定当前工况,则当前工况的“Force”类“set”就会全部列在“Existing Sets”中,选定要显示的对象。选定了“Force”对象之后,就要选定其分量了,在“Select Data Variable”中选择力分量或弯矩分量,比如选择力分量,则就要在“Component”中选择力中的某个分量,比如选择其第一个分量“Component 1”,也可以选“Resultant”显示该矢量的大小。 接着,要在“Group Filter”中选择组,“组”(Group)是一个较重要的概念,类似于图

层,可以通过组将对象分成不同的部分,方便操作,可参见 13.2节。选定了组,单击 ,

即可看到相应的云纹图了。 如果显示的是纯粹的标量,那就不需要选定分量的步骤。对于云纹图的显示参数,可以

单击 按钮,打开【Fringe Attributes】面板进行设置,如图 4-23所示。例如,设置云纹图的参考彩色谱的形式和范围、显示方式(离散、连续)、线条形式等。

Page 236: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

236

图 4-23 云纹图的设置

若要消除云纹图,恢复原模型的显示,则单击 即可。

4.3.3 以图符形式显示边界条件(Plot Markers)

除过以表格、云纹图表示载荷和边界条件之外,也可以用图形符号和数字显示定义的载

荷和边界条件,如箭头、小圆圈等,如图4-24所示。在图4-24中若选定“Modify Vector Display”,则可以在不同的坐标系中显示矢量型的载荷和边界条件。在“Current Load Case”中可选择当前的工况,在“Assigned Load/BCs Sets”中选择要现实的对象,可以一次只选择一个,也可以借助于 Shift键同时选择若干个。“Group Filter”项允许通过组来控制图符的显示。

Page 237: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

237

图 4-24 用图符显示边界条件

在图符显示各种载荷、约束的同时,对于有大小的量,图符旁边会有数字,显示对象的

大小,其格式为科学计数法,对于矢量型的量,Patran会显示其每个分量的大小。 如果选定“Display Vector Display”,则可以在不同的坐标系中显示载荷或边界条件,如

图 4-25所示。选中图中“Vector Display Coord Frame”的“Use Existing”项,则可在已有的

Page 238: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

238

坐标系中选择合适的坐标系。若选择“Define Local”项,则允许定义一个局部坐标以显示作用于节点上的矢量载荷或边界条件。

图 4-25 在不同坐标系中显示边界条件

图 4-25中的“Modify Display On”有两个选项,“Entities”表示可选择几何体或有限元对象,作用于其上的矢量型载荷或边界条件的显示将改变;“Vector Load/BCs Sets”则表示显

Page 239: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

239

示当前坐标系中定义的所有矢量型载荷或边界条件。 应该指出的是,有些载荷和边界条件是以单元的局部坐标系为参考的,比如面压力

“Pressure”,其将不随坐标系的变化而变化。

4.4 修改及删除边界条件(Modify、Delete)

当创建的边界条件有错误时,可以修改或删除,使用【Load/Boundary Conditions】面板上“Action”对应的下拉式按钮菜单中的“Modify”或“Delete”选项。

4.4.1 修改边界条件(Modify)

修改载荷或边界条件,包括修改它的名称、数据、作用对象等,如图 4-26所示。首先,选择好待修改载荷或边界条对象的类型,如在“Object”中选择“Pressure”,之后,现有的可被修改的该类边界条件将显示在“Select Set to Modify”中,在其中选择要修改的对象,如“Pressure01”。

Page 240: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

240

图 4-26 修改边界条件

若要改变该“set”的名称,则可在“Rename Set as”中输入新的名称。用按钮打开【Input Data】面板,类似于创建载荷或边界条件时输入数据一样,

重新输入数据即可。若要改变改载荷或边界条件的作用对象,可用按钮

打开【Select Application Region】面板,重新输入作用对象。这样,即完成了对已有载荷或边界条件的修改,其它各种载荷或边界条件的修改基本类似。

Page 241: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

241

4.4.2 删除边界条件(Delete)

当不再需要某个载荷或边界条件时,可将其删除,如图 4-27所示,在“Create”中创建的所有载荷和边界条件都可以被删除。在“Object”中选择要删除的载荷或边界条件的类型,例如“Force”,则所有一定义的“Force”都会显示在“Existing Sets”中,选择要删除的某一个,则选中的会显示在“Sets to be Deleted”中,借助于 Shift键,一次可选定多个对象。选定了之后,单击 ,则选定的对象就会被删除。

图 4-27 删除载荷

4.5 施加载荷的一个例子

【例 4-1】施加变载荷

Page 242: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

242

这里,给出一个施加随时间变化载荷的例子,以说明载荷和边界条件的使用。其步骤如

下: (1) 在【Load Cases】中定义一个随时间变化的工况“time_loadcase”,

可参见第 10章; (2) 在【Field】中创建一个依赖于时间变化的场“tri_field”,其变化

规律如图 4-28所示;

图 4-28 场“tri_field”的变化规律

(3) 在【Load/Boundary Conditions】中创建一个“Force”类载荷,在“Current Load Case”中选中“time_loadcase”,其下部的“Type” 将显示“Time Dependent”; (4) 输入该“Force”的名称为“tri_force_set”; (5) 单击 打开【Input Data】面板,如图 4-29

所示。在“Time/Freq. Dependence”下的两个文本输入框中,选定定义的场,将其应用

Page 243: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

243

图 4-29 将场应用于载荷的定义

于“Force”和“Moment”的定义。输入的“Force”和“Moment”的值将作为场函数的系数,即在确定时间点,加载于节点的实际载荷等于该值与

场函数当前值的乘积。 (6) 选定加载的节点或对象,定义即完成。 (7) 用各种察看方法显示刚刚定义的依赖时间变化的载荷,可在相应

面板上的“Dynamic Value”中输入时间值,显示不同时间点的载荷情况。

4.6 本章小结

本章主要介绍了有限元模型的载荷和边界条件的定义,载荷包括集中力、面压力、线压

力、分布力等,还有应用于动力学问题的初始位移、初始速度、加速度、惯性力等,还有与

Page 244: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

244

材料性能有关的温度等,还有像固定约束、滑动约束等,这些都能很好的模拟实际结构的受

力和边界。这些载荷和边界条件可以被创建、修改和删除。

Page 245: MSC PATRAN从入门到精通

第 5章 材料(Materials)

材料,是实际结构的承载体,任何实体都由各种材料构成。但在分析中,则是通过模量、

强度、本构关系等参数,以数值的形式来描述一种材料,定义一种材料,所以,材料也可以

叫做材料模型。在 Patran中,通过指定一个唯一独立的名称,并将各种属性赋予该名称来定义材料,对该材料模型的显示、修改、删除等都是通过其名称来进行的。

Patran 中支持多种材料本构关系的定义,例如线弹性本构关系、非线性弹性本构关系、弹塑性本构关系、失效、蠕变等,一种材料可以有多种本构关系。但对于不同的分析程序,

各种本构关系的定义方法是不同的,这里,将以Nastran为例来说明。对于复杂的材料模型,例如应力应变关系为曲线的、模量随温度变化的,可通过场来定义。

Patran 中支持的材料类型也比较全,基本上涵盖了各工业领域的应用。例如各向同性材料、各向异性材料、正交各向异性材料、复合材料等。 本章将围绕材料的定义展开说明,主要内容如下:

Τ

245

• • •

创建各种材料模型 显示材料的属性 修改材料的定义

5.1 Material介绍

在 Patran 界面上的工具栏区,单击 按钮,将打开【Materials】面板,如图 5-1 所示。简单的说,创建一个材料模型时,先输入一个材料名称,再输入其属性,比如模量、泊

松比、密度等即可。定义材料时,并不是所有的材料属性都要求输入,而是针对具体的分析

程序和分析类型,需要哪些就输入哪些,比如,在静态分析中,材料的密度就用不到,所以

可以不输入。

Page 246: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

246

图 5-1 创建材料模型的面板

对材料的定义、修改和显示都在该面板中进行,通过“Action”项进行切换。当同一种材料定义了多种本构关系时,可通过“Change Material Status”项进行激活或失效操作,选择使用其中的一种。 另外,MSC 还专门提供了一个叫做“MVISION”的材料数据库,可选择安装,如果已

经安装,则可直接从中选择使用已定义好的材料。也可以通过场来定义与温度、应变、应变

率有关的材料。 在每次运行 Patran时定义的所有材料都将被保留,直到本次运行结束。材料在被创建之

后,将以名称和其属性存储在当前的数据库中,每种材料具有唯一的名称,和某个分析程序

Page 247: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

247

的某种分析类型相关联,有时,也与单元的类型相关联。由于材料的定义与分析程序相关联,

所以,再定义材料之前,首先要选定分析解算器和分析类型。 如果在定义了几种材料之后改变解算器,则定义好的材料将改变其属性以适应新的解算

器。若再回到以前的解算器,则已改变的材料属性可能不能恢复到最初定义的状态。 对材料属性的修改,实质上是将原材料模型用新的材料模型代替。有时,也可以用

“Create”进新材料属性的修改,即输入要修改的材料模型的名称,然后输入新的属性,但此时,Patran会给出一个警告信息,说明该材料已经存在,但可以忽略该警告,从而用“Create”完成对材料属性的修改。 材料的名称是长度为 1~31 的字符,有用户指定,用户也可以给材料附上一个简短的说

明,其长度为 1~256字符。缺省情况下,该说明是该材料的创建日期和时间。 材料的属性可以由【XY Plot】用曲线图形描述出来(可参见第 12章),并可以同时将两

种材料的曲线输出到一个图形中进行对比,也可以用表格显示材料的属性,比如材料的模量、

刚度矩阵和柔度矩阵等。

5.2 创建材料模型(Create)

如图 5-1所示,在 Patran中,可以创建多种材料模型,比如各向同性材料、2D各向异性材料、3D 各向异性材料、2D 正交各向异性材料、3D 正交各向异性材料和复合材料,通过“Object”项选择确定。下边,就一一介绍各种材料的创建方法。

5.2.1 创建各向同性材料(Isotropic)

在“Action”中选择“Create”,在“Object”中选择“Isotropic”,如图 5-1所示,创建各向同性材料。其对应的方法“Method”有三种:“Manual Input”、“Materials Selector”和“External Defined”。“Manual Input”即通过手工输入属性数据定义材料;“Materials Selector”则指对于安装了“MVISION”的系统,在材料库中选择已定义好的材料;“External Defined”则只是指定材料的名称以满足指定单元属性的需要,其真正的属性由用户从 Patran的外部提供。 已经存在的材料其名称将显示在“Existing Materials”项的文本框中,而新建材料的名称

在“Material Name”的文本框中输入。新建的材料将以其名称作为唯一标识,但同时,Patran

Page 248: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

248

会自动的赋予其一个 ID号,解算器在内部使用的是该 ID号。 在“Description”项中,可输入对新建材料的说明,缺省情况下,其内容是创建材料的

日期和时间。 当选则手工输入方法“Manual Input”时,单击 ,打开【Input Options】

面板,输入要定义的材料的属性,如图 5-2所示。图 5-2是线弹性本构材料的属性输入面板,Patran 支持多种本构关系,由图中的“Constitutive Model”项选择确定,打开该下拉式按钮菜单,可以看到六项内容:“Linear Elastic”(线弹性)、“Nonlinear Elastic”(非线性弹性)、“Hyperelastic”(超弹性)、“Elastoplastic”(弹塑性)、“Failure”(失效)、“Creep”(蠕变)。对不同的本构,其输入界面也不同。

Page 249: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

249

图 5-2 定义各向同性材料

对于线弹性本构材料,其输入各项的意义如表 5-1所示。 表 5-1 线弹性本构材料属性输入各项的意义

Property Name 说 明

Elastic Modulus 弹性模量,即杨氏模量 E。

Poisson Ratio 泊松比ν。

Shear Modulus 剪切模量 G。

Density 密度。

Thermal Expan. Coeff 热膨胀系数。

Structural Damping Coeff 结构阻尼系数。

Reference Temperature 参考温度,即定义材料时的温度。

对于各向同性材料,由于其杨氏模量 E、泊松比ν和剪切模量 G 之间存在

( )ν−=

12EG 的关系,所以三个量中只有两个是独立的,在输入时,只输入任意两个即可。

密度也只有在进行动力分析时才用得到,在静力分析时可忽略。参考温度“Reference Temperature”和“Temperature Dep/Model Variable Fields”项是对立的,后者是通过定义一个场来描述随温度变化时,材料变化了的属性。 一种材料可以同时定义多种本构关系,“Current Constitutive Models”项就是用来显示当

前材料已经定义的本构关系的。同时显示各本构的选项和状态,比如是否激活。当输入完成,

单击主面板上的 之后,当前新建的本构将被激活。 如果选定的是非线性弹性本构“Nonlinear Elastic”,则其输入界面如图 5-3所示。非线性

弹性材料,即材料的应力/应变曲线不是直线,而是曲线,该曲线可以通过场来定义,如图5-3,已经定义好的非线性应力/应变曲线场显示在“Strain and Strain/Temp Dependent Fields”中,用鼠标选中即可,选中的曲线将会显示在“Stress/Strain Curve”中。

Page 250: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

250

图 5-3 定义非线性弹性材料

若选定的是超弹性本构“Huperelastic”,则其数据输入界面如图 5-4所示。从图中可以看到,要选择材料的可压缩性、材料数据的类型(实验数据或系数)、应变是能等。若采用系数

输入方式,则要输入材料的扭转变形系数 A10和 A01、体积变化系数 D1、材料的密度、体积热传导系数、参考温度和结构组尼系数。

Page 251: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

251

图 5-4 定义超弹性材料

若定义弹塑性材料模型,则选择“Elastoplastic”,如图 5-5所示。弹塑性材料模型的数据输入方法有两种,如图 5-5中的“Nonlinear Data Input”项:应力/应变曲线法和强化斜率法,图中显示的是前者,其通过在场中定义曲线来描述弹塑性性能,后者通过强化斜率和屈服点

来定义材料。同时,屈服方程有四种,通常使用“Von Mises”,见图 5-5中的“Yield Function”。

Page 252: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

252

图 5-5 定义弹塑性材料模型

若要定义材料本构,选择“Failure”项,如图 5-6 所示。关于材料失效的判定有多种理论方法,Patran中给出了五种:“n/a”、“Hill”、“Hoffman”、“Tsai-Wu”、“Maxmum”。图 5-6种给出的是“Tsai-Wu”理论判据,其有四个参数:拉伸应力极限、压缩应力极限、剪切应力极限和弯曲应力极限。

Page 253: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

253

图 5-6 定义失效材料

如果要定义蠕变材料模型,则选定“Creep”,如图 5-7 所示。蠕变材料模型的数据输入方法有多种,如“Creep Data Input”项。图 5-7中所示的是表格输入方法,各项的意义为:蠕变参考温度、蠕变门槛系数、温度依赖指数、主蠕变刚度、主蠕变阻尼和次蠕变阻尼。

Page 254: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

254

图 5-7 定义蠕变材料

如果要改变材料各本构的当前状态,可先选中该材料,即在“Existing Materials”中选中它,其会显示在“Material Name”中,单击 ,会弹出如图 5-8所示的面板【Constitutive Model Status】。其有两个文本框:“Active Constitutive Models”和“Inactive Constitutive Models”,分别显示了材料各本构的当前状态,可用鼠标选取相应的本构,使其在两个文本框之间切换,以改变其状态。

Page 255: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

255

图 5-8 改变材料本构的状态

注意:当以曲线形式输入塑性数据时,一定要注意弹性部分与塑性部分之间的联系,其

含义与具体的解算器有关。例如,ABAQUS 要求输入的是滤去弹性应变以后的塑性应变/应力曲线,而 Nastran要求输入的则是包括弹性部分在内的曲线。

5.2.2 创建 2D正交各向异性材料(2d Orthotropic)

2D正交各向异性体,也就是具有一个各向同性面的正交各向异性体,厚度比较薄的正交各向异性体也归在其类,例如层合复合体也可以材料的单层。在【Materials】面板中的“Object”中选择“2d Orthotropic”,用手工输入方法输入其属性。用 按钮打开其

属性输入面板,如图 5-9所示。

Page 256: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

256

图 5-9 定义 2D正交各向异性材料

2D正交各向异性材料的本构关系共有三种:“Linear Elastic”、“Failure”、“Elastoplatic”,可在“Constitutive Model”中选择确定,图 5-9所示的是线弹性的情况。对于线弹性的 2D正交各向异性材料,其有六个弹性常数,其中只有 5个是独立的,所以,输入 5个就可以了。这六个常数如图 5-9所示,2个主方向模量 E11和 E22,泊松比ν12,3个剪切模量G12、G23、

G13。同时,也包括密度、两个方向上的热传导系数、结构阻尼系数、参考温度等。 其它都类似于各向同性材料定义的操作。

Page 257: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

257

注意:材料的属性都是在材料坐标系下确定的,对于非各向同性材料,在应用时,一定

要使材料的坐标方向与单元的相应坐标方向保持一致,如果单元已有的坐标系与设计初衷不

符,则应建立局部坐标系,使材料在不同方向上的性能得到正确的应用。

5.2.3 创建 3D正交各向异性材料(3d Orthotropic)

如果过均质弹性体的每一点有三个相互正交的平面,每个平面都是弹性对称面,则这样

的材料就是正交各向异性的。对于正交各向异性材料,在线弹性范围内,其有 9个独立的弹性系数。在【Materials】面板中的“Object”中选择“3d Orthotropic”,用手工输入方法输入其属性,则【Input Options】面板如图 5-10所示。

Page 258: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

258

图 5-10 定义 3D正交各向异性材料

对于 3D正交各向异性材料,Patran支持两种本构:线弹性和弹塑性本构,图 5-10所示的是线弹性的数据输入。要输入的数据包括 3个弹性模量、3个泊松比、3个剪切模量,材料的密度,3 个方向的热传导系数,还有结构阻尼系数和参考温度。这些参数都是当弹性对称面与坐标平面重合时的值。

Page 259: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

259

5.2.4 创建 2D各向异性材料(2d Anisotropic)

对于 2D 各向异性材料来说,不能简单的用弹性常数来表征,一般用六个刚度系数来表征,选用手工输入材料属性的方法,打开【Input Options】面板,如图 5-11所示。

图 5-11 定义 2D各向异性材料

对于 2D 各向异性材料,Patran 中定义了四种本构:线弹性、弹塑性、失效和蠕变。图5-11 是线弹性的界面,定义线弹性的 2D 各向异性材料,要输入的参数包括:6 个刚度系数值、1个密度值、3个热传导系数、1个结构阻尼系数和 1个参考温度。当然,也可以用一个

Page 260: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

260

温度场,来定义随温度变化的材料属性。

5.2.5 创建 3D各向异性材料(3D Anisotropic)

对一般的均质各向异性材料,在线弹性范围内,其 6×6 的刚度矩阵是对称的,这可以由应变能密度函数来证明,所以独立的刚度系数由 21个。在【Materials】面板中的“Object”中选择“3d Anisotropic”,用手工方法输入其属性,如图 5-12a和图 5-12b所示。由于各向异性材料的参数较多,所以要用滚动条拖动,用两幅图,才能全部显示出来。

Page 261: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

261

图 5-12a 定义各向异性材料

Page 262: MSC PATRAN从入门到精通

图 5-12b 定义各向异性材料

对于 3D各向异性材料,Patran支持三种本构关系:线弹性、弹塑性和蠕变,图 5-12a和图 5-12b显示的是线弹性的属性输入界面。从两图中可以看出,需要输入的数据有:21个刚度系数、1个密度值、6个热传导系数、1个结构阻尼系数和 1个参考温度。

Τ

262

Page 263: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

263

• • 层合板是现今应用最广的一种复合材料,它一般是将预先制好的单层板按一定顺序

和角度铺好,再加温加压固化而成,实际应用中材料和结构往往是一次成型,材料即结构,

结构即材料。 •

5.2.6 创建复合材料(Composite)

复合材料有许多种,按基体分,有聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材

料等,按增强材料分,有纤维增强复合材料、短切纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料等。

Patran 中支持纤维增强复合材料、短切纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料等模型,同时还支持层合板的设计。 在【Materials】面板中的“Object”中选择“Composite”,其对应的“Method”有九项,

对应九种不同的复合材料模型,它们分别是“Laminate”(层合板)、“Rule of Mixture”(混合准则模型)、“HAL Cont. Fiber”(Halpin-Tsai 连续纤维复合材料)、“HAL Disc. Fiber”(Halpin-Tsai不连续纤维复合材料)、“HAL Cont. Ribbon”(Halpin-Tsai连续纤维复合材料)、“HAL Disc. Ribbon”(Halpin-Tsai不连续纤维复合材料)、“HAL Particulate”(Halpin-Tsai颗粒增强复合材料)、“Short Fiber 1D”(短切纤维增强复合材料)、“Short Fiber 2D”(短切纤维增强复合材料)。每选中一个,就会弹出相应的材料设计面板,下面,就分别说明各种模型复

合材料的设计方法。

复合材料是近几十年才发展起来的一类新型材料,它通过将两种或多种材料在物理上的

混合,充分发挥各组分材料的特点和长处,从而使混合材料的综合特性非常突出。一般来说,

其中有一种组分要作为粘结剂,将混合材料粘结在一起,这一组分称作基体,而主要用于承

力的组分叫做增强项。复合材料因其比强度大、比模量高、抗疲劳性能好、工艺性好等,以

及在电磁、热传导、耐腐蚀等方面的诸多优点,近些年来得到大力研究和推广应用。

层合板的设计(Laminate)

在 Patran 中进行单层板的设计分析时,先应该进行单层板的定义,单层板也即 2D正交各向异性材料,假设定义了单层“glass_ply”,其属性数据如图 5-13所示。

Page 264: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

264

图 5-13 定义单层板“glass_ply”

选中“Laminate”,会弹出如图 5-14所示的面板,用于层合板的设计。Patran中的铺层顺序的方式有五种:“Total”指逐层铺设每个单层,逐层指定单层的材料、厚度和方向;“Symmetric”是用对称方法铺层,即对于对称层合板,只需输入其一半即可,另一半由系统在计算时对称的生成,总层数为偶数;“Symmetric/Mid-Ply”与“Symmetric”有些类似,但它的层数是奇数,层合板的材料对称面过中间单层的中面,假若层合板是N层,则要顺序的输入(N+1)/2 层,包括中间的单层;“Anti-Symmetric”是反对称的情况,总层数是偶数;

Page 265: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

265

“Anti-Symmetric/Mid-Ply”也是反对称的情况,只是总层数是奇数。铺层顺序方式的选择由图 5-14中左上方的“Stacking Sequence Convention”对应的下拉式按钮菜单选择确定。图 5-14中用的是“Total”方式。

图 5-14 设计层合板

在【Materials】面板中的“Existing Materials”中单击已定义好的“glass_ply”,如图 5-15所示。每单击一次,在图 5-14中的“Stacking Sequence Definition”中,就会“铺”一层。可以先输入足够的单层,然后再输入每个单层的厚度和铺设角。可以用 删

除选定的铺层。

Page 266: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

266

图 5-15 选取单层材料

如果每层的厚度都相同,则可在“Thickness For All Layers of glass_ply”中一次输入,如果单层的厚度不同,则可在“Insert Material Names”项中逐个输入,当然,此时,要选定旁边的“Thickness”。每输入一个数据,单击 确认,每层角度的输入也很

类似。 当每层的角度和厚度都输入之后,在图 5-14中的“Material Name”项中输入所设计层合

板的名称,单击 ,则层合板的定义完成。此时,会在“Laminated Composite”项的

Page 267: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

267

文本框中显示新建层合板的名称。 此时,可以单击图 5-15种的 ,显示所设计层合板的属性,如图 5-16

所示。例如层合板的刚度矩阵(A、B、D)、3D弹性矩阵、弹性模量、泊松比、剪切模量等。

图 5-16 显示层合板的属性

混合准则模型(Rule of Mixture) • •

混合准则模型用于三维实体材料的创建,该材料可以有任意多种材料组分,每种材

料组分的角度任意,体积比也可任意调整。 一般来说,由混合准则模型创建的材料是各向异性的,所有的属性参数由体积-重量

平均值法计算。 在【Materials】面板的“Method”中选择“Rule of Mixture”项,弹出如图 5-17所示

的设计参数输入面板。从图中可见,其有三个输入区,第一个输入区“Phase Material Name List”用于输入组分材料的名称,第二个输入区“Phase Volume Fractions”用于输入没个组分材料的体积含量,第三个输入区“Phase Orientations”用于输入没个组分的空间角度。

Page 268: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

268

图 5-17 创建混合准则模型材料

组分材料名称的输入方法类似于层合板设计中的单层板的输入,在【Materials】面板中的“Existing Materials”项中,用鼠标选取相应的材料即可。但应注意,每种组分材料应该据有 3D属性。 组分材料体积含量的输入按照组分材料名称的顺序依次输入即可,最后一个体积含量可

以不忽略,由系统自己计算,但如果输入,则所有体积含量的和必须为 1。 组分材料的角度由三个空间转角来表示(γ,β,α),按坐标顺序为 3-2-1,即γ表示的是

与 3轴之间的夹角,其它依此类推,角度的单位是度。由于每个组分有 3个角度值,所以,输入的角度数应该是组分材料名成数的 3倍。 如果要清除所输入的数据,单击图 5-17 上的 。类似于层合板,也可以单击

打开【Composite Material Properties】面板,显示混合准则方法设计的复合材料的属性。

Page 269: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

269

• •

Halpin-Tsai连续纤维复合材料(HAL Cont. Fiber) Halpin-Tsai 连续纤维复合材料模型是纤维增强复合材料的一种,在这种模型中,材

料组分只有两相,一种基体一种增强纤维。基体是各向同性材料,纤维是均质、连续、各向

同性的圆柱状纤维,所以,设计的材料是横向各向同性的。用 Halpin-Tsai 关系计算如 EL、

ET、νLT、GLT、GTT等,以确定材料的各个弹性常数。 设计时,只需输入组分材料的名称和相应的体积含量即可,缺省情况下,体积含量

由 Halpin-Tsai公式的经验系数给出。 在【Materials】面板的“Method”中选择“HAL Cont. Fiber”项,弹出如图 5-18所

示的面板。

Page 270: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

270

图 5-18 设计连续纤维复合材料

图 5-18中的“Material Constituents”项用来选定基体材料和增强纤维材料,“Fiber Volume Fraction”和“Matrix Volume Fraction”项分别用来确定纤维和基体的体积含量,可以用滑块来滑动确定,也可以在对应的文本框中直接输入数值。 “Out-of-Plane Stiffness Theory”项用来选择计算复合材料的面外刚度,“Old Theory”项

是为了与 Patran的早期版本兼容。

Page 271: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

271

• •

如果不想使用Halpin-Tsai关系式,则可以选择“Override Default Equations”项,输入 5个经验系数作为弹性常数来定义材料。

Halpin-Tsai不连续纤维复合材料(HAL Disc. Fiber) Halpin-Tsai 不连续纤维复合材料模型用于定义二相复合材料,其基体相是各向同性

的,其增强项是均质、不连续、各向同性的纤维,设计好的复合材料在横向是各向同性的。

如图 5-19所示,其操作类似于连续纤维增强复合材料的设计。

图 5-19 设计不连续纤维增强复合材料

Page 272: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

272

• •

与“HAL Cont. Fiber”不同的是,要输入不连续纤维的长径比,即“Fiber Aspect Ratio”项。

Halpin-Tsai连续纤维复合材料(HAL Cont. Ribbon) Halpin-Tsai连续纤维复合材料(HAL Cont. Ribbon)与“HAL Cont. Fiber”的不同之

处在于增强纤维,其增强项是均质、连续、正交各向异性、具有矩形横截面的纤维。所以,

这样设计的复合材料是正交各向异性的。 用Halpin-Tsai关系计算 E11、E22、E33、ν12、G12、G23,由这些弹性常数,就可以计

算其它弹性常数。要求输入组分材料的名称、体积含量、纤维的长径比,如图 5-20所示。

Page 273: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

273

• •

• •

图 5-20 设计连续纤维增强复合材料

同样,也可以用经验值代替计算值,通过选定“Override Default Equations”,直接输入 6个弹性常数值。

Halpin-Tsai不连续纤维复合材料(HAL Disc. Ribbon) 类似于Halpin-Tsai不连续纤维复合材料(HAL Disc. Fiber)和Halpin-Tsai连续纤维

复合材料(HAL Cont. Ribbon),“HAL Disc. Ribbon”中的纤维是正交各向异性的矩形截面不连续纤维。此时,对纤维截面和长度的表征有两个参数:“Fiber Aspect Ratio”下的“l/t”和“w/t”,前者表示纤维截面矩形的长与纤维本身长度的比值,后者表示纤维截面矩形的宽与纤维本身长度的比值。

Halpin-Tsai颗粒增强复合材料(HAL Particulate) 这里的颗粒增强复合材料模型有两相,基体相和增强颗粒相,由于增强组分和基体

都要求是各向同性材料,所以,设计的复合材料在宏观上是各向同性的,如图 5-21所示。设计时,分别选定基体材料和增强材料,确定两者的体积含量即可。也可以直接输入经验弹性

模量来定义。

Page 274: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

274

图 5-21 设计颗粒增强复合材料

短切纤维增强复合材料(Short Fiber 1D) • • 1D短切纤维增强复合材料模型用于计算短切纤维增强复合材料的材料特性,这里,

纤维的分布方向可以用高斯曲线来描述。这一步实质上是前面不连续纤维设计方法的继续,

即通过指定短切纤维的分布方向和规律,来设计短切纤维增强复合材料。用户通过指定短切

纤维的主方向和方向分布标准偏差来定义高斯分布(正态分布),如图 5-22所示。

Page 275: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

275

图 5-22 定义 1D短切纤维增强复合材料

这里,用 Monte Carlo 积分算法计算正态分布的单向短切纤维的贡献,用于增强的短切纤维可以是“Halpin-Tsai Discontinuous Fiber”,也可以是“Halpin-Tsai Discontinuous Robbin”。根据输入的参数,短切纤维模型将单向纤维的属性按照指定的高斯曲线进行“分布”。材料属

性的每次迭代计算结果都由“Rule of Mixture”中的体积-重量平均值法进行总结,缺省情况下,迭代次数为 1000次。 在图 5-22中,分别指定材料名称(由“HAL Disc. Fiber”或“HAL Disc. Ribbon”定义

的材料)、主方向角度、标准偏差角度和迭代次数即可。 短切纤维增强复合材料(Short Fiber 2D) •

• 2D短切纤维复合材料模型用于计算短切纤维呈高斯曲面分布的复合材料的属性。用户需要指定纤维的主方向、标准偏差,以及用于定义高斯分布(正态分布)的相关系数。“Short Fiber 2D”方法与“Short Fiber 1D”方法比较类似,如图 5-23所示。

Page 276: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

276

图 5-23 定义 2D短切纤维复合材料

5.3 显示创建的材料模型信息(Show)

在创建了若干材料之后,也可以通过“Show”操作将其属性显示出来,在【Materials】面板中,在“Action”项中选择“Show”,在“Object”中选择要显示的材料类型,即可将该材料的属性信息显示出来了,如图 5-24所示。

Page 277: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

277

图 5-24 显示材料信息

对于非复合材料,在“Object”中选定了材料的类型之后,其对应的显示方法只有“Tabular”一种,在“Existing Materials”中选择要显示的材料的名称,则会弹出相应的材料属性面板,跟材料定义的面板类似,但其中的数据不能修改,如图 5-25所示。

Page 278: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

278

图 5-25 材料信息数据

此时,可用图 5-25中的 和 打开相应的面板,

显示材料的刚度矩阵和柔度矩阵,如图 5-26和图 5-27所示。

Page 279: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

279

图 5-26 材料的刚度矩阵

图 5-27 材料的柔度矩阵

对于复合材料,则要在“Method”中选择相应的材料模型,对于不同的模型,在相应的

Page 280: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

280

材料过滤器中选择对应的材料,如层合板的“Laminated Composites”,在其中用鼠标选中要操作的材料,如图 5-28所示。

图 5-28 显示层合板的信息

例如,选定层合板“glass_ply”,此时,会弹出如图 5-29 所示的面板,显示层合板各层的信息。其图跟创建层合板的界面很相似,但各输入项都不能激活。同样,用图 5-29 中的

按钮,打开【Composite Material Properties】面板,可以显示层合板的刚度矩阵、模量等。

Page 281: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

281

图 5-29 层合板的信息

其它材料属性的显示操作也都类似,可依上边方法进行。

5.4 修改及删除创建的材料模型(Modify和 Delete)

材料在创建之后,可以对其各种参数进行修改,也可以将其删除。这里,就介绍一下材

料属性修改和删除的操作。

Page 282: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

282

5.4.1 修改材料属性(Modify)

在【Materials】面板的“Action”中选择“Modify”,在“Object”中选择相应的材料类型,如图 5-30所示。

图 5-30 修改各向同性材料

如果操作的是非复合材料,则在“Material to Modify”中选择要作修改的材料,此时,可以在“New Material Name”中输入新的名称,以改变该材料的名称。当选中某材料时,会弹出相应的材料属性输入面板,类似于材料定义,可以修改所有的参数。 若操作对象是复合材料,则在“Method”中选定不同的模型,例如层合板,如图 5-31

所示。此时,在“Laminated Comp. To Modify”中选定要修改的层合板,如“glass_ply”,则

Page 283: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

283

会弹出该层合板的【Laminated Composite】面板,类似于图 5-14,该面板中的属性数据都可以修改。可以对层合板的层数、每层的厚度、各层的铺设角度等进行修改。

图 5-31 修改层合板的属性

其它材料的修改也类似,可参考进行。

Page 284: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

284

5.4.2 删除已定义的材料(Delete)

当不需要某个已定义的材料时,可以将其删除,在【Materials】面板的“Action”中选择“Delete”项,用以删除材料,在“Object”中,选择要删除材料的类型,如图 5-32所示。

图 5-32 删除已有的材料

选定要删除的材料类型之后,已经定义的该类所有材料都将显示在“Existing Materials”中,用鼠标选中要删除的材料,被选中的材料将显示在“Selected Materials”中,借助于 shift键,可以一次选择多个材料删除。选择完成之后,单击 ,选中的材料将被删除。

Page 285: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

285

5.5 一些使用技巧

5.5.1 创建自己的材料库

如果有几种材料要经常用到,而每次新建一个 Patran数据库都将其重复的输入是很麻烦的,一种简便的方法是创建自己的模板数据库,而每次创建新数据库时,都以该数据库为模

板,这样,就不用重复的定义材料了。该方法的步骤如下: (1) 启动 Patran后,通过菜单项“File/New”以“mscnastran_template”

为模板,创建一个新的数据库,例如取名为“my_material_template”; (2) 不做其它任何操作,直接进入【Materials】界面,逐一的创建经

常用到的材料,并保存该数据库; (3) 关闭“my_material_template”数据库文件,并将其拷贝到 Patran

的安装目录下,例如“msc/patran2001”; (4) 以“my_material_template”为模板创建新的数据库文件,则该数

据库中就包含了刚才创建的所有材料。 这是创建自己材料数据库的一种简单而有效的方法。

5.5.2 Material Selector的使用

Patran自己不带任何材料数据库,但可以通过工具“material selector”访问外部的材料数据库“MVISION Databank”,如果安装了“MVISION”,就可用“material selector”来访问,提取该数据库中定义的材料。 当用“material selector”打开了一个“MVISION Databank”之后,就可以输入一定的准

则来查询数据库,将满足条件的材料全部找出,供选择使用。例如,表达式“CNAME Like * Alum * and YS11T > 75000”表示,查找名称中包含字符“Alum”、且屈服应力大于 75000的所有材料。一旦选中一种材料,便可以某种单位制将其调入 Patran使用。

Page 286: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

286

5.6 本章小节

本章主要介绍了 Patran中材料的定义方法和过程,以及对已设计好的材料如何进行修改和删除。Patran中支持多种材料本构关系和材料类型,如线弹性本构、非线性弹性、弹塑性、失效、蠕变等,支持的材料类型包括各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料、复

合材料等,而复合材料中又包括层合板复合材料、连续纤维增强复合材料、短切纤维增强复

合材料、颗粒增强复合材料等模型。总体来说,Patran 支持的材料模型是非常丰富的,既可以满足一般工程设计的需要,又可以满足高级工程领域应用的需要。 再者,Patran 中材料的定义也非常方便,操作灵活。例如对于复合材料,可以直观地看

到它的诸如刚度矩阵、柔度矩阵等属性,这样,可以根据设计的要求,随时修改自己的设计,

直到满意为止。 一种材料同时可以定义多种本构,并在需要时将其激活,不需要时,可以使其失效。方

便灵活。对于非各向同性材料,应用时一定要注意,使材料的方向与设计思想一致,这可以

通过局部坐标等来实现。

Page 287: MSC PATRAN从入门到精通

第6章 有限元模型单元的物理特性

(Properties)

前面说过,Patran 为了提高自身的适应性,特意将网格的划分和单元物理特性的定义分开,网格划分完毕之后,只是确定了单元的空间拓扑关系,但单元究竟代表实际结构中的什

么东西,比如拓扑空间中的一个线单元,它是一根弹簧,一个阻尼器,还是一根梁,是铁质

的,还是铝质的,这些都没有确定。 “Properties”的作用,就是对不同的单元,根据实际情况,赋予相应的物理特性。本章

将介绍如何定义对应于特定分析程序的特性“set”并将其应用于具体的单元。 本章的主要内容:

Τ

287

• • •

创建物理特性并将其应用于单元 显示已创建的单元物理属性 修改、删除已定义的物理特性

6.1 Properties介绍

“Properties”部分的功能就是根据实际结构合分析程序创建物理特性,并将其应用于对

应的有限元单元。在 Patran的工具栏区,单击 ,即可打开【Element Properties】面板,如图 6-1所示。类似于边界条件的定义,每创建一个“Property”,都要取一个“set”名字,该“set”名称是该物理特性的唯一标识,对每个物理特性的操作也都通过对其“set”名称的操作实现。在“Properties”中,对物理特性可以进行创建、显示、修改和删除等操作。

Page 288: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

288

图 6-1 创建单元物理特性

单元物理特性的定义有时很简单,有时却很复杂,这主要取决于实际结构的复杂程度。

对一个由各向同性材料构成的简单几何实体,只需指定其材料即可(假如自动划分网格),但

对于一个由多种单元类型、多种材料构成的复杂结构,则物理特性的定义就非常复杂。 Patran中单元物理特性的定义,实际上就是确定单元的类型(例如 Shell、Bar、Beam、

Rod、Solid 等)、单元的材料、截面几何特性等。所以,单元的物理特性是与分析解算器直接相关的。不同解算器支持不同的单元类型,定义的方法和过程也有所不同。这里,将以解

算器 Nastran的结构分析为例来说明,Nastran中支持的单元,根据维数可分为 0D、1D、2D

Page 289: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

289

和 3D单元。 定义的物理特性,可直接应用于单元,也可以应用于与单元相关联的几何。

6.2 创建物理特性并施加于单元(Create)

如图 6-1所示,创建一个物理特性,首先要根据实际情况,选定应用单元的维数和类型;接着输入一个“set”名称,作为该物理特性的唯一标识;然后选定材料的类型(例如各向同性材料);之后,打开特性数据输入面板,选择在【Materials】中定义好的材料,并输入相关参数;最后,选定要应用该物理特性的单元即可。 下面,就详细介绍物理特性的定义过程。

6.2.1 创建 0D单元的物理特性

0D单元主要用于模拟质量、弹簧、阻尼、衬套等,在【Element Properties】面板中,在“Action”项中选择“Create”,在“Object”中选择“0D”项,“Type”用于选择所定义物理特性对应的单元类型。其中有“Mass”、“Grounded Spring”、“Grounded Damper”和“Grounded Bush”四项。

Mass:用于定义对应于质量单元的物理特性,如图 6-2所示。在“Property Set Name”中,输入要定义特性的名称。

Page 290: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

290

图 6-2 定义质量单元

在“Option(s)”中,可以看到有三项:“Coupled”、“Grounded”和“Lumped”,分别表示不同的单元类型:耦合质量单元、接地质量单元和集中质量单元。对于不同的质量单元类

型,其数据的输入是不同的。 “Coupled”类型的单元,通过一个 6×6的对称质量矩阵来定义,应用于几何结构的点

上。单击 按钮,打开对应的【Input Properties】面板,输入数据,如图 6-3所示。

Page 291: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

291

图 6-3 创建耦合质量单元

在图 6-3种可以看到,第一行“Mass Orient. CID/CG”用来指定质量矩阵所在的坐标系,在“CID”方式下,可以输入已有的一个坐标系的 ID,在“Vector”方式下,则用矢量来指定质量矩阵所在坐标系。 由于 6×6的质量矩阵对称,所以只需要输入 21个质量分量即可,这些分量可以直接输

入,也可以用场来定义,21个分两种,至少输入一个值。 当个数据都输入之后,单击 按钮。选定图 6-2中的“Application Region”的文

本输入框,选择对应的几何点,选中之后(会显示在“Application Region”的文本输入框中),单击 ,该点将被加入到“Application Region”下方的框中,以确认选定。之后,单击 ,则该该“Property”的名称将出现在“Existing Property Sets”文本框中,表示

Page 292: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

292

该“Property”创建成功。所有的单元物理特性创建之后,都要应用到相应的节点、网格上去,都要与具体的网格相关联。 若在“Option(s)”中选择“Grounded”,可创建一个标量质量单元。在这种方法中,作为

标量的质量将被应用于模型的某一个节点,而模型的其它解点被定义为固定,对应的数据输

入面板【Input Properties】如图 6-4所示。

图 6-4 定义固定质量单元

在图 6-4中,“Mass”项用来输入质量值,其可以是一确定的实数,也可以用场来定义。“Dof at Node 1”项指与质量相关联的节点的自由度,由其右侧的下拉式按钮菜单选择确定,其值包括“UX”、“UY”、“UZ”、“RX”、“RY”和“RZ”,分别表示节点的三个移动和三个转动自由度。

Page 293: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

293

若“Option(s)”项选择“Lumped”,则将在几何结构点上创建集中质量单元,通过质量的大小和转动惯量来定义,其数据输入面板如图 6-5所示。图中各项的意义如表 6-1所示。

图 6-5 创建集中质量单元

表 6-1 定义集中质量单元

选 项 说 明

Mass 集中质量的大小,可以直接输入一个实数,也可以由场来定义;

Mass Orient.

CID/CG

指定集中质量各惯量的参考系,直接指定坐标系或用矢量来表示均可;

Mass Offset 用一个矢量来指定集中质量相对于节点的位置偏移量,其也参考定义质量的坐标系,

可以由场来定义;

Page 294: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

294

Inertia i,j 定义集中质量的各个转动惯量,可以直接输入,也可以由场来定义。

• Grounded Spring:定义一个标量弹簧单元,应用于一个节点,其它节点则固定,其

数据输入面板如图 6-6所示。各输入项的意义如表 6-2所示。

图 6-6 创建固定弹簧单元

表 6-2 定义固定弹簧单元

选 项 说 明

Spring Constant 弹簧的弹性常数,即刚度系数,可以直接输入,也可以用场来定义;

Damping

Coefficient

弹簧的阻尼系数,可直接输入,也可用场来表达;

Page 295: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

295

Stress

Coefficient

用来确定弹簧的变形与应力之间的关系,可以直接输入,也可以用场来定义;

Dof at Node 1 指定节点的自由度,在其左边的下拉式按钮菜单中选择确定。

• Grounded Damper:定义一个标量阻尼器单元,应用于某一节点,其它节点固定,其

数据输入面板如图 6-7所示。

图 6-7 定义固定阻尼器单元

图 6-7中的“Damping Coefficient”项用来输入阻尼系数,也可以用场来定义;“Dof at Node 1”项用来确定选定单元的自由度。

Grounded Bush:用众多参数定义一个复杂的弹簧-阻尼器系统,其参数输入如图 6-8•

Page 296: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

296

所示。其各项的意义如表 6-3所示,其中大多数项的数据都可以用场来定义。

图 6-8 定义复杂的弹簧-阻尼器单元

表 6-3 定义复杂的弹簧-阻尼器单元

选 项 说 明

Bush Orientation

Syste

指定参考坐标系;

Spring Constant i

/ Stiff. Freq

Depend i

(i表示自由度方向,下同)各项表示与特定自由度相关的弹簧刚度;

Stiff. Force/Disp 定义与每个自由度相关的非线性的力/位移曲线;

Page 297: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

297

i

Damping

Coefficient i /

Damp Freq.

Depend i

弹簧-阻尼器系统的各自由度方向的阻尼系数,由单位速度的力来定义;

Structural

Damping

指定一个结构阻尼系数;

Stress Recovery

Transl / Stress

Recovery Rotati

应力恢复系数,即单元的应力等于应力恢复系数与单元力的乘积;

Strain Recovery

Transl / Strain

Recovery Rotati

应变恢复系数,即单元的应变等于应变恢复系数与单元力的乘积。

6.2.2 创建 1D单元的物理特性

1D 单元是呈线状的单元,即网格划分时的“Bar”,其对应的实际单元类型较多,如图6-9所示,在图中的“Type”中可以看到,对应于Nastran的结构分析,1D单元包括“Beam”、“Rod”、“Spring”、“Damper”、“Gap”、“1D Mass”、“PLOTEL”和“Bush”,下面就分别介绍。

Page 298: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

298

图 6-9 创建 1D单元

Beam:梁单元是一种工程中常用的单元类型,且由于截面形状不同而有许多不同,这里,将根据截面的不同,详细介绍梁单元物理特性的定义方法。梁单元定义的重点在于对

梁截面性能的描述,在 Patran中,既可以通过直接指定截面的参数如截面面积、惯性矩、扭转刚度等来定义截面,也可以具体的指定截面的形状。

如图 6-9,当选项“Option(s)”分别选择“General Section”和“Standard Formulation”时,将用“Bar2”网格建立一种简单的单元。在“Property Set Name”中输入新建物理特性的名称,例如“beam_general”,此时,单击 ,打开其数据输入面板【Input

Page 299: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

299

Properties】,如图 6-10所示。图中各项的意义如表 6-4所示。

图 6-10 创建普通截面梁单元

表 6-4 定义普通截面梁单元

选 项 说 明

Material Name 选用要应用于梁单元的材料,可在“Material Property Sets”中选择已经定义好的

材料;

Section Name 允许用户自己定义一个截面形状,或从截面库中选择定义一个,在该文本框中输

入所建截面的名称,若其右侧的选项是“Properties”,则允许用户用参数来定义

截面,若该选项是“Dimensions”,则用户可在截面库中选择定义截面的具体形

状;

Page 300: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

300

Bar Orientation 定义一个局部坐标系,该坐标方向将定义一个局部 XY平面,其 X轴将沿梁的

轴向,可以用矢量或参考节点来定义;

Offset @ Node 1 /

Offset @ Node 2

用两个矢量来定义单元两个节点相对于梁截面型心的偏移量,本项为可选项;

Pinned DOF @

Node 1 / Pinned

DOF @ Node 2

选定在单元局部坐标下单元节点的自由度,用来去除节点与单元两端相应自由度

之间的联系;

Create Section 激活标准单元库的操作面板,使用户能选用标准的单元截面并输入其尺寸;

Associate Beam

Section

在手工定义梁截面与选用标准截面之间进行切换;

Area 定义单元的截面面积;

Inertia i,j 定义单元截面的惯性矩;

Torsional

Constant

定义梁截面的抗扭刚度;

Shear Stiff. Y /

Shear Stiff. Z

定义梁截面的剪切刚度;

Nonstructural

Mass

定义非结构质量,该质量不包含在单元物质的质量之内,其数值是单位单元长度

的质量;

Y(X,Z) of Point

C(D,E,F)

表征应力恢复,它们定义了梁单元横截面上的应力恢复点的Y和 Z坐标,该值

是在单元局部坐标系下的坐标值;

Station Distance 输入单元的长度分数以在单元上定义至多六个点,因为是长度分数,所以其值在

0~1之间。

由图 6-10中的“Create Section”打开定义梁截面形状的面板,如图 6-11所示。利用该面

板,可以创建、修改、删除梁的截面形状。每个截面都有自己的名称,可以选用标准的截面

Page 301: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

301

图 6-11 定义梁单元的截面形状

形状、输入相应的尺寸定义截面,也可以自己直接输入截面的形状。 在图 6-9中,如果选项“Option(s)”选择“General Section”和“P-Formulation”,则创建

的物理特性可应用于“Bar2”、“Bar3”或“Bar4”网格,分析时用 P-单元法,此时,相应的【Input Properties】面板如图 6-12所示。其各选项的意义如表 6-5所示。

Page 302: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

302

图 6-12 创建普通截面梁单元(P-单元)

表 6-5 定义普通截面梁单元(P-单元)

选 项 说 明

Material Name 选用要应用于梁单元的材料,可在“Material Property Sets”中选择已经定义好的

材料;

Section Name 允许用户自己定义一个截面形状,或从截面库中选择定义一个,在该文本框中输

入所建截面的名称,若其右侧的选项是“Properties”,则允许用户用参数来定义

截面,若该选项是“Dimensions”,则用户可在截面库中选择定义截面的具体形

状;

Bar Orientation 定义一个局部坐标系,该坐标方向将定义一个局部 XY平面,其 X轴将沿梁的

Page 303: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

303

轴向,可以用矢量或参考节点来定义;

Offset @ Node 1 /

Node 2

用两个矢量来定义单元两个节点相对于梁截面型心的偏移量,本项为可选项;

Create Section 激活标准单元库的操作面板,使用户能选用标准的单元截面并输入其尺寸;

Associate Beam

Section

在手工定义梁截面与选用标准截面之间进行切换;

Area 定义单元的截面面积;

Inertia i,j 定义单元截面的惯性矩;

Torsional

Constant

定义梁截面的抗扭刚度;

Shear Stiff. Y /

Shear Stiff. Z

定义梁截面的剪切刚度;

Nonstructural

Mass

定义非结构质量,该质量不包含在单元物质的质量之内,其数值是单位单元长度

的质量;

Y(X,Z) of Point

C(D,E,F)

表征应力恢复,它们定义了梁单元横截面上的应力恢复点的Y和 Z坐标,该值

是在单元局部坐标系下的坐标值;

NSM of Inertia @

Node 1 / Node 2

单元两端节点处的非结构质量惯性;

Y(Z) of NSM @

Node 1(Node 2)

非结构质量与节点之间的位置偏移量。

Y(Z) of NA @

Node 1(Node 2)

定义单元截面中心与中心轴的位置偏移量;

Y(Z) of C(D,E,F)

Points

在单元的截面坐标系中定义位置,该位置是剪切应力的恢复中心;

Station Distance 输入单元的长度分数以在单元上定义至多六个点,因为是长度分数,所以其值在

0~1之间;

Starting P-orders 单元内部位移多项式的起始阶数;

Page 304: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

304

Maximum

P-orders

单元内部位移多项式的最高阶数;

P-order Coord.

System

单元内部的位移坐标系,一般缺省的取单元的局部坐标;

Activate Error

Estimat

定义的物理特性在分析时是否有错的控制标志;

P-order Adaptivity 控制多项式阶数调整的特殊类型;

Error Tolerance 确定分析是否顺利完成的公差;

Stress Threshold

Value

应力门槛值;

Strain Threshold

Value

应变门槛值。

在图 6-9中,如果选项“Option(s)”选择“Curved W/General Section”,这种方法通过给

定一条曲线的曲率半径和方向,定义曲线梁单元。其对应的【Input Properties】面板如图 6-13所示,图中各输入项的意义如表 6-6所示,其中的大多数参数可以用场来定义。

Page 305: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

305

图 6-13 创建曲线梁单元

表 6-6 定义曲线梁单元

选 项 说 明

Material Name 单元所使用的材料,在“Material Property Sets”中选择使用;

Center of

Curvature

定义曲线梁单元起始处的中心位置,可用一个矢量来定义,也可以直接用该节点

来指示;

Radial Bar

Offset / Axial

Bar Offset

定义节点到梁实际截面中心位置点的偏移量;

Area 单元的截面面积,可以用场来定义一个变化的截面面积;

Page 306: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

306

Inertia i,i 定义梁截面的惯性矩;

Torsional

Constant

梁的扭转刚度;

Shear Stiff. R(Z) 定义梁的剪切刚度;

Nonstructure

Mass

非结构质量,其不包括在单元的材料质量之内;

Radial NA

Offset

定义曲线梁的几何中心与单元末节点之间的径向偏移量,正值将使梁的几何中心

移向曲线梁的曲率中心;

R(Z) of Point

C(D,E,F)

用于定义单元的应力恢复,即定义梁的横截面上应力恢复点的 R和 Z坐标,其参

考系是单元的局部坐标系。

在图 6-9中,如果选项“Option(s)”选择“Curved W/Pipe Section”,这种方法用于定义

曲线管道梁单元或是拐角形的弯管单元。管道的内压在定义时也被作为单元的属性之一来定

义,对于弯管,内压将影响管道单元的刚度。其属性输入面板如图 6-14所示,各输入项的意义如表 6-7所示,其中的大多数参数可以用场来定义。

Page 307: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

307

图 6-14 创建弯曲管道单元

6-7 定义弯曲管道单元

选 项 说 明

Material Name 单元所使用的材料,在“Material Property Sets”中选择使用;

Center of

Curvature

定义曲线管单元起始处的中心位置,可用一个矢量来定义,也可以直接用该节点

来指示;

Radial Bar

Offset / Axial

Bar Offset

定义节点到管实际截面中心位置点的偏移量;

Mean Pipe 管子的平均半径,即从管子截面的中心位置到管壁厚度中面的距离;

Page 308: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

308

Radius

Pipe Thickness 管子的壁厚;

Internal Pipe

Press.

作用于弯管内壁的静压力;

Nonstructure

Mass

非结构质量,其不包括在单元的材料质量之内;

Stress Intensific 应力强化,从其右边选项种选择一个即可。

在图 6-9中,如果选项“Option(s)”选择“Lumped Section”,这种方法用于定义截面不

变的梁单元,该界面是一集中的面积。其属性输入面板如图 6-15所示,各输入项的意义如表6-8所示,其中的大多数参数可以用场来定义。

Page 309: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

309

图 6-15 创建截面不变的梁单元

表 6-8 定义截面不变的梁单元

选 项 说 明

Material Name 选用要应用于梁单元的材料,可在“Material Property Sets”中选择已经定义好的

材料;

Bar Orientation 定义一个局部坐标系,该坐标方向将定义一个局部 XY平面,其 X轴将沿梁的

轴向,可以用矢量或参考节点来定义;

Offset @ Node 1 /

Offset @ Node 2

用两个矢量来定义单元两个节点相对于梁截面型心的偏移量,本项为可选项;

Pinned DOF @

Node 1 / Node 2

选定在单元局部坐标下单元节点的自由度,用来去除节点与单元两端相应自由度

之间的联系;

Warp DOF @

Node 1 / Node 2

输入节点的 ID,在该节点处,弯曲自由度将被约束;

Area 定义单元的截面面积;

Shear Stiff. Y /

Shear Stiff. Z

定义梁截面的剪切刚度;

Nonstructural

Mass

定义非结构质量,该质量不包含在单元物质的质量之内,其数值是单位单元长度

的质量;

Y(Z) of NSM 非结构质量与单元横截面中心位置的偏移量;

Symmetry Option 指定用哪种类型的对称来定义梁单元的截面,可在其右边的下拉式按钮菜单中选

择确定;

Ys(Zs) of Lumped

Areas

在单元的截面坐标系中定义集中面积的位置;

Area Factors 定义包含在集中面积中的总面积的系数,给定截面处的所有面积系数的和应等于

1.0,如果输入的数据不满足这一条件,则系统会将所有的面积系数按比例放大

或缩小,使其满足该要求。

Page 310: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

310

在图 6-9 中,如果选项“Option(s)”选择“Tapered Section”,这种方法用于定义锥形的梁单元,该类单元的截面是沿单元长度方向逐渐变化的。“Tapered Section”选项下方还有一个选项,在这里,将以“Standard Formulation”项来说明。其属性输入面板如图 6-16所示,各输入项的意义如表 6-9所示,其中的大多数参数可以用场来定义。

图 6-16 创建锥形梁单元

表 6-9 定义锥形梁单元

选 项 说 明

Page 311: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

311

Material Name 选用要应用于梁单元的材料,可在“Material Property Sets”中选择已经定义好的

材料;

Section Name 允许用户自己定义一个截面形状,或从截面库中选择定义一个,在该文本框中输

入所建截面的名称,若其右侧的选项是“Properties”,则允许用户用参数来定义

截面,若该选项是“Dimensions”,则用户可在截面库中选择定义截面的具体形

状;

Bar Orientation 定义一个局部坐标系,该坐标方向将定义一个局部 XY平面,其 X轴将沿梁的

轴向,可以用矢量或参考节点来定义;

Offset @ Node 1 /

Node 2

用两个矢量来定义单元两个节点相对于梁截面型心的偏移量,本项为可选项;

Pinned DOF @

Node 1 / Node 2

选定在单元局部坐标下单元节点的自由度,用来去除节点与单元两端相应自由度

之间的联系;

Warp DOF @

Node 1 / Node 2

输入节点的 ID,在该节点处,弯曲自由度将被约束;

Station Distance 输入单元的长度分数以在单元上定义至多六个点,以指示在该位置处定义单元截

面的属性,因为是长度分数,所以其值在 0~1之间;

Cross Sect. Areas 定义单元的截面积;

Inertia i,i 定义梁截面的惯性矩;

Torsional

Constant

梁的扭转刚度;

Ys(Zs) of

C(D,E,F) Points

在单元的截面坐标系中定义位置,该位置是剪切应力的恢复中心;

Nonstructural

Mass

定义非结构质量,该质量不包含在单元物质的质量之内,其数值是单位单元长度

的质量;

NSM Inertia @

Node 1 / Node 2

在单元的两端,制定非结构质量相对其重力中心的单位长度上的转动惯量;

Y(Z) of NSM @

Node 1(Node 2)

非结构质量与单元横截面中心位置的偏移量;

Page 312: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

312

Shear Stiff. Y /

Shear Stiff. Z

定义梁截面的剪切刚度;

Warp Relief

Coeff. @ Node

1(Node 2)

定义由于单元的锥度而引起的单元抗剪递减系数;

Y(Z) of NA @

Node 1(Node 2)

定义单元截面中心与中心轴的位置偏移量;

• Rod:杆也是实际工程中常用的结构元件,一般来说,杆只承受轴向的作用力,有时,

也可承受扭转力,相对于梁单元,杆单元的定义较简单。在【Element Properties】面板中的“Action”、“Object”和“Type”中,分别选择“Create”、“1D”和“Rod”,创建一维杆单元的物理特性,如图 6-17所示。

Page 313: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

313

图 6-17 创建杆单元的物理特性

在图 6-17中,若“Option(s)”项选择“General Section”,可创建能承受拉、压、扭的杆,其对应的【Input Properties】面板如图 6-18所示。图中各输入项的意义如表 6-10所示,大多数项既可以直接输入,也可以用场来定义。

Page 314: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

314

]

图 6-18 创建拉压扭杆单元

表 6-10定义拉压扭杆单元

选 项 说 明

Material Name 单元所使用的材料,在“Material Property Sets”中选择使用;

Area 杆单元的截面积;

Torsional

Constant

杆单元的抗扭刚度;

Tors. Stress

Coeff.

扭转应力系数,用以确定扭转应力;

Nonstructure 非结构质量,其不包括在单元的材料质量之内;

Page 315: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

315

Mass

在图 6-17中,若“Option(s)”项选择“Pipe Section”,可创建能承受拉、压、扭的管状

的杆,其对应的【Input Properties】面板如图 6-19所示。图中各输入项的意义如表 6-11所示,大多数项既可以直接输入,也可以用场来定义。

图 6-19 创建管状的杆单元

表 6-11 定义管状的杆单元

选 项 说 明

Material Name 单元所使用的材料,由【Materials】定义,在“Material Property Sets”中选择使用;

Outer Diameter 单元第一个节点处管的外径;

Page 316: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

316

@ Node

Outer Diam. @

Node 2

单元第二个节点处管的外径;

Pipe Thickness 管单元的壁厚;

Nonstructure

Mass

非结构质量,其不包括在单元的材料质量之内;

• Spring:创建一维弹簧单元,通过定义弹簧的弹性常熟、阻尼、单元的节点自由度等

实现,其对应的【Input Properties】面板如图 6-20所示。图中各输入项的意义如表 6-12所示,大多数项既可以直接输入,也可以用场来定义。

Page 317: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

317

图 6-20 创建弹簧单元

表 6-12 定义弹簧单元

选 项 说 明

Spring Constant 弹簧单元的弹性常数;

Damping

Coefficient

弹簧单元的阻尼系数;

Stress

Coefficient

弹簧单元的应力系数,用以定义弹簧的位移与应力之间的关系;

Dof at Node

1(Node 2)

定义节点的自由度,即节点的哪个位移方向自由,在其右边的下拉式按钮菜单中

选择确定;

• Damper:定义阻尼器单元。其“Option”有两个选项:“Scalar”和“Viscous”,用来

定义粘性阻尼器单元。当“Option”项选择前者时,其【Input Properties】面板如图 6-21所示。其中输入参数有三个,“Damping Coefficient”是阻尼系数,定义单位速度对应的阻力;“Dof of Node 1”和“Dof of Node 2”定义单元起始节点的自由度,在其右边的下拉式按钮菜单中选择确定。

Page 318: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

318

图 6-21 创建与速度相关的阻尼器单元

当“Option”项选择“Viscous”时,对应的【Input Properties】面板如图 6-22所示。其有两个参数,定义两个粘性阻尼系数。

Page 319: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

319

图 6-22 定义粘性阻尼器单元

• Gap:定义裂纹单元或摩擦单元,用于非线性分析。当其“Option(s)”项选择“Adaptive”时,对应的【Input Properties】面板如图 6-23所示。其各输入项的意义如表 6-13所示,各输入项可以直接输入,也可以用场来定义。

Page 320: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

320

图 6-23 创建裂纹单元

表 6-13 定义裂纹单元

选 项 说 明

Gap Orientation 定义单元的局部坐标系,可以用三种方法来定义,如果裂纹的两端点不重合,则

可以用“CID”或“Node ID”方法来定义,该坐标系的X轴沿单元轴向,如果单

元的两个端点重合,则可用坐标系来定;

Initial Opening 裂纹的初始张开距离;

Preload 作用于裂纹上的预载荷,例如初始的线载荷;

Closed / Opened

Stiffness

定义裂纹的闭合/张开刚度,闭合刚度必须正确选择使其与周围的单元完全匹配;

Page 321: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

321

Sliding Stiffness 定义单元被闭合时的剪切刚度;

Static Friction 定义静摩擦系数;

Kinematic

Friction

定义动摩擦系数;

Max Penetration 定义最大允许的穿透;

Max Adjust

Ratio

定义最大允许的调整率;

Penet. Lower

Bound

定于允许的穿透下限。

当“Option(s)”项选择“Nonadaptive”时,对应的【Input Properties】面板与图 6-23类

似,其参数也大多与表 6-13中的相同,不同的有两个:“Friction Coeff. Y”和“Friction Coeff. Z”,用来定义当单元沿单元的局部坐标 Y、Z方向滑动时的滑动摩擦系数。

• 1D Mass:定义结构中的质量单元。其对应的【Input Properties】面板如图 6-24所示。该图中的输入项有三个:“Mass”定义移动中的质量或者是转动惯量,可以直接输入,也可以用场来定义;“Dof of Node 1”和“Dof of Node 2”定义单元节点的自由度,在其右边的下拉式按钮菜单中选择确定。

Page 322: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

322

图 6-24 定义质量单元

• Bush:用众多参数定义一个复杂的弹簧-阻尼器系统,其参数输入如图 6-25 所示。其各项的意义如表 6-14所示,其中大多数项的数据都可以用场来定义。

Page 323: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

323

图 6-25 定义复杂的弹簧-阻尼器单元

表 6-14 定义复杂的弹簧-阻尼器单元

选 项 说 明

Bush Orientation 指定单元的局部坐标系(方向),有三种定义方法;

Offset Location 指定弹簧-阻尼器在单元轴线上的位置分数,其值在 0~1之间;

Offset

Orientation Sys

当弹簧-阻尼器不在单元轴线上时,定义弹簧-阻尼器的坐标系的偏移量;

Offset

Orientation

Vector

定义弹簧-阻尼器的偏移坐标系中的位置,如果没有偏移,则此项可忽略;

Page 324: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

324

Spring Constant i

/ Stiff. Freq

Depend i

(i从 1到 6,表示自由度方向,下同)各项表示与特定自由度相关的弹簧刚度;

Stiff. Force/Disp

i

定义与弹簧-阻尼器的每个自由度相关的非线性的力/位移曲线;

Damping

Coefficient i /

Damp Freq

Depend i

弹簧-阻尼器系统的各自由度方向的阻尼系数,由单位速度的阻力来定义;

Structural

Damping

指定结构阻尼系数;

Stress Recovery

Transl / Stress

Recovery Rotati

应力恢复系数,即单元的应力等于应力恢复系数与单元力的乘积;

Strain Recovery

Transl / Strain

Recovery Rotati

应变恢复系数,即单元的应变等于应变恢复系数与单元力的乘积。

6.2.3 创建 2D单元的物理特性

Patran中支持多种 2D单元,例如板壳单元、弯板单元、2D实体单元(用于平面应变问题)、薄膜单元、剪切板单元等。这些单元物理特性定义之后,与 2D 网格(Tri、Quad)相关联,以定义完整的、具有物理特性的单元。 在【Input Properties】面板中,“Action”项选择“Create”,“Object”项选择“2D”,则

在“Type”中可以看到“Shell”、“Bending Panel”、“2D Solid”、“Membrane”和“Shear Panel”,分别对应不同的 2D单元类型,下面,就一一介绍。

• Shell:创建板壳单元,如图 6-26所示。板壳单元是可以承受拉压、弯、剪的平面单元。图 6-26 中的“Option(s)”下有多个选项,用以控制不同的单元材料类型和运算方法。

Page 325: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

325

“Option(s)”的第二项选择不同,对应的单元拓扑将有所不同,“Standard Formulation”对应Tri3、Tri6、Quad4、Quad8 网格拓扑,“Revised Formulation”对应 Tri3、Quad4 网格拓扑,“P-Formulation”对应 Tri3、Tri6、Tri7、Tri9、Tri13、Quad4、Quad8、Quad9、Quad12、Quad16网格拓扑。

图 6-26 创建板壳单元

当图 6-26中的“Option(s)”项选择“Homogeneous”时,定义各向同性材料的板壳单元,以“Standard Formulation”为例来说明,其对应的【Input Properties】如图 6-27所示。其各项

Page 326: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

326

的意义如表 6-15所示,其中大多数项的数据都可以用场来定义。

图 6-27 创建各向同性的板壳单元

表 6-15 定义各向同性的板壳单元

选 项 说 明

Material Name 定义单元的材料;

Material

Orientation

定义材料在单元中的基本方向,适合于各种各向同性材料;

Thickness 单元的厚度;

Nonstructure

Mass

单元的非结构质量;

Page 327: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

327

Plate Offset 单元的参考平面相对于节点确定的平面的偏移量;

Fiber Dist. 1 /

Fiber Dist. 2

分别用来定义单元的参考平面到单元平面的最上点和最下点的距离;

当图 6-26中的“Option(s)”项选择“Laminate”时,定义层合板复合材料板壳单元,以

“Standard Formulation”为例来说明,其对应的【Input Properties】如图 6-28所示。其各项的意义如表 6-16所示,其中一些参数可以用场来定义。

图 6-28 创建层合板复合材料壳单元

表 6-16 定义层合板复合材料板壳单元

选 项 说 明

Page 328: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

328

Material Name 定义单元的材料,即在“Material Property Sets”中选择已定义好的层合板板复合

材料;

Material

Orientation

定义层合板在单元中的方向,有三种方法,CID:选择一个坐标系,其将被投影到

单元上,Real Scalar:用一个常数指定材料坐标系与单元的缺省坐标系之间的夹角,

Vector:定义一个矢量,其将投影到单元上一指示材料的方向;

Nonstructure

Mass

单元的非结构质量;

Plate Offset 单元的参考平面相对于节点确定的平面的偏移量;

当图 6-26中的“Option(s)”项选择“Equivalent Section”时,用当量截面分别定义板壳

的抗拉压、抗弯、抗剪材料和性能,以“Standard Formulation”为例来说明,其对应的【Input Properties】如图 6-29所示。其各项的意义如表 6-17所示,其中一些参数可以用场来定义。

Page 329: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

329

图 6-29 用当量截面创建板壳单元

表 6-17 用当量截面定义板壳单元

选 项 说 明

Membrane /

Bending / Shear /

Coupling Material

分别定义单元各当量性能的材料,包括拉压、弯曲、剪切和耦合,在“Material

Property Sets”中选择已定义好的材料;

Material Orientation 定义单元中非各向同性材料的方向,有三种方法,CID:选择一个坐标系,其

将被投影到单元上,Real Scalar:用一个常数指定材料坐标系与单元的缺省坐

标系之间的夹角,Vector:定义一个矢量,其将投影到单元上一指示材料的方

向;

Page 330: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

330

Thickness 指定每个单元一致的厚度;

Bending Stiffness 定义单元的弯曲刚度参数;

Thickness Ratio 定义横向剪切厚度与薄膜厚度的比;

Nonstructure Mass 单元的非结构质量;

Plate Offset 单元的参考平面相对于节点确定的平面的偏移量;

Fiber Dist. 1 / Fiber

Dist. 2

分别用来定义单元的参考平面到单元平面的最上点和最下点的距离;

• Bending Panel:定义抗弯的板单元。其对应的【Element Properties】面板上的

“Option(s)”也有三项,这里就以“Standard Formulation”为例来说明弯板单元的定义。其对应的【Input Properties】面板如图 6-30所示。图中各输入项的意义如表 6-18所示。

Page 331: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

331

图 6-30 创建弯板单元

表 6-18 定义弯板单元

选 项 说 明

Material Name 定义单元的材料,即在“Material Property Sets”中选择已定义好的材料;

Material

Orientation

定义材料在单元中的方向,有三种方法,CID:选择一个坐标系,其将被投影到单

元上,Real Scalar:用一个常数指定材料坐标系与单元的缺省坐标系之间的夹角,

Vector:定义一个矢量,其将投影到单元上一指示材料的方向;

Thickness 定义弯板单元的厚度;

Nonstructure

Mass

单元的非结构质量;

Fiber Dist. 1 /

Fiber Dist. 2

分别用来定义单元的参考平面到单元平面的最上点和最下点的距离;

• 2D Solid:定义平面应变单元。对于 3D实体,当其应变只与两个坐标有关时,可以

将 3D问题简化成 2D问题来解决。在【Element Properties】面板上的“Option(s)”中,选择“Plane Strain”,用于定义平面应变单元,以“Standard Formulation”选项为例,对应的【Input Properties】面板如图 6-31所示。其输入项有三个:“Material Name”项用来选择单元的材料,“Material Orientation”项用来定义材料在单元中的方向,“Nonstructure Mass”项定义非结构质量。

Page 332: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

332

图 6-31 创建平面应变单元

若“Option(s)”项选择“Axisymmetric”,则可建立轴对称的平面应力单元。以“Standard Formulation”选项为例,对应的【Input Properties】面板如图 6-32所示。其参数输入项有两个:“Material Orientation”项定义材料在单元中的方向,“Material Name”项定义单元的材料。

Page 333: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

333

图 6-32 创建轴对称平面应力单元

• Membrane:定义薄壳单元。薄壳单元也是常用的一种 2D单元类型,其承受拉压和弯。【Element Properties】面板中的“Option(s)”有三个选项,以“Standard Formulation”为例来说明,其对应的【Input Properties】面板如图 6-33所示。

Page 334: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

334

图 6-33 创建薄壳单元

图 6-33的数据输入项有四个,各项的意义如表 6-19所示。 表 6-19 定义薄壳单元

选 项 说 明

Material Name 定义单元的材料,即在“Material Property Sets”中选择已定义好的材料;

Material

Orientation

定义非各向同性材料在单元中的方向,有三种方法,CID:选择一个坐标系,其将

被投影到单元上,Real Scalar:用一个常数指定材料坐标系与单元的缺省坐标系之

间的夹角,Vector:定义一个矢量,其将投影到单元上一指示材料的方向;

Thickness 定义薄壳单元的厚度;

Nonstructure 单元的非结构质量;

Page 335: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

335

Mass

• Shear Panel:定义剪切板单元。剪切板是只承受剪切力的 2D力学模型单元,用两个

方向的剪切刚度来定义。其对应的【Input Properties】面板如图 6-34所示。其中个输入项的意义如表 6-20所示。

图 6-34 创建剪切板单元

表 6-20 定义薄壳单元

选 项 说 明

Material Name 定义单元的材料,即在“Material Property Sets”中选择已定义好的材料;

Thickness 定义剪切板单元的厚度;

Page 336: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

336

Nonstructure

Mass

单元的非结构质量;

Extensional

Stiff. 12

定义 1-2方向的剪切刚度;

Extensional

Stiff. 14

定义 1-4方向的剪切刚度;

6.2.4 创建 3D单元的物理特性

创建 3D单元物理特性的方式只有一种,即“Solid”,如图 6-35所示。

Page 337: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

337

图 6-35 创建 3D实体单元

图 6-35 中的“Option(s)”有三个选项:“Standard Formulation”、“P-Formulation”和“Hyperelastic Formulation”,各选相对应的网格拓扑不同,输入参数也不同。“Standard Formulation”项对应的网格拓扑有 Tet4、Tet10、Wedge6、Wedge15、Hex8、Hex20,“P-Formulation”项对应的网格拓扑有 Tet4、Tet10、Tet16、Tet40、Wedge6、Wedge15、Wedge24、Wedge52、Hex8、Hex20、Hex32、Hex64,“Hyperelastic Formulation”项对应的网格拓扑包括 Tet和 Hex。

Page 338: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

338

这里,以图 6-35中的“Option(s)”项选择“Standard Formulation”时的情况为例,来说明实体单元物理特性的定义方法,对应的【Input Properties】面板如图 6-36所示。各输入项的意义如表 6-21所示。

图 6-36 定义实体单元

表 6-21 定义实体单元

选 项 说 明

Material Name 定义单元的材料,即在“Material Property Sets”中选择已定义好的材料;

Mater.

Orientation

定义非各向同性材料在单元中的方向,有三种方法:“CID”是选用某个坐标系,

“Element”是使用单元坐标系,“Global”是使用全局坐标系,即 Coord 0,缺省

Page 339: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

339

情况下是用“Global”,非线性分析的应力、应变都输出到单元坐标系,而与设置

无关;

Integration

Network

选择积分网络;

Integration

Scheme

选择积分方法;

Output

Locations

定义单元计算结果的输出;

6.3 显示物理特性(Show)

创建了物理特性并将其与具体的网格相关联之后,才建立了数学上完整的有限元单元,

通过“Show”操作,可以显示各种物理特性及其对应的单元信息,可以根据需要,用不同的方法显示不同的内容。这里,物理特性的显示方法有列表法、图形符号法、矢量图法、云文

图法等。显示的内容可以是材料的名称、物理特性名称、2D 单元的厚度、方向角等等。在【Element Properties】面板中,“Action”项选择“Show”,即可显示单元的物理特性,如图6-37所示。

Page 340: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

340

图 6-37 显示物理特性

图 6-37中,“Existing Properties”中显示了当前所有可显示的物理特性及其不同的选择方法,选定其中某一项,“Type”项将显示该选项的所属的类型,例如是标量、矢量、材料名称等。“Display Method”项用来选择显示方法,其下方的下拉式按钮菜单中共有四项:“Table”、“Marker Plot”、“Vector Plot”和“Scalar Plot”,分别指用表格、图符、矢量和云文图来显示选择项。“Select Group”是一个组过滤器,用来选择组,以控制选择内容的范围。

Page 341: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

341

当“Display Method”项选择“Table”时,将以表格方式显示所选的对象。例如,在“Existing Properties”中选择“Property Set Name”,以显示所定义的各种物理特性在模型中的应用,如图 6-38所示。表格中将显示定义的各物理特性的应用对象、物理特性的名称、数据类型(如整数、标量、场等)及其值。

图 6-38 以表格方式显示物理特性

当“Display Method”项选择“Marker Plot”时,将以图符的形式显示所选对象,图符如小圆、箭头、数字(用以显示对象的大小)等。例如,在“Existing Properties”中选择“Thickness”,显示曲面或单元的厚度,如图 6-39所示。

Page 342: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

342

图 6-39 用图符显示单元的厚度

如果要显示矢量类型的单元属性,例如“Orientation Angle”、“Mass Orint. CID/CG”等,则可先在“Existing Properties”中选定要显示的项,在“Display Method”中选定“Vector Plot”方法,则可以矢量形式显示出来,同时标示出其大小。例如显示方向角,如图 6-40所示。

Page 343: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

343

图 6-40 显示方向角

当“Display Method”项选择“Scalar Plot”时,将以云文图显示选择对象的数量大小。例如,有一厚度变化的板,用云文图显示其厚度变化,如图 6-41 所示。此时,可以用

按钮打开【Fringe Attributes】面板,对云文图的显示进行设置。

Page 344: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

344

图 6-41 用云文图显示板厚变化

6.4 修改单元的物理特性(Modify)

创建了单元的属性之后,也可以对其进行修改,包括对输入的参数、应用的单元对象等

都可以修改。这样的修改等同于以原来的“Property Set”为模板,创建一个新的单元属性。如图 6-42所示。

Page 345: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

345

图 6-42 修改单元属性

修改时,先确定该单元属性的类型,例如 2D“Shell”单元,然后在“Select Prop. Set to Modify”中选择要进行修改的单元属性,此时,即可进行修改。在“New Property Set Name”中,可输入新的名称以对原单元属性的名称进行修改;在“Option(s)”中,可修改该单元属性的材料类型和算法;由 按钮,可以打开输入参数的修改面板,该面

板与创建单元属性时的面板完全相同,在其中可对输入参数进行修改;之后,在“Application Region”中,可以修改该属性的应用范围,可以删除(从该属性中去除)以前包括在其中的

Page 346: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

346

单元或几何,也可以加入新的单元或几何。

6.5 删除单元属性(Delete)

如果不再需要某个已经创建的属性,可以将其删除,如图 6-43所示。在“Existing Property Sets”中,显示了当前所以创建的单元属性(以名称显示),在其中选择要删除的对象,被选中的会显示在“Selected Property Sets”中,借助于 Shift键,可以一次选择多个单元属性。完成选择之后,单击 ,被选中的单元属性即被删除。如果出现误删,可用“Undo”

按钮 恢复,但只能恢复前一步所作的修改。

Page 347: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

347

图 6-43 删除已定义的单元属性

按钮 用来消除重复的单元属性。如果在“Selected Property Sets”中有多个被选中的单元属性,单击 ,则可对被选中的所有单元属性进

行比较,如果发现其中某几个的参数完全相同,则将其合并为一个,新的单元属性将以被合

并的单元属性中第一个的名称命名,其余的将被删除。

6.6 本章小结

本章以将物理属性赋予网格从而形成完整的有限元单元为主线,介绍了单元物理属性的

创建、察看、修改和删除。 对于单纯的网格,其只表征了有限元单元的拓扑,没有说明单元的具体物理属性,例如,

对于有一段线段表示的网格,其可以是梁,也可以是杆,而梁和杆在物理上是完全不同的,

定义单元的物理特性,就是将单元的拓扑与单元的物理属性结合起来,生成具体可用的有限

元单元。 要特别指出的是,对于梁单元,由于其截面的多样性和复杂性,定义时很灵活,但同时

也很麻烦,须仔细对待。

Page 348: MSC PATRAN从入门到精通

第 7章 进行分析(Analysis)

当创建了几何模型、划分了有限元网格、定义了材料、施加了边界条件、赋予了单元物

理属性之后,就建立了完整的有限元模型,可以递交运算进行分析了。【Analysis】的作用就是对于建立的模型,根据指定的控制信息,生成对应解算器的输入文件,提交解算器运算分

析,生成分析结果文件,并将其读入,以备显示分析结果之用。 在创建模型时,已经选定了分析解算器和相应的分析类型,而对于不同的分析解算器和

分析类型,【Analysis】面板的选项也有所不同,这里,将以 Nastran 的结构分析为例进行说明。 在准备提交分析之前,重要的任务是解算器输入输出参数的设置,这些参数将直接控制

分析的进行和分析结果的输出,也涉及到分析过程对系统资源的占用。当分析结束之后,将

分析结果(文件)读入到 Patran中,在利用其它工具,即可将分析计算结果显示出来。 本章的主要内容如下:

Τ

348

• • • •

分析控制参数的设定 分析模型的优化 读入分析结果 读入要提交给解算器的模型

7.1 Analysis介绍

在 Patran界面上的工具栏区,单击 按钮,即可打开【Analysis】面板,如图 7-1所示,其将用于与分析有关的各种操作。在【Analysis】面板的“Action”中,有“Analyze”、“Optimize”、“Read Output2”、“Read Input File”、“Attach XDB”和“Delete”分别用于进行分析、优化分析模型、读入分析结果文件.op2、读入分析模型文件.bdf、联结分析结果文

Page 349: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

349

件.XDB、删除分析工作等。

图 7-1 对模型进行分析

在【Analysis】面板的“Object”中,一般情况下有“Entire Model”、“Current Group”、“Existing Deck”和“Restart”四项,用来选择提交运算的对象。“Entire Model”表示对整个模型进行分析;“Current Group”表示对选定的组进行分析,即只对模型的一部分进行分析;“Existing Deck”直接将 Patran的输出文件,即Nastran的输入文件.bdf提交 Nastran进行分

Page 350: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

350

析运算;“Restart”时重新开始某个分析工作,同时可选择从哪里开始。 一般来说,“Type”项也有四个选项,“Full Run”、“Check Run”、“Analysis Deck”和“Model

Only”,但对于不同的“Action”和“Object”项,其选项有所不同。“Full Run”项表示生成Nastran的输入文件.bdf,并提交以进行完整的分析;“Check Run”项表示生成Nastran的输入文件.bdf,提交计算以检查模型,随即停止,不进行完整的分析运算和输出分析结果文件;“Analysis Deck”选项表示对模型进行完整的“翻译”,包括载荷、工况、分析参数等的转换,生成完整的Nastran输入文件.bdf,但不提交运算,用户可自己手工的提交运算;“Model Only”表示只生成Nastran输入文件的 Bulk Data部分,其仅包含模型的如下信息:节点、单元、坐标系、单元属性、材料属性、载荷和边界条件。 根据工况的不同,一个模型可以进行多个不同的分析,每次分析工作都要有一个名称来

标识,在图 7-1中的“Job Name”中输入。 除过选定合适的分析对象和方法,还要进行多种参数设置,例如 Patran中输出文件(供

解算器读入)的类型(.op2 或.XDB)和格式(二进制或文本格式)、分析的类型(例如线性静态、正则模态分析等)、不同工况的选择等。 缺省情况下,【Analysis】是单工况、线性静态结构分析工作,可直接单击 即可,

系统会自动选择正确的缺省设置。 当一项分析工作正确地完成之后,Nastran会输出.op2或.XDB文件作为 Patran的输入,

其包含了所有分析结果信息,在图 7-1中的“Action”中选择“Read Output2”或“Attach XDB”,将分析结果读入或是将结果数据与 Patran相关联,之后,可将该结果以云文图、曲线等多种方式显示出来。

7.2 分析参数的设定及提交分析运算(Analyze)

选定了分析对象和方法,输入了当前分析工作的名称之后,就要进行分析参数的设定。

分析参数比较多,例如有限元模型到 Nastran 输入文件之间的转换参数设置、分析类型选择及参数设置、Nastran的卡片直接输入、工况的选择等,下面,以选项“Analyze/Entire Model/Full Run”为例,介绍各种参数的设置。

Page 351: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

351

7.2.1 转换参数设置(Translation Parameters)

在图 7-1 所示的面板上,单击 按钮,将打开如图 7-2 所示的【Translation Parameters】面板,可进行转换参数的设置。包括Nastran输出的控制、计算的公差、数据卡格式、对象元素的编号设置等等。各参数的意义如表 7-1所示。

图 7-2转换参数设置

表 7-1 转换参数的意义

参 数 项 说 明

Page 352: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

352

Data Output 定义 Nastran输出数据的格式,其中有六个选项。“Print”指定将输出数据写入

Nastran的文本输出文件.f06中;“OP2”指定将输出数据写入 Nastran的输出文

件.op2中;“XDB”指定将输出数据输出到.xdb中,其缺省值可在 settings.pcl中

设定。

OUTPUT2

Requests

指定 OUTPUT2命令的类型,其中有四个选项。“P3 Built in”表示使用 Nastran

内部的 OUTPUT2命令与 Patran相连,这一项也适合于 Patran 2;“Alter File”指

使用外部的交换文件,这些文件在 Patran的文件目录下,且以“msc_v”、“_sol”、

“.alt”为标识;“CADA-X alter”类似于“Alter File”,但其以“LMS CADA-X”

为交换文件,该文件以“.lms”为扩展名;“OP2 Built in”指定以 Nastran的内部

命令与 Patran 2相连。

OUTPUT2

Format

指定 Nastran的结果输出文件“.op2”的输出格式,可以是文本形式,也可以是二

进制代码,这与计算机平台有关。

Division 防止出现零作为除数的情况。

Numerical 用于判断两个实数是否相等。

Writing 确定生成 Bulk Data时,一个值是否近似于零。

Card Format 定义应用于 Bulk Data输入场的类型,有三个选项。

Grid Precision

Digits

指定在写入.bdf之前,点的坐标值保留几位小数。例如,若此处的设置为 2,则数

值 1.38392将被输出为 1.38。

Node Coordinates 定义生成点的坐标时,使用那个坐标系。其不影响分析结果,只会改变点的生成

方式。

MSC.Nastran

Version

所要使用的 Nastran的版本,例如 70.7、2001等。该项也将确定交换文件的全名。

Number of Tasks 指定用于分析的处理器的数目,这里,假定环境配置是一个分布式并行系统,计

算机有多个处理器。

Write Properties

on Element

Entries

指定在 Nastran允许的情况下,将所有单元的单元属性写入单元卡。

Page 353: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

353

Write

Continuation

Markers

将附加的图符写进 Bulk Data输入中。

Convert CBARs

to CBEAMs

将 CBAR单元转换成 CBEAM单元。

Use Iterative

Solver

使用迭代计算方法。

除过表 7-1 所列出的内容之外,图 7-2 中的 按钮将打开如图 7-3

所示的【Numbering Options】面板,其用于各种元素编号的起始值和语法。例如,在单元属性“Element Properties”中输入“0”,则在自动编号时,从“1”开始。

图 7-3 定义元素编号的的起始值和语法

Page 354: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

354

除过各种元素起始编号的起始偏移量之外,图 7-3中其它各项的意义如表 7-2所示。 表 7-2 元素编号的语法

选 项 说 明

Begin. Contin.

Marker

用于指定在 Bulk Data输入中多条线的后续记忆格式。

Number Only 只有当对象的名称是数字时才能识别和使用。

Beginning

Number

如果对象的的编号以数字开始即可识别。

Trailing Number 如果对象的编号以数字结束即可识别。

Encoded Syntax 若 ID直接跟随在“Syntax Marker”中设定的第一个符号,则可以识别。

Syntax Marker 用于设定 ID中应用的符号。

注意:Patran的中间文件和 Patran、Nastran的输入文件中都用到了语法符号“.”,例如,编号为 12的 PSHELL将被表达为“PSHELL.12.”。 按钮 将打开【Select File】对话框,用以选择一个.bdf文件,包含

在 Nastran输入文件的 Bulk Data中,如图 7-4所示。

图 7-4 选择一个.bdf文件

Page 355: MSC PATRAN从入门到精通

7.2.2 分析类型的设置(Solution Type)

在图 7-1中,单击 按钮,打开【Solution Type】面板,可以选择分析的类型,如图 7-5所示。该面板中显示了Nastran支持的所有结构分析类型,包括线性静态、非线性静态、正则模态、屈曲、复特征值、频率响应、瞬态响应、非线性瞬态响应等。

对每种分析类型,都可用 打开【Solution Parameters】面板进行相应的参数设置。

图 7-5 设置分析类型

每种分析类型都对应若干个分析序列号,如线性静态分析为 101、114、1、47,非线性静态分析为 66、106,等等,这些序列号与【Solution Parameters】中的参数设置有关,参数设置不同,则对应的分析序列号就不同,同时,与Nastran的版本有关,如表 7-3所示,给出了各种设置下分析的序列号。

表 7-3 不同参数设置下各种分析类型的序列号

Τ

355

Page 356: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

356

分析类型 Database Run Cyclic

Symmetry

Formulation Nastran的版

序列号

OFF OFF 1

OFF ON 47

ON OFF 101

LINEAR

STATIC

ON ON 114

66或更低 66 NONLINEAR

STATIC 67或更高 106

OFF OFF 3

OFF ON 48

ON OFF 103

NORMAL

MODES

ON ON 115

OFF OFF 5

ON ON 77

BUCKING

ON OFF 105

OFF Direct 28

OFF Modal 29

ON Direct 107

COMPLEX

EIGENVALUE

ON Modal 110

Page 357: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

357

OFF Direct 26

OFF Modal 30

ON OFF Direct 108

ON Modal 111

FREQUENCY

RESPONSE

ON ON Direct 118

OFF Direct 27

OFF Modal 31

ON Direct 109

TRANSIENT

RESPONSE

ON Modal 112

66或更低 99 NONLINEAR

TRANSIENT 67或更高 129

• 线性静态分析设置:若选择线性静态“LINEAR STATIC”分析类型,对应的【Solution

Parameters】面板如图 7-6所示。

Page 358: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

358

图 7-6 线性静态分析的参数设置

图 7-6中的选项很多,各项的意义如表 7-4所示。

Page 359: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

359

表 7-4 线性静态分析设置各参数的意义

选 项 说 明

Database Run 表明是使用结构分析序列还是使用严格的格式。

Cyclic

Symmetry

表明该结构是一旋转对称结构的一部分。

Automatic

Constraints

表明 AUTOSPC将被使用,可以使 Nastran自动的处理模型的奇异。

Inertia Relief 若选定该标志,则用于生成重力的节点的 ID必须被选择,用以表示重力。

Alternate

Reduction

选定该项,则表明静态压缩将在交换中使用。

Use Shell

Normals

Tolerance Angle

表明 Nastran将基于给定的容限角,为曲面板壳单元建立法线

Mass Calculation 定义在 Nastran中如何处理质量矩阵。

Data Deck Echo 指定如何将数据输出到 Nastran的输出文件.f06中。

Plate Rz

Stiffness Factor

定义应用于板壳单元的面内刚度系数。这是一种消除奇异点的交换方法,主要应

用于几何非线性问题。

Maximum

Printed Lines

限制 Nastran的输出文件.f06的最大行数。

Maximum Run

Time

限制总的 CPU时间,以 CPU分钟表示。

Wt.-Mass

Conversion

定义重量与质量之间的转换系数。

Node i.d. for Wt.

Gener.

指定作为点质量生成器的节点的 ID。

Max p-Adaptive

Cycles

对于 p-单元分析,指定最大的分析执行次数。如果分析在未达到该次数之前收

敛,则本次分析结束。

Page 360: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

360

• 非线性静态分析设置:若选择非线性静态“NONLINEAR STATIC”分析,则其对应

的【Solution Parameters】面板如图 7-7所示。

图 7-7 非线性静态分析的参数设置

从图中可见,其大多数参数与线性静态时相同,现就几个不同的解释如下:“Large Displacements”项表示能够决定刚度矩阵算法的位移可能存在,所以,刚度矩阵需要定时根据形状改变重复计算;“Follower Forces”项表示当某件发生偏斜时,施加于其上的作用力将与之保持一致,而不是保持在全局坐标系中的方向。

• 正则模态分析设置:如果进行正则模态(NORMAL MODES)分析,则其对应的【Solution Parameters】面板如图 7-8所示。从图中可见,其参数与线性静态基本相同,可参见表 7-4。但有两个按钮,分别对应两个字面板,前者用于求解实特征值,后者用于动力学简化计算设置。

Page 361: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

361

图 7-8 正则模态分析时的参数设置

在图 7-8中,单击 按钮,将打开【Eigenvalue Extraction】面板,其用于求解实特征值的设置,如图 7-9 所示。其各参数的意义如表 7-5 所示。在屈曲分析、瞬态分析、频率响应分析、复特征值分析中也包含该面板。

Page 362: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

362

图 7-9 求解实特征值的参数设置

表 7-5 求解实特征值各参数的意义

参数选项 说 明

Extraction Method 定义用于求解实特征值的方法。

Frequency Range of

Interest

Lower/Upper

设定计算时所考虑的频率的上下限。

Estimated Number

of Roots

表示估计的特征值的阶数。

Number of Desired

Roots

指定需要计算的特征值的最大数量。

Diagnostic Output

Level

定义需要输出的特征值的阶数,其值从 0~3。

Normalization

Method

指定特征值正则化的方法。

Normalization Point 定义正则化时所需要用到的点,只有在“Normalization Method”中选定了

Page 363: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

363

“Point”,此项才可选。

Normalization

Component

当使用正则化点方法时,定义的自由度分量。

在图 7-8 中,单击 按钮,会打开如图 7-10 所示的【Dynamic

Reduction】面板,其用于动态问题的简化计算。图中,“Perform Dynamic Reduction”项是一个标志位,确定是否使用动态简化,只有选中它,其它各项才被激活。

图 7-10 简化动态计算

图 7-10中,各项的意义如表 7-6所示 表 7-6 动态简化设置

选 项 说 明

Highest Frequency of

Interest

指定在进行动态简化时需要考虑的最高频率。

Method 指定在选择坐标系时使用哪种方法,有自动和手动两种。

Number of Generalized

Coordinates

定义包含在动态简化中的广义坐标系的数量,此时,“Method”需设置

为手动“Manual”。

Number of Needed Scalar

Points

指定在动态简化中必须保留的标量点的数量,此时,“Method”需设置

为手动“Manual”。

Page 364: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

364

• 屈曲分析设置:屈曲分析的设置面板类似于图 7-6,但其上有

按钮,可打开如图 7-11所示的【Eigenvalue Extraction】面板,对应的参数设置如表 7-7所示。

图 7-11 屈曲分析时的特征值求解

表 7-7 屈曲分析时的特征值求解的参数设置

参数选项 说 明

Extraction Method 定义求解实特征值的方法。

Frequency Range of

Interest

Lower/Upper

设定计算时所考虑的频率的上下限。

Estimated Number 表示估计的特征值的阶数。

Page 365: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

365

of Roots

Number of Desired

Roots

指定需要计算的特征值的最大数量。

Number of Desired

Positive Roots

指定所计算的正特征值的最大数量。

Number of Desired Negative Roots

指定所计算的负特征值的最大数量。

Diagnostic Output

Level

定义需要输出的特征值的阶数,其值从 0~3。

Normalization

Method

指定特征值正则化的方法。

Normalization Point 定义正则化时所需要用到的点,只有在“Normalization Method”中选定了

“Point”,此项才可选。

Normalization

Component

当使用正则化点方法时,定义的自由度分量。

• 复特征值分析:选择复特征值分析,其对应的【Solution Parameters】面板如图 7-12

所示。该面板上的大多数参数的意义可参见表 7-4,而参数“Struct. Damping Coeff.”用来定义全局结构阻尼系数。

Page 366: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

366

图 7-12 复特征值分析参数设置

图 7-12 中 的 三 个 按 钮 、 和分别对应三个面板,单击其中的一个,都会弹出相应的面板,可进行

相应参数的设置。 单击 按钮,将打开【Eigenvalue Extraction】面板,如图 7-13所示,

用于复特征值求解的设置。图中各参数项的意义如表 7-7所示。

Page 367: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

367

图 7-13 求解复特征值的设置

表 7-8 求解复特征值各参数的意义

参数选项 说 明

Extraction Method 定义用于求解复特征值的方法。

Alpha of Point A 定义复平面内起始线的实部。

Omega of Point A 定义复平面内起始线的虚部。

Alpha of Point B 定义复平面内终止线的实部。

Omega of Point B 定义复平面内终止线的虚部。

Width of Region 定义复平面内选定区域的宽度。

Estimated Number

of Roots

定义在指定区域估计的特征值的数量。

Number of Desired 在指定区域需要计算的特征值的最大数量。

Page 368: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

368

Roots

Normalization

Method

指定特征值正则化的方法。

Normalization Point 定义正则化时所需要用到的点,只有在“Normalization Method”中选定了

“Point”,此项才可选。

Normalization

Component

当使用正则化点方法时,定义的自由度分量。

Convergence

Criteria

定义收敛准则。

对于 和 按钮打开的【Eigenvalue Extraction】

和【Dynamic Reduction】面板,可参见图 7-9和 7-10,相应设置参数的意义如可参见表 7-5和 7-6。

频率响应分析:频率响应分析“Frequency Response”的参数设置面板【Solution Parameters】俞正则模态分析的很类似,可参见图 7-8,其也有【Eigenvalue Extraction】和【Dynamic Reduction】两个子面板,进行参数设置,可参见图 7-9、图 7-10、表 7-5和表 7-6。

顺态响应分析:顺态响应分析“Transient Response”也是针对动态问题的一种常见分析过程,其对应的【Solution Parameters】面板如图 7-14所示。各输入参数的意义如表 7-9所示。

Page 369: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

369

图 7-14 瞬态响应参数设置

表 7-9 瞬态响应分析各参数设置的意义

选 项 说 明

Database Run 表明是使用结构分析序列还是使用严格的格式。

Automatic

Constraints

表明 AUTOSPC将被使用,可以使 Nastran自动的处理模型的奇异。

Use Shell

Normals

Tolerance Angle

表明 Nastran将基于给定的容限角,为曲面板壳单元建立法线

Mass Calculation 定义在 Nastran中如何处理质量矩阵。

Page 370: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

370

Data Deck Echo 指定如何将数据输出到 Nastran的输出文件.f06中。

Plate Rz

Stiffness Factor

定义应用于板壳单元的面内刚度系数。这是一种消除奇异点的交换方法,主要应

用于几何非线性问题。

Maximum

Printed Lines

限制 Nastran的输出文件.f06的最大行数。

Maximum Run

Time

限制总的 CPU时间,以 CPU分钟表示。

Wt.-Mass

Conversion

定义重量与质量之间的转换系数。

Node i.d. for Wt.

Gener.

指定作为点质量生成器的节点的 ID。

Struct. Damping

Coeff.

定义全局阻尼系数。

W3. / W4.

Damping Factor

定义参数W3和W4,这两个参数用于改变模型的阻尼特性。

除过表 7-9 中的参数,顺态响应分析中也包含【Eigenvalue Exaction】和【Dynamic

Reduction】,用于实特征值的求解和动态简化。可参见图 7-9、表 7-5、图 7-10和表 7-6。 • 非线性瞬态响应分析:若选择非线性瞬态响应分析“NONLINEAR TRANSIENT”,

则对应的参数设置面板如图 7-15所示。其参数与瞬态响应非常类似,可参见表 7-9。

Page 371: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

371

图 7-15 非线性瞬态响应分析的参数设置

7.2.3 直接文本输入(Direct Text Input)

直接文本输入是按照Nastran的数据格式,直接输入Nastran输入文件中的文件管理、运行控制、工况控制和 Bulk Data 部分的数据。输入文件阅读器也会将这部分的输入当作整个输入的一部分来处理。 在图 7-1中,单击 按钮,即可打开【Direct Text Input】面板,如图

7-16所示。在图中有四个选项:“File Management Section”、“Executive Control Section”、“Case Control Section”和“Bulk Data Section”,选中其中一项,则表示要输入该项对应的数据,此时,该项右边的对应项应被选中。

Page 372: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

372

图 7-16 直接文本输入

7.2.4 Subcase的定义(Subcase)

“Subcase”是一组载荷、边界条件、输出要求,以及其它参数的集合,可以完成一次完整的分析过程。同时,也可以调用超级单元,可以在超级单元上进行特定的操作。在图 7-1的面板上单击 ,将打开【Subcases】面板,用于定义“Subcase”,如图 7-17所示。

Page 373: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

373

图 7-17 定义 Subcase

缺省情况下,Patran 会自动的将已经定义的工况与缺省的参数和输出要求相联接,以工况的名称为名称生成“Subcase”。用户可以查看并修改这些设置,同时,可以将已经创建的超单元包含进分析工作中。 在图 7-17 中,有多个选项和按钮,这里,先介绍一下各选项的功能。“Action”项对应

的下拉式按钮菜单有三个选项:“Create”、“Delete”和“Global Data”,分别用来创建、删除、查看“Subcase”。

Page 374: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

374

如果要创建新的“Subcase”,则在“Action”中选择“Create”,“Available Subcases”的文本框中显示了当前已经存在的“Subcase”;如果要创建新的“Subcase”,则在“Subcase Name”中输入其名称;在“Subcase Description”中,可以输入对新创建“Subcase”的说明;在“Available Load Cases”中,是当前可用的工况,创建“Subcase”时,以其为载荷和边界条件。 【Subcases】的各按钮选项,对于不同的分析类型,其也各不相同,下面,就以线性静

态分析来说明。 “Subcase”参数设置:在图 7-17 中,单击 按钮,则会弹出

如图 7-18所示的【Subcase Parameters】面板。在线性静态分析中,,该面板比较简单,只有一项,指定在该“Subcase”分析中,包含对错误的分析,也适用于含有 P-单元的模型。

图 7-18 制定包含对的错误分析

• 输出选项设置:在图 7-17 中,单击 按钮,会弹出如图 7-19所示的【Output Requests】面板,在其中可以设置哪些量将从分析程序中输出。其有一个选项“Form Type”,当选择“Basic”时,只显示图 7-19的左半边,用于对基本输出的控制,当该项选择“Advanced”时,则如图 7-19所示,可对输出进行细致的控制。

Page 375: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

375

图 7-19 输出选项设置

在图 7-19中,“Select Result Type”项的文本框中显示了当前分析程序所能够输出的各种计算结果,例如,应力、应变、约束力、多点约束力、单元力等等。用鼠标选择其中的某项,

被选中的项将会出现在“Output Requests”项的文本框中,表示,在计算结果的输出文件中,将输出该项。如果选择错误,可用 将其删除。 “Select Group(s)/SET”项用来选择组,表示该“Subcase”将与被选定的组相关联。 “Options”中的各项用来对输出进行更细的控制。“Sorting”项用来设置输出数据的排

序方法,即是根据单元/节点排序,或是根据频率/时间排序;“Format”项用来定义矢量的输出,即可以实部、虚部格式输出,也可以复数的模、相位角格式输出;“Tensor”指定应力、应变的输出方式,既可以用“Von Mises”方式输出应力应变,也可以用最大剪切应力或八面

Page 376: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

376

体应力应变方式输出;“Element Points”项用来设置Quad4单元内部的应力应变的精度的要求,例如用三次曲线来模拟;“Plate Strain Curv”项有两个选项,“Plate & Curv.”表示对于板单元,只输出单元参考平面的应变和曲率,“Fiber”表示输出单元对于参考平面 Z1、Z2位置处的应变;“Composite Plate Opt”项用来控制复合材料层合板的应力应变的输出,例如以单元的形式输出、输出每一单层的应力应变等;选定“Suppress Print for Result Type”项,则在将结果输出到.f06文件中时,会进行压缩。

直接输入“Subcase”控制:在图 7-17中,单击 按钮,即可打

开如图 7-20所示的文本输入面板。在该面板中,按照确定的格式,可直接输入对“Subcase”的控制。

图 7-20 直接输入对“Subcase”的控制

• 选择超单元:在图 7-17 中,单击 按钮,会打开如图 7-21 所示的【Select Superelements】面板,其用于选择超单元,将其加入到当前“Subcase”中来。已经定义好的超单元会显示在“Available Superelements”的文本框中,选定其中某项,单击

,则被选中的超单元就加入到当前“Subcase”中来。

Page 377: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

377

图 7-21 选择超单元

• 选择多点约束:在图 7-17 中,单击 按钮,打开如图 7-22 所示的面板,用于选择多点约束。在该面板中,可以有选择的将已经创建的多点约束加入到当

前“Subcase”中来,当前模型中已经创建的多点约束都将显示在“Available MPCs”的文本框中。如果“All MPCs”项被选中,则所有的多点约束都将被选中,否则,可用鼠标单击已有的多点约束以选定它,被选定的多点约束的 ID将显示在“MPCADD SID”中。

图 7-22 选择多点约束

Page 378: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

378

当各个参数都正确设定之后,单击图 7-17中的 ,则一个新的“Subcase”就被创建了。

7.2.5 选择定义好的 Subcase(Subcase Select)

对于一个分析模型,可以根据工况等条件的不同,定义多个“Subcae”,在一次分析中,选用一个“Subcase”使用。单击图 7-1中的 ,打开【Subcase Select】面板,选择某一“Subcase”,如图 7-23所示。

图 7-23 选择“Subcase”

在图 7-23中,已经定义好的所有“Subcase”都会显示在“Subcases For Solution Sequence: ×××”中,可进行选择,而被选中的将显示在“Subcases Selected”中。同时,可应用“Select All”或“Unselect All”选定所有的或不选定所有的“Subcase”。 至此,各种分析参数都已设定,可以提交分析计算了。在检查参数设置无误的情况下,

单击图 7-1中的 ,即提交运算。提交运算之后,在 Patran的信息显示区,会显示当

Page 379: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

379

前分析进行情况的相关信息。

7.3 读入分析结果(Read Output2、Attach XDB)

当分析结束之后,Nastran会将分析结果以文件形式输出,可以是.op2文件,也可以是.xdb文件,这取决于在 7.2.1节中的设置。在 Patran的【Analysis】面板的“Action”中,通过“Read Output2”或“Attach XDB”选项,可以将Nastran的输出文件读入到 Patran的数据库中来或是与MSC.Access 数据库建立联系,进一步作分析的后置处理。 “Read Output2”与“Attach XDB”两种方法在技术上是不同的。“Read Output2”是在

指定的控制参数的控制之下,将 Nastran的输出数据从结果输出文件.op2中读入到 Patran的数据库中来,并转换成 Patran可以表达的格式;而“Attach XDB”则是允许 Patran访问分析结果数据MSC.Access数据库(一个.xdb文件),在这种方式中,结果数据并没有直接读入到Patran 的数据文件中,还保留在.xdb 文件中,仅一些标志性和说明性的数据被读入到 Patran的数据库中。

7.3.1 读入分析结果(Read Output2)

使用“Read Output2”,可以按照给定的控制参数,将分析计算结果读入到 Patran中来。在【Analysis】面板的“Action”中,选择“Read Output2”项,如图 7-24所示。

Page 380: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

380

图 7-24 读入分析计算结果

“Read Output2”对应的“Object”有三项:“Result Entities”、“Model Data”和“Both”,若选择“Result Entities”,则模型信息必须存在于当前数据库中,读入的只是计算结果信息,如果相关的节点、单元不存在,将不会读入任何信息;“Model Data”只会读入存在于结果文件中的模型信息;而“Both”则首先读入模型信息,在读入计算结果信息。如果选择了后两种方法,则必须避免读入模型与当前模型的 ID冲突。 “Read Output2”对应的“Method”有两项:“Translate”和“Control File”,用来确定结

果转换进行到什么程度。如果选择“Translate”,则会创建一个包含转换控制信息的工作文件,接着提交转换;而“Control File”项则当控制文件生成之后,转换就停止。

Page 381: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

381

在图 7-24 中,也显示了当前所使用的分析解算器和分析类型。分别为“MSC.Nastran”和“Structural”。在“Job Name”中,显示的是当前工作的名称,其应与进行分析时的名称一致。 按钮 用来选择要读入的.op2 文件,其可打开如图 7-25 所示的

【Select File】面板。利用该面板,找到需要读入的.op2文件,选中它并单击 按钮,

该文件即被选中。

图 7-25 选择输入文件

当图 7-24中的“Object”和“Method”项分别选择“Result Entities”和“Translate”时,单击按钮 ,可打开如图 7-26所示的【Translation Parameters】面板,进行结果文件读入的参数设置(对应于不同的选项,该面板也不同)。

Page 382: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

382

图 7-26 设定转换参数

图 7-26中,“Division”和“Numerical”两项用来设置读入数据时的公差。公差“Division”项用来避免除零的错误;“Numerical”用来判断两个实数是否相等。 “MSC.Nastran Version”项用来指定Nastran的版本,即指定要读入的.op2文件是由哪个

版本的Nastran生成的。因为不同版本的Nastran在对模型的描述上是有所差异的,如果该选项设置不正确,则可能会造成读入数据的错误。 “Rotational Nodal Results”、“Stress/Strain Invariants”和“Principal Direction”三项用来

指定对应的数据在转换时将被过滤掉。如果某项被选中,则在进行转换时,将跳过该类数据,

不对其进行转换。 “P-element P-order Fild”项用以建立一个场,描述模型中所有 P-单元的阶数。“Element

Results Position”用来过滤单元的计算结果,当一个单元既有基于重心又有基于节点的结果时,该选项将指定保留哪一个。 选定了输入文件,设定了正确的参数,单击图 7-24 中的 按钮,则被选的计算

结果将被读入到当前数据库中。同时,在 Patran的信息显示区,会显示出相关的转换信息。

Page 383: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

383

7.3.2 将计算结果与 Patran相关联(Attach XDB)

将计算结果数据库(.xdb文件)与 Patran相关联,如图 7-27所示。从操作的角度讲,“Read Output2”与“Attach XDB”基本相同,只是选择的文件类型不同而已。所以,关于“Attach XDB”的操作可参见“Read Output2”的相关说明。

图 7-27 将计算结果与 Patran相关联

Patran 和 Nastran 具有良好的适应性和移植性,在不同的硬件和软件环境下生成的.op2和.xdb文件(二进制格式),可以相互移植使用。例如,IBM RS/6000上生成的.op2文件,能在DEC Alpha上使用;在 SUN工作站上生成的.xdb文件,可以在 IBM/AIX、HPUX和 SGI上使用。

Page 384: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

384

7.4 分析模型的优化(Optimize)

一般来说,在对创建好的有限元模型进行分析之前,可以对其进行优化,使得计算能更

快、更顺利的进行。在【Analysis】面板的“Action”项中选择“Optimize”,即可进行优化的设置,并进行模型优化,如图 7-28所示。

图 7-28 优化分析模型

Page 385: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

385

从图 7-28中可见,“Optimize”与“Analysis”的面板比较类似,所以,一般可以先由优化部分设定分析模型的参数,并进行优化,然后再提交分析。优化部分关于模型分析的参数

设置可参见分析设置部分 7.2节,这里,只对优化本身的参数设置予以说明。 在图 7-28中,单击 按钮,可打开如图 7-29 所示的【Optimization

Parameters】面板,其用于优化参数的设置。图中第一个选项区域中的参数设置,可参见 7.2.2节中关于【Solution Parameters】的介绍。

图 7-29 优化参数的设置

图 7-29中的选项“Design Data to be Printed(P2)”用于控制在优化或分析过程中,哪些类型的数据要输出到.f06文件中。其有四个可同时选定的选项。“Print Design Data (P1) every n-th cycle where n”项控制输出到.f06文件的频度,当其值为“0”时,表示只输出初始循环与最

Page 386: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

386

终循环的结果。 “Rel. Objective Conv.(CONV1.)”项所在选项区域的四个选项是优化的目标函数、设计

变量、设计属性的准则,这些量用于确定优化器的选用,决定优化过程是否收敛。一般来说,

放宽这些准则,将会减少设计优化过程的循环次数。 “Fract. Prop. Delta(Delp)”项所在的选项区域中的四项,用于对优化的每一个循环的控

制,以确保在改变模型属性和设计变量的过程中,维持近似的模型。“DELP”项用来指定属性改变的最大分数;“DELX”项用来指定设计变量改变的最大分数;“DPMIN”和“DXMIN”两项分别用来指定属性和设计变量改变的最小分数,以避免重复计算。 设置好了优化参数,即可提交优化,单击图 7-28中的 按钮即可。

7.5 读入 Nastran的输入模型(Read Input File)

在 Patran中,可以将模型转换成Nastran可识别的格式,存储为.bdf文件供Nastran读取,同时,Patran 也可以将.bdf 文件都回到当前数据库中,使其与当前的模型并存而成为一个模型。在【Analysis】面板的“Action”中选择“Read Input File”项,即可进行文件模型的读入,如图 7-30所示。

Page 387: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

387

图 7-30 读入已经输出的模型

图 7-30 中,“Job Name”项用来指定一个名称,作为当前读入转换工作的名称。按钮和 用来激活两个面板,分别用于转换时对模型

转换参数的控制和输入文件的选择。 当单击 按钮时,将打开如图 7-31所示的【Entity Selection】面板,

用于读入模型时对要读入的Nastran实体进行选择。图中“Entity Packets”的文本框中显示了要读入模型所可能具有的全部 Nastran 实体,例如节点、单元、材料属性、单元属性等等。利用图中的几个按钮,可分别选择不同的 Nastran 实体,或者全部选定,被选中者将会高亮显示。如果某项没有被选中,则在读入时会将对应的 Nastran 实体过滤掉,认为输入文件中

Page 388: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

388

对应的卡片不存在。

图 7-31 选择读入哪些 Nastran实体类型

在图 7-31 中,单击 按钮,将打开如图 7-32 所示的【Entity Label Offset Definition】面板,其用于将要读入的Nastran实体的标号“平移”,即将所有的编号同加或同减某个值,以避免读入模型与当前数据库中模型的编号出现冲突。 图 7-32中“Existing ID Range in DB”对应的列给出了当前数据库中已经存在的Nastran

实体编号的范围。在“New ID”列中,可以输入偏移量值,例如,在该列中结点一行输入“200”(在“Input Offset Value”中输入),则输入节点的新编号等于其原来节点的编号与 200之和。

Page 389: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

389

也可以用 按钮将其设置为自动,此时,偏移量将被设置为“Existing ID Range in DB”中的最大值。

图 7-32 “平移”读入模型中 Nastran实体的编号

设置好了转换参数,在图 7-30中单击 按钮,可打开如图 7-33所示的【Select File】面板,选择要读入的文件,确认后,即可将其读入到当前数据库中来。

Page 390: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

390

图 7-33 选择要读入的文件

当模型读入完成之后,Patran会给出如图 7-34所示的信息总结面板,报告读入模型的所有信息。其给出了所有正确读入的、含有警告信息而读入的和未读入 Nastran 实体的统计数字,如图 7-34,其中正确读入了 121 个节点、100 个单元、一种材料、一个单元属性、3 个载荷、一个工况。

图 7-34 读入模型总结

Page 391: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

391

如果在读入过程中出现 ID冲突,系统会提示对输入的 ID进行修改,要求输入一个新的偏移量。或者根据需要,用读入的对象覆盖原有的对象。

7.6 删除分析工作(Delete)

对于已经创建的分析工作和已经建立了连接的.xdb,可以将其删除。在【Analysis】面板的“Action”项中选择“Delete”,即可进行删除操作,如图 7-35所示。

图 7-35 删除分析工作或连接

图 7-35中的“Object”有两项:“Job”和“XDB Attathment”,前者表示删除由 Nastran以.op2文件输出而读入到 Patran中的分析工作,后者表示断开与.xdb数据库文件的连接。在

Page 392: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

392

“Existing Jobs”(或“Existing Files”)中,显示了当前所有分析工作(或与.xdb数据库文件建立的连接),选中要删除的项目,单击 即可。借助于 Shift键,可一次删除多个对象。

7.7 本章小结

本章主要介绍了对已经创建的有限元模型进行分析计算的过程,其中主要的是对分析参

数的设定。针对于解算器 Nastran 的结构分析,介绍了静态问题和动态问题的参数设置。不过,一般情况下,可以使用系统提供的缺省设置。 当计算完成之后,再将计算结果读回到 Patran中来,以备后置处理使用。Nastran的输出

方式有两种,Patran的读入方式也有两种,从效果上来说,两种方法没什么区别。 本章也介绍了有限元模型的优化。同时也介绍了将 Patran已经输出到.bdf文件中的模型

在读回到当前模型中的方法,这种方法可以将两个不同的模型读入到同一个数据库中。

Page 393: MSC PATRAN从入门到精通

第 8章 后置处理(一)(Results)

Patran 中的后置处理分两类:Results 和 Insight,两者在后置处理方面有类似之处,但Insight可以提供一些更高级的处理方法。本章将首先介绍 Results。

Results是一个强有力的、可控的、可以多种方式显示的分析结果处理工具。其可以以结构变形图、彩色的云纹图、图形符号(显示矢量、张量)、自由体图、XY平面曲线图,以及以上大多数图形的动画方式、文本输出等多种方式处理有限元分析结果。

Results能够以各种方法灵活的处理图形结果,例如对结果图进行排序、给出书面报告、缩放、组合、导出、删除等操作。对处理结果进行有效的实时操作,使得计算结果更加直观

有效。 当然,图形的处理效果还与硬件有关。高级可视化能力允许创建各种图形,同时可以存

储、显示。对各种图形,也可以进行交互式的操作。一旦被定义,图形将存储在数据库中,

可以随时访问,同时也提供了对结果进行处理的途径。 本章的主要内容如下:

Τ

393

• • • • •

创建分析结果的图形显示 以动画方式显示分析结果 以报告形式输出分析结果 各种结果图形的再处理 自由体的分析结果处理

8.1 Results介绍

在 Patran界面的工具栏区,单击 按钮,会弹出如图 8-1所示的【Results】面板,用于分析结果的图形显示等后置处理。下面,就对【Results】进行简要地介绍。

Page 394: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

394

图 8-1 创建分析结果的快速显示

8.1.1 结果的定义

为了充分有力地使用【Results】,深刻的理解结果的存储和操作是非常重要的。为了避免混淆或误解图形显示,应该理解相应的定义。这些定义包括结果类型、图形定义、图形属性、

图形目标以及其它一些定义。下面就逐个介绍这些定义。

Page 395: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

395

• 结果类型:严格来说,结果的类型只有三种:标量、矢量、张量。但是,除过这些之外,还有其它形式的结果数据存储在数据库中,这些结果类型总结如表 8-1所示。

表 8-1 结果数据类型

项目 说 明

节点/单元 与节点或单元相关的结果。

标量结果 与节点或单元相关的单个结果值,它们只有大小而没有方向,例如应变能、温度、

Mises应力等。

矢量结果 有三个分量、每个分量都与节点或单元相关的结果值,矢量结果包括大小和方向,

例如位移、速度、加速度等。

张量 具有六个分量的结果值,典型的是对称 3×3矩阵的上三角阵,每个分量都与节点或

单元相关,例如应力、应变分量。

实数/复数 作为实数存储的值仅有单一的值,其与节点或单元相关。复数有与节点或单元相关

的两个值,其在数据库中以实部、虚部存储,或者以大小、相位存储。

工况 一组载荷和边界条件,其可以产生一个或多个 Result Case。

Result Case 存储在数据库中的一个结果集合,例如线性分析的结果、非线性分析的结果、正则

模态分析的振型等。

全局变量 与 Result Case整体相关而不是与单个节点、单元相关的量,每个 Result Case可以没

有全局变量,也可以有一个或多个全局变量。

基本结果 含有多个不同的二次结果的物理量,例如,应力是一个基本结果,而Mises应力就

是一个导出的或二次结果。

层的位置 计算板或壳(各向同性的或层合板)的单元结果的位置,即在单元的不同位置,可

以显示不同的结果。梁单元的结果也可以被分层,如在梁截面的上、中、下的不同

位置,可以有不同的结果。

单元位置 单元内部的用于计算结果的位置(针对板、壳、梁单元),这些位置是积分点、单

元质心、节点等。

当进行结果后处理时,应该搞清楚几个问题:结果的类型是标量、矢量还是张量?结果

是否与节点、单元相关?结果是实数还是复数?结果是哪个层的位置上的结果?对于单元,

Page 396: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

396

其结果是在单元的什么地方计算的?如果这些问题都搞清楚了,那对结果的理解就比较深刻

了。 图形定义:【Results】模块提供了多种不同类型的图用于可视化处理分析计算结果。

这些图(有时候也指图形处理工具),允许使用图像技术对分析结果进行检查。同时可以进行

多图显示,以更深刻的理解分析结果,如表 8-2所示。

表 8-2 图形定义类型

Object 说 明

Deformation Plots 显示模型的变形状态。

Fringe Plots 用参考彩色谱表示结果值的范围。

Marker Plots 以图形符号显示矢量、张量等。

Graph(XY) Plots 用 XY平面曲线显示结果相对于各种变量的图形。这里的变化参考可以是其

它结果、距离、全局变量(如时间、频率等)、由几何(如曲线)定义的路

径等。

Animation 动画,从技术角度讲,它不是一种图形,但如果有多个 Result Case与某图形

相关联的话,它可以将其各个 Result Case的结果以动态的方式显示出来。

Report 从技术角度讲,报告也不属于一种图形显示,但它定义的结果也跟图形数据

一样存储在数据库中,能够被创建、修改,并且可以输出到文本文件或屏幕。

Freebody 从 Nastran中的节点力平衡结果专门提供了自由体的图形显示。

• 图形属性:【Results】模块提供了创建、显示、修改、删除各种图形的途径,同时也

提供了动态交互的处理结果图像的方法。每一种创建的图形都被赋予了相应的属性,以定义

图形的特征,这些属性如表 8-3所示。 表 8-3 图形的属性

属 性 说 明

名称 由用户指定的图形唯一的标识,如果不指定名称,系统将会使用一个缺省的名称,如

果用户一直不指定名称,则一直使用缺省名称。

Page 397: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

397

类型 即图形的类型,可参见表 8-2。

结果 一个或多个 Result Case及其相关的结果类型。

目标 图形在什么上显示,或是显示什么实体,其可基于模型的特征,例如节点、单元,或

者是其它图形工具。

显示属性 每一类图形都有相应的设置以控制图形的显示,例如分量颜色、标题、标签、渲染方

式以及其它各种设置。

显示状态 除过报告,每种图形都有显示和不显示两种状态。

• •

图形目标:对于结果图形,可以显示模型中选定的实体部分,也可以基于其它图形

工具。基于模型目标的图形显示可通过一系列的图形显示组来定义,即将需要的模型部分实

体(目标)选入当前的视窗中。可作为图形目标的实体如表 8-4所示。 表 8-4 图形目标

目 标 说 明

节点 在模型的节点位置上显示选定的结果,矢量、张量图基本都是在节点的位置上显示。

单元 表示结果将在选定的模型单元上显示。对于曲线图和报告,可能会从单元的重心、节

点或其它数据中提取信息。

自由面 表示单元中不与其它单元公用的面。自由面适合于作云纹图显示的目标。

所有的面 显示每个单元每个面上的结果。

自由边 在不与其它单元公用的单元边上显示结果。通常,自由边也是模型的某条边。

所有的边 在单元的所有边上显示结果。使用这种目标选择方法,可以在线框表示的模型中建立

显示结果图。

拐角 在某个单元的拐角节点显示选定的结果,例如显示矢量、张量。

路径 沿定义的路径显示选定的结果,这些路径可以由梁单元、单元的边、几何曲线来定义,

或者由选定的点来定义,由于显示曲线图性(Graph XY)。

• •

其它定义:【Results】模块中还有其它一些定义,也经常使用,如表 8-5所示。

表 8-5 其它概念性定义

Page 398: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

398

项 目 说 明

Post 图形显示。

Range 范围,是 Patran数据库中的一个实体,由一系列数字和相对于每个范围值的相应门槛

值定义。范围用于规划绘制结果的彩色图,有一个表用来控制这些范围值。

Viewport

Range

应用于当前视窗的范围值。

Extrapolation 外推法,从特定的单元位置转换结果数据的一种方法。

Averaging 平均值,将与一个物理位置相关的多个结果值转换成一个结果的一种方法。例如,一

个节点对于相邻的不同单元具有不同的计算结果,为了显示结果的连续性,将每个节

点处的所有值要取平均值,这样,显示的结果才连续。

Derive 导出,从已有结果生成新结果的一种方法,例如,用应力张量计算Mises应力。

• • • •

充分的理解这些后置处理中的定义和概念,是方便正确地进行后置处理所必需的。

8.1.2 Results的功能和限制

【Results】模块提供了创建、显示、修改、删除结果图形的功能,也可以操作图形的显示,同时,可以看到有限元模型。另外,还可以对结果进行导出、组合、缩放、插入、外推、

变换等多种操作,所有的过程都由用户自己控制。 各种控制包括颜色/范围的操作,图形工具其它属性,动画、静态、瞬态结果创建的控制。

而图形处理的速度与硬件关系较大。 对于结果处理中的一些限制,应特别注意: 当一个结果数据量被删除时,其将被从所有的包含该量的 Result Case中删除; 在“Quick Plot”中不能产生瞬态动画,其必须在专门的图形类型中定义; 多个动画可以同时在单个的视窗中观看; 一个视窗一次只能与一个参考彩色谱和一个范围相关联。当一个视窗中有多个图形

要显示时,参考彩色谱和相应的范围只能应用于当前显示的图形; 不推荐从复数结果中计算不变量,因为其相位不确定。

Page 399: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

399

8.1.3 Results的一般使用方法

【Results】是基于对可视化图形的创建和操作的,使用的第一步就是创建图形。对于初始使用者,可以使用简单的快速操作创建简单的变形图、云纹图、动画等,每种图形类型都

有其缺省的设置和属性。 如图 8-1所示,在“Action”中有四项:“Create”、“Modify”、“Plot”和“Delete”,“Create”

项用于创建图形显示、输出报告、制作动画等,“Modify”用于对“Create”创建的对象进行修改,“Plot”项将创建的图形按某种要求显示出来,并可做一些再处理,“Delete”用于删除某类图形或者某个“Result Cases”。 当某个运算结果被读入之后,也就有了一个 Result Case,这时,可以用快速方法创建位

移、应力的云纹图和变形图。在图 8-1中的“Select Result Cases”中,显示了当前已有的 Result Case,选中要使用的某一个;在“Select Fringe Result”中,选定要创建云纹图的量,例如应力“Stress Tensor”;在“Quantity”中,选定“von Mises”,即按照Mises量显示应力,此时,单击 ,会显示当前模型的 Mises 应力分布云纹图;若继续在“Select Deformation Result”中选择某项,例如位移“Displacement, Translational”,然后单击 ,则会同

时显示应力云纹图和结构变形图。 这是一种快速而简单的方法,要细致而全面的显示分析结果,则要掌握整个【Results】

面板的使用,这将在下一节中仔细介绍。

8.2 Results中各种后处理方法介绍(Create)

前面已经介绍过,在【Results】面板中可以进行分析结果的多种处理,当“Action”项中对应的是“Create”时,相应的“Object”有 9项,即在【Results】中可以创建的用于分析结果后处理的各种方法。下面,就分别进行介绍。

8.2.1 分析结果的快速显示(Quick Plot)

快速显示“Quick Plot”是【Results】中缺省的“Object”,其可以满足大多数的后处理需要。在【Results】面板中,在“Action”中选择“Create”项,在“Object”中选择“Quick Plot”

Page 400: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

400

项,如图 8-1所示。 快速图形显示允许快速的显示变形图、标量云纹图,或者是模态、动画等。标量和矢量

都可以用动画同时或分别来显示。但是,这里不支持瞬态动画或者是需要进行坐标变换的复

杂显示 快速图形显示是一个快速而有效的图形显示工具,不需要担心属性、设置、坐标变换都

是否正确。当显示单元分量的云纹图时,各分量将按照合理的参考系显示,以确保显示的图

形有意义。 在图 8-1的上部,有四个图标,分别为“Select Results”、“Fringe Attributes”、“Deform

Attrabutes”和“Animation Options”。单击不同的图表,将显示不同的界面,他们分别用于选择 Result Case、进行云纹图显示的设置、进行变形图的设置和确定动画选项。选择时,被选中的按钮的底色将变为灰黑色。

缺省情况下,显示的是“Select Results”图标 对应的界面,也就是图 8-1。当然,

对于不同的设置,该面板可能稍有变化。在图中的“Select Result Cases”项中,显示了当前所有的 Result Case,选中其中的某一个,相应的项将会显示在“Select Fringe Result”和“Select Deformation Result”中。在“Select Fringe Result”中,选定某一类型的结果,用于生成云纹图。在“Select Deformation Result”中可选择一个位移结果,以生成变形图。如果云纹图和变形图同时选定,则会在变形图上生成云纹图,两者同时显示。 “Quantity”项是一个按钮式菜单项,当云纹图中的某特定项被选择时,其才显示出来。

如果在“Select Fringe Result”中选择的是一个标量,则该按钮不显示;若选择的是矢量或张量,则该按钮会显示,用于对选定的量进行变换。例如,当选定的量是位移时,“Quantity”项可以是“Magnitude”、“X Component”、“Y Component”或“Z Component”,即可以选择显示位移的大小或者是某个分量;当选定的是应力时,“Quantity”中的选项有 20个左右,如“von Mises”、“XY Component”等等。 如果显示的是梁、板单元应力的云纹图,则会显示按钮“ ”,其

用于选择单元截面不同位置上的应力分布。如图 8-2所示,其将打开【Select】面板。如果是层合板结构,则可以在此处选择显示某一单层的应力分布。该图中的“Options”项用来选择要显示的数据,如最大值、最小值、平均值、和等。

Page 401: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

401

图 8-2 选择单元的分层位置

当选择了各种选项,选定了现实对象,单击图 8-1中的 ,则相应量的分布图将

显示出来。如图 8-3 所示,该图为一板在非均布的单向拉伸载荷作用下的应力分布和变形情况。

Page 402: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

402

图 8-3 平板的应力分布和变形情况

在图 8-1中,如果选中了“Animate”项,则所创建的图形将以动画形式显示。 快速图形显示也可以进行参数设置。如果想要改变系统缺省的设置,则可以单击图 8-1

上部的几个按钮,进行参数设置。 • Fringe Attributes:如果要自行设定云纹图显示的参数,则在图 8-1 中单击“Fringe

Attributes”按钮 ,打开设置面板,如图 8-4所示。

Page 403: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

403

图 8-4 设置云纹图参数

在该面板中,可以设置云纹图显示的参数。例如,用 可以设置云纹图的参考彩

色谱,用 可以设置图参考彩色谱的显示范围,还有显示的曲线形式、粗细,各种量

的值的标签显示等。 Deform Attributes:如果要设定变形图显示的参数,则在图 8-1 中单击“Deform •

Page 404: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

404

Attributes”按钮 ,打开设置面板,如图 8-5所示。

图 8-5 设置变形图的显示

在该面板中,可以设置变形图的显示方式,例如线框渲染模式,以及相应的线型和宽度,

还有变形显示的比例因子等。此外,还可以对未变形模型的显示设置。同样,在这里也可以

设置位移量在图形显示中的标签形式,单击 按钮,则打开如图 8-6所

Page 405: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

405

示的面板。例如,可以设置标签的颜色、精度、表达方式等(如指数、定点数、整数)。

图 8-6 设置位移标签的显示形式

• Animation Options:同样,也可以对动画显示的选项进行设置,在图 8-1 中单击

“Animation Options”按钮 ,打开动画选项设置面板,如图 8-7所示。

Page 406: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

406

图 8-7 动画选项设置

在该面板中,选中“Animate Fringe”,则云纹图将可以动画形式显示,选中“Animate Deformation”项,则变形过程可以动画形式显示。“Animation Method”有两个选项,“Modal”表示动画显示将从结果的最大值到最小值,而“Ramped”则是从结果的 0 值到最大值。“Animation Graphics”中有 5项,“2D”表示在 2D平面内建立动画的帧;“3D”则是在 3D空间中建立动画,既当动画播放时,可以用鼠标拖动,从不同角度观看动画;“Preview”则是预览一下动画;“VRML”和“MPEG”则分别以 VRML和MPEG两种标准格式将动画过程输出为独立的文件,这些文件可以用相应的播放器播放。“Number of Frame”则用来设定动画的帧数,帧数越多,则动画过程将越细腻,但对硬件的要求也就越高。 对动画播放进行设定之后,如果选定了图 8-1中的“Animate”项,则可以按照设定的参

数播放某种结果的动画过程了。此时,会出现如图 8-8 所示的动画控制面板。例如,控制动

Page 407: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

407

画的起始、结束帧,控制动画的播放顺序,控制动画的播放速度,停止播放等。

图 8-8 动画播放的控制

8.2.2 创建结构变形图(Deformation)

在【Results】面板的“Action”中选择“Create”项,在“Object”项中选择“Deformation”项,即打开如图 8-9 所示的面板,其专门用于变形结果的处理。相对于快速图形显示,对变形显示的控制更细致。

Page 408: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

408

图 8-9 创建变形结果图

图 8-9是选中“Deformation”后的缺省显示,图的上部有五个按钮,“Select Results”、“Target Entities”、“Display Attributes”、“Plot Options”和“Animation Options”,在进行变形结果显示时,分别用来选择 Result Case、选择显示目标实体、设置显示属性、图形的选项和动画选项设置。单击不同的按钮,会显示不同的面板。 显示变形图的一般步骤如下:

Page 409: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

409

(1) 在“Select Result Case(s)”中选择某 Result Case; (2) 在“Select Deformation Result”中选定某变形结果; (3) 如果所选结果与层相关,则用按钮 选择不同的

层; (4) 在“Show As”中选择结果的显示方式,即显示合成量还是分量,如

果选择显示分量,则可选择单独显示某一分量;

(5) 用面板上部的 、 、 、 按钮进行相关设置;

(6) 如果要用动画显示结果,择选中“Animate”项; (7) 单击 显示图形。

• 图 8-9是“Select Results”按钮 被选中的面板,是缺省值。“Select Result Case(s)”

项的文本框中显示了当前所有的 Result Case,选中要创建变形图的结果,则对应的变形项将会出现在“Select Deformation Result”项中,在进一步做出选择。如果要显示的变形图是分层的,即在单元的不同截面位置,变形的大小不同,例如板、壳、梁单元,则会有按钮

“ ”存在,单击该按钮,可打开类似于图 8-2所示的面板,可选择不同的位置值,以显示该位置处的变形。 选定了要显示的变形量,在图 8-9的下部,可以看到有“Show As”项,其对应的下拉式

按钮菜单有不同的选项,以确定矢量、张量的显示方式,例如“Resultant”或“Component”,分别表示以合成量或分量形式显示,当选择“Component”时,可能存在的分量选项将出现,用以选择不同的分量。 还有一个“Animate”选项,若选中该选项,则以动画形式选定量的变化过程。此时,会

弹出类似于图 8-8 所示的动画控制面板,对动画的播放进行控制,也可以进行其它一些相关操作。 此时,单击 ,即可按已有的设置参数显示模型的变形结果。 若要对显示参数进行设置或修改,则可选择图 8-9中不同的按钮项,进行设置。

Target Entities:单击“Target Entities”按钮 ,则会出现如图 8-10所示的面板,用•

Page 410: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

410

于选定显示的目标实体,即显示哪个(类)对象。变形图能够以模型的不同实体进行显示,

缺省情况下,选用包含整个模型的当前视窗。

图 8-10 选择目标实体

在“Target Entity”项的下拉式按钮菜单中,有 7个选项,各选项的意义如表 8-6所示。 表 8-6 选择不同的目标实体

目标实体 说 明

Current

Viewport

当前视窗,缺省的使用项,其包含了当前激活的视窗中所有的有限元实体,即整个

模型。

Nodes 单个的选择节点,显示该节点处的变形。可以手工的输入节点编号,或者用鼠标从

屏幕上选取节点,输入时,要注意关键字“node”的使用。

Page 411: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

411

Elements 单个的选择单元,显示该单元处的变形。可以手工的输入单元编号,或者用鼠标从

屏幕上选取单元,输入时,要注意关键字“ele”的使用。

Groups 即通过组来选择目标实体。此时,会出现一个“Select Groups”框,其中显示了当前

模型中定义的所有组,从中选择需要的组。此时,只会显示被选中的组的变形图,

未被选中的组的实体将保持其原有的形状不变。

Materials 选定材料某材料,显示使用了该材料的所有实体的变形图。此时,会出现一个“Select

Materials”对话框,其中显示了当前模型中定义的所有材料,从中选择要选用的项。

Properties 类似于“Materials”方法,选择某一属性,显示使用了该属性的所有目标实体的变形

图。同样也会出现一个选择框用于选择。

Element

Types

选定某一单元类型,只显示该类单元的变形图。

在选用表 8-6中的后四种目标实体时,还会出现一个“Addtl. Display Control”选项,其

对应的下拉式按钮菜单中有两个属性选项:“Nodes”和“Elements”。“Elements”是缺省选项,其表示在单元的变形位置,变形图中将显示与单元相关联的节点,这样可以显示实际的变形

形状。“Nodes”表示只显示未变形时节点的位置,而不显示与节点相关联的单元。此时,节点将显示为小圆圈,以便于查看。

• Display Attributes:若要进行显示属性设置,则单击“Display Attributes”按钮 ,

可打开如图 8-11所示的属性设置面板。

Page 412: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

412

图 8-11 变形图的显示属性设置

在图 8-11中,可以看到属性设置选项较多,各选项的意义如表 8-7所示。 表 8-7 显示属性的选项

选 项 说 明

Deformed/Undeformed

Color

当显示变形时,可以用 16种截然不同的颜色将变形和未变形区分开来。在此处

可以自行设定变形与未变形的颜色。

Page 413: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

413

Render Style 其共有四个选项:“Wireframe”、“Free Edge”、“Hidden Line”和“Shaded”。

缺省的是“Wireframe”,可以显示所有可见的单元;“Free Edge”将知显示那

些过特征角设置的边;“Hidden Line”将以遮挡形式显示单元的边,被其它单元

挡住的边将不显示;“Shaded”项将以设定的颜色显示被遮挡的部分。

Line Style 选用显示的线型。

Line Width 选用显示时的不同线宽。

Scale Interpretation 该参数用于设置可见的总变形。可以设定变形与模型尺寸同比例缩放(Model

Scale),或者是根据其实际值按比例缩放(True Scale)。

Scale Factor 设定变形显示的比例值,缺省为 0.1(即变形部分以模型尺寸或实际尺寸的 10%

显示)。

Show Undeformed 该项控制着模型不变形的显示。如果选中该项,则模型未变形前的形状将与变形

后的形状同时显示。

Title Display 选定该项,并在对应的文本框中输入文本,则输入的内容将作为变形图的标题。

Maximum Label

Display

选定该项,则将显示选定结果中的最大值。

Label Style 可以修改标签的颜色、表达方式、精度等,可参见图 8-6。

一旦显示属性被改变,则其将会一直起作用,直到下一次的重新设置。

• Plot Options:变形图有多种选项,单击“Plot Options”按钮 ,打开如图 8-12所

示的面板,可对图形选项进设置。在该面板中,可以对变形图进行坐标变换、定义 PCL函数、存储当前变形图、选择已有的变形图等

Page 414: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

414

图 8-12 变形图图形选项设置

在图 8-12中,“Coordinate Transformation”项用来设置对图形进行坐标变换的方式,即将矢量通过坐标变换变换到其它坐标系下显示。在其对应的下拉式按钮菜单中,有 6个选项:“None”、“CID”、“Projected CID”、“Global”、“Default”和“Nodal”。“None”即不进行坐标变换;“CID”则通过输入一个坐标系的编号,将图形向该坐标系变换;“Projected CID”则是将变形图向选定的坐标系的坐标轴投影;而“Global”、“Default”和“Nodal”则分别指全局坐标系、缺省的坐标系和分析坐标系。无论如何变换,变形结果都不会有本质的改变,只

是在不同的坐标系下显示不太一样而已。 “Scale Factor”项用来设置变换时的缩放系数。 如果选定了“Use PCL Expression”项,则可以用 按钮打开如图

8-13所示的面板,定义 PCL函数表达式以定义一个新的结果。

Page 415: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

415

图 8-13 定义 PCL表达式

图 8-13 中的区域安功能可分为四个部分,表达式书写(PCL Expression)、数学符号(Arithmetic Operators)、独立变量(Independent Variables)和内部函数(Intrinsic Functions)。可以在“Independent Variables”中选择变量、在“Arithmetic Operators”中选择数学符号、在“Intrinsic Functions”中选择已定义好的内部函数来定义一个函数表达式,该表达式将显示在“PCL Expression”对应的文本框中。用鼠标单击可选取变量、数学符号、函数。书写完成之后,单击 确认。矢量需要三个表达式来定义,张量需要六个表达式来

定义,不同的表达式之间用分号隔开。 独立变量的选取依赖于所选择的结果类型,这里所说的变量,是指所选结果中生成的量。

对于不同的结果类型,对应的边量也不同,例如,对于位移,只有四个变量,一个位移大小

标量和三个分两。书写表达式时,变量必须以“$”符号开始

Page 416: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

416

Patran 提供的内部函数包括三角函数、反三角函数、指数函数、对数函数、求平方、取绝对值等。三角函数的变量有度和弧度两种,可根据需要选用。 单击 按钮,会出现一个“Select”面板,所有已有的变形图都显

示在该面板的列表中,选中其中的某一个,则所有的设置和选项,包括“Target Entities”和“Display Attributes”,都恢复到该图的原有设置状态。这种方法可在不改变当前图形选择的情况下,使用以前已有图形的设置。 变形图可以通过名称来存储和调用显示,可以将存储的多个变形图同时显示。图 8-12中

的“Save Deformation Plot As”项中,输入一个名称,可以将当前变形图存储在数据库中。这样创建的图形可以在“Post”和“Delete”中操作。

Animation Options:这里对于动画的参数设置,可参考 8.2.1节, 两者比较类似。 •

8.2.3 创建云纹图显示(Fringe)

在【Results】面板的“Action”中选择“Create”项,在“Object”项中选择“Finge”项,即打开如图 8-14所示的面板,在该面板中,可以用云纹图来显示分析结果,例如应力、应变、约束力等。

Page 417: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

417

图 8-14 创建云纹图

图 8-14的上部,有五个按钮,“Select Results”、“Target Entities”、“Display Attributes”、“Plot Options”和“Animation Options”,分别用来选择 Result Case、选择显示目标实体、设置显示属性、图形的选项和动画选项设置。对于部分选项按钮,可参见 8.2.2节。 显示云纹图的一般步骤如下:

(1) 在“Select Result Case(s)”中选择某 Result Case; (2) 在“Select Fringe Result”中选定某结果; (3) 如果所选结果与层相关,则用按钮 选择不同的

Page 418: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

418

层; (4) 在“Quantity”中选择结果的显示方式,对于矢量和张量,显示合成

量还是分量,如果选择显示分量,则可选择单独显示某一分量;

(5) 用面板上部的 、 、 、 按钮进行相关设置;

(6) 如果要用动画显示结果,择选中“Animate”项; (7) 单击 显示图形。

在图 8-14中的“Select Result Case(s)”中,选中某个 Result Case,则相应的可用云纹图显示的量会显示在“Select Fringe Result”中,选中某一量;如果要显示的量在单元不同截面处有所不同,则可由 按钮打开【Select】面板,选择该量的单元不同层位置的值来显示,图 8-14中的位移在单元不同的截面位置的值是相同的,所以显示不分层(NONLAYERED);“Quantity”项用来选择用什么方式来显示所选定的量,例如位移量,可以显示其总的大小值,也可以显示其每个分量值;如果要以动画形式显示,择选中“Animate”,之后,单击 即可。

8.2.4 图形符号显示(Marker)

用图形符号显示分析结果,即用箭头、数字等显示矢量、张量结果。在【Results】面板的“Action”中选择“Create”项,在“Object”项中选择“Marker”项,即打开如图 8-15所示的面板。

Page 419: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

419

图 8-15 用图形符号显示结果

图形符号显示的一般步骤如下: (1) 在“Method”中选择矢量“Vector”或张量“Tensor”; (2) 在“Select Result Case(s)”中选择某 Result Case; (3) 在“Select Vector/Tensor Result”中选定某结果;

Page 420: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

420

(4) 如果所选结果与层相关,则用按钮 选择不同的

层; (5) 在“Quantity”中选择结果的要显示的结果对象,例如最大主应力(如

果是张量,则没有此项); (6) 在“Show As”中选择结果的显示方式,即显示合成量还是分量,如

果选择显示分量,则可选择单独显示某一分量;

(7) 用面板上部的 、 、 、 按钮进行相关设置;

(8) 如果要用动画显示结果,择选中“Animate”项; (9) 单击 显示图形。

图 8-15 中的“Method”有两项,“Vector”和“Tensor”,即选择显示矢量或者张量。显

示矢量,例如位移、约束力等,此时,可以通过“Show As”项来选择显示其各分量还是合成量。则相应量将会以箭头数字标签形式显示出来,箭头表示其方向,数字标签表示其大小。 如果选择“Tensor”显示张量,例如应力张量,则可在“Show As”中选择显示各分量或

者是各主应力,图 8-16给出了各应力分量的图形符号显示,从图中可以看出,每个单元中都有一个小立方体,各应力分量都以该小立方体为参考用箭头表示出来。

Page 421: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

421

图 8-16 应力张量的图形符号显示

在面板的上部,也有五个按钮,分别为“Select Results”、“Target Entities”、“Display Attributes”、“Plot Options”和“Animation Options”,分别为选择 Result Case、选定显示的目标实体、显示属性设置、图形选项和动画选项。图 8-15就是缺省的“Select Results”对应的面板,其它各项的设置如下所述。

• Target Entities:在图 8-15 中,单击 按钮,则会弹出一个面板,其用于选择要显

示的目标实体。其与 8.2.2 节中的目标实体的选择比较类似,可参见图 8-10。但其“Addtl. Display Control”项与图 8-10中的不尽相同。除过“Nodes”和“Elements”之外,还有几项,它们分别是“Free Faces”、“Free Edges”、“Conners”和“Target Deformations”。“Free Faces”项表示图形符号将显示在所有选定实体对象的自由面的节点上,基于单元的数据将取推测值

和平均值;“Free Edges”项类似于“Free Faces”,只是将自由面变成了自由边;“Conners”项表示只在模型拐角处的节点显示图形符号,单元数据同样取推测值和平均值;“Target Deformations”项只有当有多于一个的变形图存在时才出现,用于选择显示哪个目标图形。

Display Attributes:显示属性的设置因“Method”项选择的不同而有所不同,当用图•

Page 422: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

422

形符号显示矢量时,单击图 8-15中的 ,则会弹出如图 8-17所示的面板。

图 8-17 显示矢量时显示属性的设置

对于矢量和张量的图形符号显示的属性设置,有一部分项是相同的,如表 8-8所示。 表 8-8 矢量和张量显示的公共属性设置表

选 项 说 明

Spectrum/Constant 控制图形符号(箭头或其它符号)的颜色是否随所显示的值而变化,该色彩的变化

Page 423: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

423

将对照图中表示数值范围的的参考彩色谱。若选择“Spectrum”,则图形符号的色

彩变化,若选定“Constant”,则不变化,但可以选择用哪种颜色来显示箭头等符

号。

Show Spectrum 显示/不显示表示数值范围的的参考彩色谱。

Show Viewport

Legend

控制是否显示图例。

Spectrum 打开【Spectrums】面板,设置当前的参考彩色谱或创建新的参考彩色谱。

Range 打开【Set Range】面板,重新设置当前参考彩色谱的表示范围。

Title-Show Title 若选定,则会显示在对应的文本框中输入的文本,作为该图形符号显示图的标题。

Show Max/Min

Label Display

若选中,则将显示所选结果中的最大值和最小值。

Show Vector/Tensor

Label

选中该项,则会显示矢量/张量的数值大小标签。

Label Style 用该项打开相应的面板,可以设置数值标签的显示样式。

Show on Deformed 选定该项,如果当前图中有变形图,则图形符号显示在变形之后的模型上。

关于矢量所独有的显示属性设置,如表 8-9所示。

表 8-9 矢量显示属性设置

选 项 说 明

Length 设置显示时矢量的长度属性,有四个选项,分别为根据屏幕大小为常值、根模型

大小为常值、根据屏幕大小为变值、根据模型大小为变值。当选择“Screen Const.”

时,系统将根据“Scale Factor”给定的值(0.1即为 10%)确定矢量表示的大小,

其表示长度将不随模型的缩放而改变,其它的可类推。

Scale Factor 设定矢量的显示长度系数,该系数乘以某参考值,即为显示长度。

Anchor Style 选择矢量表示的固定位置,可以以箭头的起点或尖点为固定点。

Head Style 矢量的显示形式,可以是单箭头、双箭头,或者不用箭头。

Line Style 设置线的显示方式,可以是一根线,也可以是一个圆柱。

Page 424: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

424

如果在“Method”项中选择的是张量“Tensor”,则对应的显示属性设置“Display Attributes”如图 8-18所示。图中各项的设置如表 8-10所示。

图 8-18 张量的显示属性设置

表 8-10 张量显示属性设置

Page 425: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

425

选 项 说 明

Vector Length

Scale Factor

Head Style

Line Style

参见表 8-9。

Show Tensor Box 选定该项,则用表示张量的立方体显示张量,张量的各分量都将围绕该立方体显

示。同时,可以选择用何种颜色来显示该立方体。

Box Style 选择用线框或实体来显示该立方体。

Box Scale 类似于“Vector Length”。

Box Scale Factor 类似于矢量中的“Scale Factor”

• Plot Options:在图 8-15中,单击 按钮,则会弹出如图 8-19所示的面板,其用于

图形选项的设置。其各项的意义如表 8-11所示。

Page 426: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

426

图 8-19 图形选项设置

表 8-11 图形选项设置表

选 项 说 明

Page 427: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

427

Coordinate

Transformation

要用图形符号显示的矢量/张量结果,可以进行坐标变换而转换到其它的坐标系

中,例如用户定义的局部坐标系、各种投影坐标系、Patran的全局坐标系、单元

的 IJK坐标系、材料坐标系、分析坐标系等。缺省情况下,系统不会进行变换。

Scale Factor 放大或缩小计算结果。

Filter Values 设定某个范围以显示在该范围内的值。例如设定一个最小值,则大于等于该值的

结果将会被显示。也可以设定最大值、一个范围,或是除过某些值。

Averaging Domain 对于单元的结果数据,必须在节点显示,而与节点相邻的单元分到节点上的值不

止一个,要取平均值,所以必须有一个平均区域,即选定在某个区域范围内进行

平均操作。与某节点相连的所有单元对该节点的值都有贡献。缺省情况下,所有

的选定实体都包含在平均区域中,当然,也可以按材料、单元属性、单元类型等

来确定该区域。

Averaging Method 选用不同的平均方法,可以产生不同的结果显示。这一点对于由单元的矢量、张

量结果导出新的结果尤为重要,例如由应力张量产生Mises应力。先对各量在节

点取平均值再导出与先导出再取平均值的结果显示是不同的。

Extrapolation Method 可以选用不同的方法推测节点以外区域的结果,例如形函数、平均值法、质心等。

Existing Vector/Tensor

Plots

用该按钮可以打开一个面板,其中显示了当前已经存在的所有图形符号显示图,

选中其中某一个,则当前所有的设置,包括目标实体的选择、显示属性等都与该

图相同。这种方法可以将同一个设置用于多个图形显示。

Save Vector/Tensor

Plot As

每一个图形符号显示图能够以给定的名称存储,并在以后可以调用显示,一个数

据库中可以有多个图形符号显示图,并可同时显示多个。

• Animation Options:关于动画选项的设置,可参见 8.2.2节中的相关项,两者比较类

似。

8.2.5 创建 YX坐标曲线图(Graph)

YX 坐标曲线图,就是将某一计算结果赋予变量 Y,再选取一参考量作为 X(例如坐标系的轴线、结构的边线、梁结构的轴线等),绘制 Y-X 曲线图,并显示出来。其对应的面板如图 8-20所示。

Page 428: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

428

图 8-20 创建 YX曲线图

图 8-20的上部,有四个按钮,“Select Results”、“Target Entities”、“Display Attributes” 和“Plot Options”,分别用来选择 Result Case、选择显示目标实体、设置显示属性和图形的选项。对于曲线图,没有动画显示方式。

Page 429: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

429

创建 YX曲线图的一般步骤如下: (1) “Method”中只有“Y vs X”方式可选,所以取它; (2) 在“Select Result Case(s)”中选择某 Result Case; (3) 设置Y轴变量,在“Select Y Result”中选定某一结果,将其赋予变

量 Y。Y也可以是全局变量; (4) 如果所选结果与层相关,则用按钮 选择不同的

层; (5) 在“Quantity”中选择结果的要显示方式,即显示合成量还是分量,

如果选择显示分量,则可选择单独显示某一分量; (6) 设置X轴变量,X轴变量可以是分析结果、全局变量、坐标轴、路径

长度(点、曲线、单元的边)或者梁。路径长度和梁作为目标实体在“Target Entities”中选择; (7) 目标实体的选择,对于其它类型的图来说,该项是可选项,但对于曲

线图,该项则是必选的(除非两个变量都是全局变量)。在“Target Entities”中选择;

(8) 用面板上部的 、 按钮进行相关设置;

(9) 单击 显示图形。 赋予Y轴的分析结果量,可以参考另外的结果量绘制曲线图,也可以参考某个全局变量,

如时间、频率、载荷步骤等绘制曲线图。Y轴的结果值也可以参照坐标位置、曲线、梁。因为只有标量能被显示,所以,如果选定的是矢量或者张量,则选定的量必须能够分解。如图

8-21所示,其为沿结构一条边的Mises应力变化曲线。

Page 430: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

430

图 8-21 应力曲线图

选定的结果值(Y轴)能够相对于坐标位置(coordinate,X轴)来显示,在“Select Coordinate Axis”中,选择某一坐标轴作为 X轴。 缺省情况下,创建的曲线图名称为“default_graph”,如果要创建多个曲线图,则用户要

给每个图以独立的命名。 图 8-20对应的是“Select Results”按钮,其它选项及其设置如下:

• Target Entities:在图 8-20的上部,单击 按钮,打开如图 8-22所示的“Target Entities”

面板。该面板用来选择设置图形显示的目标实体,可选的对象实体类型依赖于所要生成的图

形和 X、Y轴变量的选取

Page 431: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

431

图 8-22 曲线图的目标实体选项

图 8-22中的“Target Entities”对象依赖于X、Y变量的选取,其各可能项如表 8-12所示。 表 8-12 曲线图形目标实体表

可 选 项 说 明

Nodes 选择该项,可以通过所选择的单个节点创建曲线图形,节点可以从屏幕上直接选取,

也可以手工输入。

Elements 选择该项,可以通过所选择的单个单元创建曲线图形,单元可以从屏幕上直接选取,

也可以手工输入。

Groups 在选定的组上创建曲线图形,所选的组必须包含有节点或单元等实体对象。

Page 432: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

432

Materials 类似于组,通过材料的选择,来选择与该材料属性相关的单元,在这些单元上创建图

形。

Properties 选择某种属性,也是选择单元与实体的一种方法。

Path 路径,也就是定义 X轴的一种方法,其有多种定义方式。例如,路径可以通过点集、

曲线、几何/单元的边、梁来定义。这些方法的选择在“Addtl. Display Control”中选择。

此外,对于路径目标实体的选择,点和曲线的选择依赖于当前的组,这对于当前组是复

杂的大型模型的一部分的情况尤为重要。当前组将会限制查找点,如果所选点不在当前组中,

则不会生成图形。利用边/梁作为路径是非常有效的,不需要查找,直接操作。如果以多点输入作为路径,则根据多点之间的直线距离计算路径长度。如果以多个不连续的曲线为路径,

则会以每段曲线的起点分别计算。

• Display Attributes:显示属性的设置,在图 8-20的上部,单击 按钮,则会出现如

图 8-23所示的面板,用来设置图形的显示属性。

Page 433: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

433

图 8-23 图形显示属性的设置

图 8-23种各项属性的意义如表 8-13所示。 表 8-13 曲线图形显示属性设置

选 项 说 明

Page 434: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

434

Curve Fit 该项用来设置如何将多个点拟合成一条曲线,其有四个选项:“Linear”、“Scatter”、

“Spline”和“Least Squares”。“Linear”是缺省值,用直线段连接相邻的两个点;

“Scatter”在图中不会创建曲线,只保留点;“Spline”项用光滑连续曲线连接各点;

“Least Squares”则用最小二乘法拟合一条曲线。

Curve Style 选择曲线的形式,如实线、点线、点画线等。

Show Symbol 选中该项,则在图中显示 XY图的标志,一个黄色圆点。

Show X/Y Axis

Label

选中则显示 X和 Y轴的标签。

X/Y Axis Label 指定 X和 Y轴的标签。

X/Y Axis Scale X和 Y轴的显示可以被设置成线性的,或者是对数形式的。

Label Style 该项可打开一个小的设置面板,用以设置标签的形式,例如标签中数值的位数、数字

的格式、标签的颜色等。

XY Window

Name

要创建XY图形,必须给定XY窗口的名称。注意,该名称不是用来存储图形的名称,

而是在多图显示时区分视窗的。

Append Curves

in XY Window

选中该项,则可以在曲线图中另外插入曲线。

Plot Options:关于图形选项设置,可参见 8.2.4节中的图形选项设置。 •

8.2.6 创建动画(Animation)

用动画显示计算结果是 Patran中集成的一个重要的结果处理模块,其对于了解结构的行为,特别是结构在动力作用下的行为非常重要。可用多种方法创建动画,大多数的图形显示

也可以做成动画,或者是在特定的时间可以动画形式显示。在【Results】面板的“Object”项中选择“Animation”,则会出现如图 8-24所示的面板。

Page 435: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

435

图 8-24 创建动画

在前面各种图形处理方式中,已经多次提到可以动画形式显示结果。其实,已经创建的、

存储在数据库中的图形中,就包含了动画的信息,根据这些图,即可创建相应的动画。如图

8-24所示,已经创建的、可以根据其创建动画的图都显示在“Plots to Animate”中。 在“Method”中,可以选择创建动画的不同方式,“2D Graphics”将创建 2D动画;而“3D

Graphics”则创建 3D 动画,在器播放的过程中,可以用鼠标拖动画面,从不同角度观看;“Preview”则是预览要创建的动画。

Page 436: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

436

在“Plots to Animate”中,选择某个图,在会出现“Animation Method”项,其有三个选项,“Modal”、“Ramp”和“None”。“Modal”表示要创建一个模型样式的动画,其将在最大值与最小值之间震荡,就像正弦函数一样;“Ramp”则只显示零与最大值之间的动画;“None”项表示该图形在创建时不包含动画信息,不能创建动画,或者是不希望创建哪个图的动画,

则选定该项。 在“Number of Frames”项中,设定动画的帧数。在“Interpolation”项确定在关键帧之

间插入帧的方法,可以线性插入(Linear),也可以不插入(Closest Value)而直接使用分析结果值。

8.2.7 生成报告(Report)

“Report”允许将各种结果以文本报告形式输出,这些结果可以是分析计算直接输入到数据库中的,也可以是通过导出、组合等方式生成的。生成报告的方式与其它图形显示方式

比较类似,不同点在于它用文字来描述结果,缺省情况下,输出的文件名为 patran.rpt,其可以用文本编辑器打开。当然,也可以输出到屏幕(缺省情况)。 在【Results】面板中的“Object”项选择“Report”,可以打开如图 8-25所示的面板,其

对应的“Method”有三个选项。

Page 437: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

437

图 8-25 生成结果报告

图 8-25中的上部有四个按钮,“Select Results”、“Target Entities”、“Display Attributes” 和“Plot Options”,分别用来选择 Result Case、选择报告目标实体、设置输出格式和报告的选项。 生成报告的一般步骤如下:

Page 438: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

438

(1) “Method”中选择合适的方法,这取决于是想将输出结果显示在调用的窗口中,还是要将结果写入到输出文件中。“Preview”将在调用的窗口中显示结果;“Overwrite File”是创建/覆盖一个文本文件,将结果输出到该文件中;“Append File”则将结果添加到已存在的文件后边; (2) 在 “Select Result Case(s)”中选择一个或多个 Result Case; (3) 在“Select Report Result”中选定某结果; (4) 如果所选结果与层相关,则在“Select Positions”中选择不同的层; (5) 在“Select Quantities”中选择与所选结果相关的量,例如各应力分量、

最大主应力、各位移分量等;

(6) 用面板上部的 按钮对应的面板进行目标实体选择;

(7) 如果是输出到文件,则用 按钮对应的面板设定输出的文件名称和

格式;

(8) 用按钮 进行相关选项设置;

(9) 单击 输出结果。 在“Select Quantities”中,有数十个选项,解释如表 8-14所示。

表 8-14 “Select Quantities”中的不同选项

选 项 说 明

NSHAPE 这是一个单元数据变量,输出整数以表示与结果相关的单元的类型。杆单元为 2、三

角单元为 3、四边形单元为 4、四面体单元为 5、五面体单元为 6、六面体单元为 7。

Loadcase ID 这是与结果变量相关的内部工况或 Result Case的 ID号,通常,这一信息在总结报告

中输出。

Subcase ID 这是与结果变量相关的内部 Subcase的 ID号,通常,这一信息在总结报告中输出。

Layer ID 这是与结果变量相关的内部层的 ID号,通常,这一信息在总结报告中输出。

X/Y/Z Location 在 Patran的全局坐标系中的坐标位置。

Page 439: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

439

Magnitude 矢量的大小,即矢量的模。

von Mises 从应力张量导出的 von Mises应力。

X/Y/Z

/XY/YZ/ZX

Component

矢量的 X、Y、Z分量或张量的 X、Y、Z、XY、YZ、ZX分量。

Max/Mid/Min

Principal

从张量导出的最大、次大、最小主量,例如三个主应力。

Max/Min

Principal 2D

2D时从张量导出的最大最小主量

Hydrostatic 从应力张量导出的静态流体应力。

1st/2nd/3rd

Invariant

从张量导出的第 1、第 2、第 3应力不变量。

Tresca 从应力张量导出的 Tresca应力。

Tresca 2D 从应力张量导出的 2DTresca应力。

Max Shear 从应力张量中导出的最大剪应力。

Max Shear 2D 从应力张量中导出的 2D最大剪应力。

Octahedral 从应力张量中导出的八面体应力。

CID 报告结果所在的坐标系的 ID。

Material ID 感兴趣的区域的内部材料 ID(如果不存在则取零)。

Material Name 赋予当前感兴趣的区域的材料的名称,如果不存在,则在报告中显示“ErrErr”。

Property ID 感兴趣的区域的内部属性 ID(如果不存在则取零)。

Property Name 赋予当前感兴趣的区域的属性的名称,如果不存在,则在报告中显示“ErrErr”。

ACID 与实体(节点)ID相关联的分析坐标系,分析结果就在该坐标系中产生。

选择不同的分析结果,“Select Quantities”中的项会有所不同,例如会有“Node ID”、“Entity

ID”、“Position ID”等出现。这些项是否出现在报告中,取决于报告的格式设置,看选取了那些列。

Page 440: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

440

在生成报告的主面板中,除过“Select Result”,还有三个设置按钮项,下边就分别介绍。

Target Entities:用按钮 打开的面板,可进行报告中目标实体的选择,其与前边的

内容比较类似,可参见 8.2.2节、8.2.5节的相关内容。

• Display Attributes:在图 8-25中,用按钮 可以打开如图 8-26所示的面板,可以进

行输出文件的设置。包括指定文件的名称,文件的输出格式、数据的排序方法、报告的类型

等。

图 8-26 设置报告输出文件的属性

则要将当前结果数据追加到某一报告输出文件中,或是要覆盖已经存在的某个输出文件,

可用 按钮打开如图 8-27 所示的文件选择面板,选取已经存在的文件。选取了某个文件之后,相应文件的全路经名称将会显示在“File Name”中。

Page 441: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

441

图 8-27 选择已经存在的报告输出文件

如果要新建一个报告输出文件,则在“File Name”项中可直接输入文件名。 要对报告输出文件的格式进行设置,可用 按钮打开如图 8-29 所

的【Results File Format】面板。在该面板中,可设置输出文件的最大宽度、每页的行数、左右空白的宽度,文件的头部(标题)、标题的位置(左、右或居中)、文件头的内容,文件每

一列的内容,以及各列的顺序(可以调整)等

Page 442: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

442

图 8-28 设置输出文件的格式

要对输出文件中的数据进行排序,可单击 按钮,打开如图 8-29所示的【Sorting Option】面板。在该面板中,可设置输出数据安升序/降序排列,按照代数值/绝对值排列,按照某一对象或结果排序,按照工况/实体来组织等。

Page 443: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

443

图 8-29 输出文件中数据的排序

另外,可以用“Report Type”设置所要报告的类型。例如,可以只输出结果的总结信息,也可以只输出数据信息,或者两者都输出。可在对应的下拉式按钮菜单中选择确定。当所有

的设置都完成之后,单击 ,设置生效。

Plot Options:用按钮 可打开报告选项设置面板,其与 8.2.5节中的相关内容比较类似,

可参考进行。

8.2.8 已有结果再处理(Results)

“Results”是对已有的结果通过多种方式,进行再处理的,例如对已有结果进行缩放组合生成新的结果,从已有结果导出新的结果等。如图 8-30所示。其“Method”中对应多种方法,归类一下有三类:缩放组合、导出、演示。

Page 444: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

444

图 8-30 分析结果再处理

组合(Combine)方法允许将选定的 Result Case进行缩放和组合,生成新的 Result Case,其多用于 Subcase的线性组合。仅限于将选定的 Result Case进行缩放,然后进行线性叠加,以生成新的 Result Case和 Subcase。进行组合时在各选定的 Result Case中必须选定共有的结果量,同时,这些共有的结果量必须与同一组有限元对象相关。 导出(包括Maximum、Minimum、Sum、Average、PCL Function等方法)允许以多种方

式导出结果变量。例如,可以从选定的 Result Case 的最大/最小值,或者是从层的位置中导出结果;或者用 PCL表达式导出结果。导出与组合有两点不同:1)导出可以从不同的节点、单元导出结果,而组合必须基于相同的有限元实体;2)导出可以用多种方法进行,而组合则

Page 445: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

445

只是将结果求和。 演示(Demo)是在没有分析结果的情况下,创建一个演示结果,用于测试目的。 下面,就详细介绍一下各种方法。 组合:在“Method”中选择“Combine”,如图 8-30所示,则可进行组合操作。一般

步骤如下: (1) 在“New Result Case Name”中输入将要生成的 Result Case的名称,

其也可以是已有的某个结果的名称; (2) 在“New Subcase Name”中输入将要生成的 Subcase的名称,如果该

名称已经存在,则该 Subcase将被加入到新生成得 Result Case中; (3) 在“Select Result Cases”中选择多个已有的 Result Case,并选中要组

合的分量。此时,会弹出【Combine Result Cases】面板,如图 8-31所示; (4) 单击 完成。

在选择 Result Case时,会弹出如图 8-31所示的面板,用于设定缩放系数、选择组合分量。图中,“Combine Result Cases”中显示了已被选定的 Result Case;“Factor”列显示了各Result Case项的缩放系数,可以在“Input Scale Factor”中输入新的值以改变其大小;在“Select Results”中可以选择要组合的结果量,利用 Shift键,可以选择多个结果量。

Page 446: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

446

图 8-31 组合量的选择

如果某个已选定的 Result Case,则在图 8-30的主面板中再次单击即可。选定之后,单击按钮确认。

• 导出:导出一个强大而灵活的工具,其可以做远比组合更复杂的工作。例如,要从多层结果或多个 Result Case中提取最大值/最小值,或者用 PCL函数创建一个新的结果量,则只能使用导出方法了。导出是一类方法,其包括“Maximum”、“Minimum”、“Sum”、“Average”和“PCL Function”,这些方法所对应的面板都比较类似,如图 8-32所示。

Page 447: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

447

图 8-32 导出生成新的 Result Case

图 8-32的上部,有三个按钮,“Select Results”、“Target Entities”和“Plot Options”,分别用来的选择结果、选择目标实体对象、进行图形选项设置。图 8-32对应的是“Select Results”的面板,其也是缺省值。

Page 448: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

448

要导出一个新结果,基本的操作步骤如下: (1) 在“Method”中选择某种具体的导出方法; (2) 在“Select Result ‘Case(s)”中选择一个或多个已有的 Result Case; (3) 在“New Result Case Name”中为要导出的结果定义一个名称,也可

以使用缺省的名称; (4) 在“New Subcase Name”定义导出结果的 Subcase的名称; (5) 在“Select Results”中选择要导出的结果量。理解所选结果的类型是

很重要的,因为将会生成同种类型的结果。例如,选中的结果类型是标量、矢

量或张量,则新生成的结果也将是标量、矢量或张量。如果是“PCL Function”方法,则要在“New Result Type”中选择确定新生成量的类型; (6) 如果是“Maximum”和“Minimum”方法,则要在“Quantity”中选

定矢量或张量的表达方式,大小或分量; (7) 如果结果与多个层相关,则要选择从确定层的值导出新结果,用按钮

打开相应面板完成;

(8) 用“Target Entities”按钮 打开相应面板,选择从那些实体产生导

出结果,缺省情况下,与所选定的 Result Case相关的实体将被选定。当然,也可以将实体范围控制在选定的范围内;

(9) 用“Plot Options”按钮 打开相应的面板,进行对比准则以及其它

选项的设置; (10) 单击 创建导出结果。

导出的具体方法不同,其操作也有所差异,执行的内部过程也不尽相同,下面就分别介

绍。 Maximum/Minimum方法中,在“Plot Options”中的所有设置都将被执行,例如坐标变

换、缩放等;从矢量或张量导出标量值,对于标量,当然就不必要了;根据导出的标量值,

所有目标实体的最大/最小值都会被比较;对比所保留的量不是结果本身,与其相关的标量、矢量、张量才是最终结果。新的结果将根据原有结果的顺序排列。

Page 449: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

449

Average/Sum方法中,所有在“Plot Options”中的选项都将被执行;所有被选中结果的分量都将被分别求和;对于平均方法,所有分量的和都将除以所选结果的个数,取各结果的

平均值,在同一个过程中,不同的目标实体所除的数可能不同。 对于 PCL函数方法,则是根据所定义的 PCL表达式创建一个新的量,并应用与所选定

的所有结果。单击 按钮,关于 PCL表达式的定义,可参见 8.2.2节中的相关内容。

• 演示:当没有现成的结果可选时,可用演示方式生成测试结果用于测试目的。在“Method”中选择“Demo”,相应的面板如图 8-33所示。各种选项和设置都在该面上完成。

Page 450: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

450

图 8-33 生成演示结果

关于目标实体的选择和图形选项的设置,可参见 8.2.2节和 8.2.5节。需要指出的是,当在“Method”中选取Maximum/Minimum时,在“Plot Options”中有对比准则“Comparison Criteria”项,可分别选用代数方法(Algebraic)或绝对值法(Absolute),缺省为代数方法。

Page 451: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

451

8.2.9 自由体后置处理(Freebody)

从概念上讲,自由体是不受任何约束的结构体,这样的结构在实际中一般是不存在的。但是,对于有些问题,可以转化为自由体问题来求解,例如,对于一个桁架结构,如果要求

其固定处的支反力,则可用相应的约束力代替约束,将其转化为一个自由体。 用“Freebody”模块,如图 8-34所示,可以简单而快速的创建自由体的图,组成自由体

图的各个分量也可以单独的显示。例如反作用力、施加的载荷、结构内里等。本工具非常有

用,可以显示各量、检查是否平衡、创建载荷和边界条件等。

Page 452: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

452

图 8-34 创建自由体图

对应的“Method”有三项,“Loads”、“Interface”和“Displacements”,“Loads”允许用矢量图的形式显示自由体所有外部节点的力;“Interface”允许计算自由体边界上所有节点处

Page 453: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

453

的合力和合弯矩,但结果显示只在求和点处显示所有力的和与弯矩的和,此时,自由体目标

实体的选择包括节点和单元,两者都不能少,用这种方法可以求得某一点处的作用力,即将

该点设为求和点;“Displacements”方法以矢量方式显示自由体边界节点的位移,这样的位移可被存储为强迫位移边界条件,用于自由体的局部分析。 创建自由体图的要求和可选项与其它图形不太一样,在图 8-34的上部,有五个按钮选项,

分别为“Select Results”、“Select Entities”、“Display Attributes”、“Save Data”和“Show Spreadsheet”,分别用来选择分析结果、选择目标实体(即选择结构的某一部分并将其看作自由体)、显示属性的设置、创建载荷和边界条件、用表格显示数据。 要特别提出的是,在创建自由体图之前,要对结构进行完整地分析。此时,不但要Nastran

输出常规的应力应变,而且要求其输出节点平衡力。在【Analysis】面板中,单击按钮,打开【 Subcases】面板,在【 Subcases】中,再单击按钮,打开【Output Requests】面板。在【Output Requests】面板的“Select

Result Type”中,选择“Grid Point Force Balance”,在“Output Requests”项中会出现“GPFORCE=All FEM”。这样,在Nastran的输出中,会输出节点平衡力,其将用于创建自由体图。 创建自由体图的基本步骤如下:

(1) 确定要创建的图是否真是自由体图,并在“Method”中选择相应的方法; (2) 在“Select Result Case(s)”中选择分析结果; (3) 在“Select Subcase”中选择 Subcase; (4) 如果在“Method”中选择的是“Loads”或“Interface”,则在“Select

Result Type”中选择结果类型; (5) 如果需要,可任意的改变求和点“Summation Point”,并可进行坐标

变换(Transform Results)。

(6) 用 图标打开相应面板,选择目标实体,即通过选择模型的某些部

分定义自由体;

Page 454: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

454

(7) 如果需要,可用 按钮打开相应的面板,改变自由体图的矢量显示

属性; (8) 单击 创建自由体图;

(9) 用 按钮打开自由体节点的数据表格,从中可以看到各节点力、力

矩的和,可检查节点的载荷是否平衡;

(10) 最后,若希望对结果图创建载荷和边界条件,用 按钮对应的

面板进行数据存储。 应该指出的是,所创建的自由体图不同于其它类型的图,它不能存储,更不能重新调用

看观看。如果离开了“Freebody”模块,则所创建的图将消失。 在图 8-34的“Select Result Type”中,有多种结果类型,对各种结果类型的介绍如表 8-15

所示。 表 8-15 自由体图的各种结果类型

选 项 说 明

Freebody Loads 该项通常是最常用、最重要的一项。用以确定所有选定节点的内力、显示节点内力、

作用力和反作用力。如果平衡,则每个节点处各方向力的和应等于零。当然,有多点

约束和刚性单元存在是将有所不同。

Applied Loads 选择该结果类型,将会以矢量的形式显示作用于节点的平衡力。

Constraint

Forces

显示自由体中有约束的节点的约束力。

Reaction Loads 以矢量的形式显示作用于节点的平衡反作用力。

Internal Loads 选择该项,则会以矢量的形式显示节点的和内力。一个模型可以被分成几部分,通过

选择不同的单元,可以显示模型内部各处的内力。

External Loads 选择该项,节点处的所有载荷将以矢量的形式显示出来。

Displacements 对于强迫位移,将会以矢量位移的形式显示自由体边界上节点位移。

Page 455: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

455

表 8-15中的矢量数据同时将会写入表格,可用 来显示,该表格中也给出了所有节点

处各矢量的和,以检查节点的平衡性。 下面,就图 8-34上部的按钮对应的面板分别介绍自由体图形显示各部分的功能。

• Select Results:“Select Results”是缺省的面板,由按钮 控制,如图 8-34所示。其

用于选择 Result Case和进行自由体图形显示的主操作。各说明项如表 8-16所示。 表 8-16 “Select Results”的各选项

选 项 说 明

Select Result Case 选择 Result Case,如果该项中没有项目可选,则应该检查 Analysis中输出的设置。

Select Subcase 对于一个 Result Case,如果有多个 Subcase与之相关,则可在该项目中选择使用,

也可以一次选择多个。

Select Result Type 选择不同的结果类型。

Summation Point 力和力矩将在指定的点处求和。

Transform Results 对结果可以进行变换,从一个坐标系变换到另外的坐标系。

Select Coordinate

Frame

对结果进行坐标变换时选择一个已有的坐标系。

Reset Plot 刷新屏幕,删除所有的自由体图。

Default 使所有设置恢复到缺省设置,同时刷新屏幕,删除所有的自由体图。

Target Entities:在图 8-34中,单击 按钮,可打开如图 8-35所示的面板,用于选

择有限元目标实体(单元和节点),以定义自由体。该面板中各选项如表 8-17所示。

Page 456: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

456

图 8-35 选择实体以定义自由体

表 8-17 选择实体以定义各实体的选项

选 项 说 明

Page 457: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

457

Select By 该项是个过滤器,可通过指定的类型选择对象。例如节点、单元、组等。要注意的

是,这里节点和单元的选取是分开的,有时,自由体的定义只需要单元,但有时却

节点和单元都需要。

Auto Add/Remove 选中该项,则被选中的对象将被自动的添加/删除。

Select Entities 这里的“Entities”与“Select By”中的类型保持一致,选中的对象将首先显示在该

框中。

Add/Remove 当自动添加/删除没有被选定时,手工的将选定对象添加到自由体/从自由体删除。

Undo 取消上次操作。

Clear 清除被选定的对象列表。

Show Selected

Element

被选中时,将只显示在自由体对象列表中的单元。

Show All Posted

FEM

被选中时,显示整个模型。

Create New Group 选中时,将打开创建组的部分选项。选定对象以创建组,这些对象是用来定义自由

体的。

Include Nodes 如果选中,则与被选定单元目标实体相关的节点也将被包含在新建组中。

Overwrite 选定该项,则可用创建的组代替已有的组,将其覆盖。

Group Name 新建组的名称。

Create Group of

Entities

单击该项以确认创建组。

Reset Plot 将自由体图从屏幕上删除。

Defaults 删除所有的自由体图,将所有的设置改为缺省值。

完成了所有的选项设置和创建过程,单击 确认,使其生效。 • Display Attributes:自由体的图形可以不同的显示属性显示,在“Freebody”主面板

上,单击 按钮,打开如图 8-36所示的面板,一般情况下,可以使用其缺省设置。其相应

Page 458: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

458

各项的设置如表 8-18所示。

图 8-36 自由体图形显示属性设置

Page 459: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

459

表 8-18 自由体图形显示属性设置

选 项 说 明

Show 可以选择显示力、力矩,或者两个同时显示。对于“Displacements”方法,则是选

择显示位移、转角,或者两个同时显示。

Display As 选择以何种方式显示,比如以合成量显示,或者以分量形式显示。

Dimensions 通过选择不同的显示平面来选择要显示的分量。缺省情况下,使用三维显示。

Color/Components 再次选择各显示分量,同时选择各分量的代表色。

Display Free Edges

Only

选定该项,则只显示自由体自由边上的力和位移矢量。不显示自由体内部的各种力,

但该选项对杆单元无效。

Display Nodal

Contributions

对于“Interface”方法,选定该项,则所有面内载荷的作用都将被显示。

Scale

Arrows/Constant

选定前者,各矢量的箭头长度将随各分量的大小不同而变化;选中后者,则各分量

箭头长度相同。

Length 其是一个比例系数,用于缩放矢量箭头的大小,缺省情况下,其取屏幕大小的 10%

(0.1)。

Hide Results Near

Zero

选中该项,则近似于零的数将不会显示。

Zero Tolerance 设置一个门槛值,若某数的绝对值小于该数,则认为其等于零。

Display Values 选定该项,则矢量各分量的大小值将会显示,否则,不显示。

Exponential/Fixed 矢量值大小的显示方式,可选择指数或者定点实数的方式。

Significant Digits 设置有效数字的位数。

Display Title 选中该项,则可以给图形指定一个标题。

Color/Title 选定图形标题的颜色,输入图形标题的字符。

Font/Location 指定图形标题的字体大小和位置,其位置可以是左上或左下。

选定该项,则产生硬拷贝命令,自动将当前图形送到打印机打印。

Text Report 选定该项,则与当前图形相关的数据将会被输出到文本文件中,该文件的名称为

db_name_freebody_data.dat,“db_name”是当前数据库文件的名称。

Automatic Print

Page 460: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

460

Append 选中该项,则会以追加的方式将当前图形的数据写入到已经存在的文本文件中去。

Display via Session

File

该选项将用会话文件通过 Patran的命令行方式创建自由体图形。选中该项,直到按

回车键,相应的图形才会创建。这种方法适合于顺序的创建多幅图形,选定所有的

Result Case/Subcase/Result Type,然后选定该项,每按一下回车,会出现一幅图形,

同时,会生成名为 db_name_play_freebody_ses的会话文件。

Reset Plot 将自由体图从屏幕上删除。

Defaults 删除所有的自由体图,将所有的设置改为缺省值。

• •

Save Data:“Save Data”工具可以将显示数据存储为载荷和边界条件,如果不想创建

载荷和边界条件,该项可以不用选择。在图 8-34中,单击图上部的 按钮,可打开如图 8-37

所示的面板。

Page 461: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

461

图 8-37 创建载荷与边界条件

根据自由体图形显示创建载荷与边界条件的过程可分两步:首先,创建一个类型合适的

域(field),比如力、弯矩、位移;然后,再将该域赋予某工况即可。只有显示在屏幕上的力和位移才能包含在创建的域中。图 8-37种各选项如表 8-19所示。

表 8-19 创建载荷与边界条件的选项

Page 462: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

462

选 项 说 明

Create Force/Moment

Displacement/Rotation

Field

创建各种不同的域。如果要创建一个载荷 set,则必须至少创建一个域,其它的一

相同。

Assign Fields to LBC 选中该项,将已创建的域赋予一个新的边界条件 set,在此处,要输入新建边界条

件 set的名称。其被创建之后,跟在【Loads/BCs】中创建的一样,可以被访问,

例如,进行修改、删除等。

Overwrite/Increment 当有多个结果被选定来显示时,将有多个域和多个 LBC set要创建,此时,若选

中“Increment”,域和 LBC set的名称将会在尾部附加一个类似于版本的递增的

尾数,以示区别。若选中“Overwrite”,则后者将覆盖前者。

Field Name 输入所要创建的域的名称,也可以使用其缺省值。

LBC Name 要创建的载荷、边界条件的名称。也可使用其缺省值。

Load Case

Assignment

当创建一个新的 LBC时,选择将其赋予哪个工况,缺省情况下是“Default Load

Case”。

Insert/Increment 将新建的 LBC插入到已有的工况中,或是用类似于域中的名称尾数递增法创建

新的工况。

LC Name 如果要创建新的工况,可在此处输入其名称。

Reset Plot 将自由体图从屏幕上删除。

Defaults 删除所有的自由体图,将所有的设置改为缺省值。

创建域和 LBC set还要注意以下几点:

(1) 如果用平面图显示三维数据,则域中相应列的数据为零; (2) 对于“Displacement”方法,图形显示属性设置项“Display Free Edge

Only”可能会限制域中的数据量; (3) 对于“Interface”方法,如果要创建于,图形显示属性设置项“Display

Nodal Contributions”必须选中; (4) 对于“Loads”和“Interface”方法,图形显示属性设置项“Hide Results

Page 463: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

463

Near Zero”将会影响写入到域中的数据; (5) 一旦创建了一个新的或是修改了一个已有的 LBC,为了用图形符号对

其进行显示,必须确认改 LBC为当前 LBC,这在【Loads/BCs】中查看。 Show Spreadsheet:对于自由体各种类型的结果,除了图形显示之外,相关的节点数

据将会被写入表格,可以查看。在图 8-34中,单击图上部的 按钮,会弹出一个列表框,

显示所选结果类型下的节点力、位移等,如图 8-38所示。

图 8-38 用列表显示自由体的节点数据

图 8-38给出的是两个节点处的约束力及其相对于原点产生的力矩。表中,给出了每个节点的每个力的每个分量,以及各分量在每个方向上的和。 如图 8-39所示,其给出的是某结构所受的载荷和约束力(这时的结构可以看作是只受力

而不受约束的自由体),可以看到,所有方向上所有力的分量的和都为零,结构是平衡的。

图 8-39 受力平衡的自由体的节点力

Page 464: MSC PATRAN从入门到精通

8.3 Results后处理其它操作(Modify、Plot、Delete)

创建了结果图形之后,可以进一步对其进行操作,包括修改、显示和删除。

8.3.1 修改结果图(Modify)

创建了各种结果图/报告之后,可以对其进行修改,在【Results】面板的“Action”项中选择“Modify”,在“Object”项中选择相应的结果类型,即可对已创建的该类图形/报告进行修改,如图 8-40所示。

Τ

464

Page 465: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

465

图 8-40 修改已创建的结果图

对图形 /报告的修改,可以改变图形 /报告的名称和各种属性设置,用按钮打开已有图形/报告选择面板,从中选择已经存在的某个图形/报告进

行修改,在“Save Fringe Plot/Report As”中输入新的名称以改变要修改的图形/报告的名称,

Page 466: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

466

其它设置的改变与创建图形/报告时的设置基本没有多大区别,可参照进行。

8.3.2 显示结果图(Post)

对于已经创建并存除了的图形,可以调用并显示在当前视图中,也可以将用作量值大小

对比的参考彩色谱的范围显示出来。在【Results】面板的“Action”中选择“Post”,在“Object”中“Plot”或“Range”,分别用于显示图形和参考彩色谱的范围,如图 8-41所示。

图 8-41 显示结果图

下面以图形显示,说明其操作过程: (1) 在“Object”中选择“Plots”;

Page 467: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

467

(2) 在“Existing Plot Types”中列出了已经存储的各种结果图形,选择要显示的图形。此时,可以借助于 Shift键一次选择多个,或者使用三个选择按钮选择; (3) 单击 显示选中的图形。

对于参考彩色谱的显示也比较类似,这里就不再累述。 8.3.3 删除结果图(Delete) 删除操作可以删除根据计算结果创建的某一图形,也可以将读入数据库的计算结果

(Result Case)从数据库中删除。在【Results】面板的“Action”中选择“Delete”项,对应的“Object”有三项,“Plots”项用来删除存储的图形,“Result Cases”和“Result Data”项用来删除 Result Case。如图 8-42所示。

图 8-42 删除图形

删除的操作比较简单,选定要删除的图形或 Result Case,单击 确认即可。

Page 468: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

468

8.4 本章小结

本章介绍了分析结果的各种处理方法,包括图形显示和文字报告。图形显示又有多种方

法,包括云纹图、图形符号图、动画图形、平面曲线图等。这些丰富的结果处理方法,准确、

生动、形象的显示了的分析结果。对于动画方式,还可以将动画过程输出为 MPEG1 格式的动画文件,这对于动态分析,例如模态分析非常有用,可以将模型的模态以动画方法输出展

示。 在生成各种结果输出的时候,用户可通过多种方式细致的控制输出量和输出格式,包括

图形的显示颜色、数字的有效位数、在报告中输出哪些量以及各量的排列顺序等。

Page 469: MSC PATRAN从入门到精通

第 9章 后置处理(二)(Insight)

Patran中的后置处理有两个模块,在第 8章已经介绍了【Results】,这一章将介绍【Insight】。相对来说,【Results】中提供的后置处理方法都是一般常用的方法,而【Insight】中提供的方法相对来说则属于高级方法,其提供了 13中可混合使用的工具,通过高效的图形实时交互式操作,“动态”操纵显示图形,生成等值面图、流线/流面图、矢量场、张量场等多种图形。这里所谓的混合使用,是指所有工具都可以同时“张贴”(Post,也即重叠显示)其图形到屏幕上。 在【Insight】中,通过各种工具的创建,生成相应的图形,这些图形存储在数据库中,

提供了对结果进行操作的多种途径,因为其存储在数据库中,所以在创建之后可以随时调用

显示。这些工具包括“Isosurface”、“Streamline”、“Streamsurface”、“Fringe”、“Threshold”、“Contour”、“Element”、“Tensor”、“Vector”、“Marker”、“Value”、“Deformation”和“Cursor”,共 13种。这些工具可以处理一些复杂的文结果,例如Marc、Dytran非线性、冲击问题的的结果。 【Insight】工具应该与【Insight Control】菜单配合使用,【Insight Control】菜单在 Patran

界面的菜单栏区,其专门为【Insight】设置,配合【Insight】使用。只有当【Insight】被激活时,【Insight Control】才可被使用。只有充分的将两者结合,才能更好的处理分析结果。 本章的主要内容如下:

Τ

469

• • • •

【Insight】中工具的定义 各种工具的属性设置 【Insight Control】菜单的使用 修改和删除已创建的显示工具

Page 470: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

470

9.1 Insight介绍

在 Patran 界面的工具栏区,单击工具按钮 ,既可打开【Insight】,如图 9-1 所示。其下拉式按钮菜单只有两级,“Action”和“Tool”,在“Action”中选择操作动作,包括创建(Create)、修改(Modify)和删除(Delete)。“Tool”中是各种可创建的工具,共有 13个,还有个“All Types”,在修改和删除时使用。

Page 471: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

471

图 9-1 创建 Insight工具

9.1.1 Insight中的工具

【Insight】提供了 13种不同的工具用于分析结果的显示,这些工具可以生成各种技术图,可以对结果进行分析和检查。【Insight】允许同时显示多个工具的图形,使用户与结果之间更好地进行交互。下面先介绍一下在【Insight】中可以定义和操作的各种工具。

Isosurface:用于绘制等值面,这里的值可以基于计算结果的节点标量平均值,也可•

Page 472: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

472

以基于等值的坐标直。基于坐标值的等值面既可以在全局迪卡尔坐标系(CID 0)中定义,也可以在其它的坐标系中定义(迪卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系)。“Isosurface”工具定义时,可以只指定一个常值作为该面的所代表的值,也可以是介于最大值和最小值之间的等差

分布的一个系列(最多 5个),其在【Insight Control】菜单的“Isosurface Controls”项中进行设置。“Isosurface”工具亦可用来切割显示模型,大于或小于设定值的模型部分将不显示或显示为透明、自由边、网格线、阴影或遮挡线。用这种方法可以过滤显示结果,从而只显示

需要的部分。 Streamline:流线是一个或一组轨迹,是一个矢量场中微粒运动路径的描述,用于表

示矢量。它们与节点的矢量数据相关联,从指定的节点出发,这些节点由数据库中的叫做

“Rake”的实体定义,“Rake”由用户指定名称定义并由该名称标识,一个“Rake”为流实体定义了一系列节点或节点对。流线的颜色可以设置为定值,也可以设置为变值以表示矢量

场中沿流路径量的大小变化。其它工具可以与“Streamline”结合使用,被指定到流线上,用流线场来显示矢量的变化。

Streamsurface:流面是一个沿流线生成的带状曲面,与节点的矢量数据相关联。可以将其它工具指定到流面上,以显示其它量。流面可以用来显示流体流动问题中的漩涡。

Fringe:云纹图用来表示曲面、边的分析结果,其显示的值是节点标量平均值。云纹图可以指定到模型的单元面、自由边,或是前面提到到的等值面、流线、流面。当云纹图被

指定到其它工具时,它的颜色将代替其它对象的颜色设置或缺省设置,云纹图也支持透明功

能。 Threshold:门槛值工具创建三维等值面,其与节点的标量平均数据相关。类似于

“Contours”在曲面上描述相等的值,门槛值用曲面描述在实体中的相等值。“Threshold”工具中的每一个门槛值都是一个等值面。与等值面不同的是,“Threshold”工具不能被指定,也不能用于定义剖面。门槛值可以由参考彩色谱定义的颜色范围来控制显示曲面的数目以及

曲面所代表的值。 Contour:等值线用来显示曲面上具有相同值的曲线。类似于“Threshold”工具,等

值线由参考彩色谱定义的颜色范围定义来控制等值线的数目、等值线的位置、等值线所代表

的值等。等值线基于节点标量平均值。等值线显示的是值相等的曲线,而云文图的参考彩色

谱显示的是一个范围值。等值线工具可以方便的创建当前图形的硬拷贝。

Page 473: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

473

Element:单元工具用代表某个值的彩色多边形或网格线去填充具有该值的单元,以显示模型中具有该值的单元。“Element”工具的定义基于单元重心位置的标量值。单元工具能够被指定到模型单元或等值面工具。

Tensor:张量工具显示一个代表对称应力张量的图标。张量的方向可以根据主应力方向或张量的坐标系来确定。张量可以基于节点或单元张量数据来定义。节点张量值由单元张

量值而来,并当“Tensor”工具被指定到其它工具时使用。 Vector:矢量工具用于显示具有矢量数据的节点或单元,这些矢量可以用分量表示,

也可以用合成量表示。矢量可以被赋予颜色并根据其大小进行比例缩放,也可以被指定到模

型的实体、等值面、流线等工具。 Marker:图形符号工具用图标显示节点或单元的标量结果数据。这些图标可以根据

所表示量的大小进行着色和缩放。这些图标的形状可以是三角形、正方形、菱形、沙漏形、

十字形、圆、点、球形、立方体等。“Marker”工具能够被指定到模型的实体、等值面、流线等工具。

Value:数值工具可以将基于节点或单元的标量结果数据以文字的形式显示在图形中。数值文本的颜色可以指定为一种,也可以使其根据所表示数值的大小变化,变化将参照

当前的彩色图普。“Value”工具能够被指定到模型的实体、等值面、流线等工具。 Deformation:变形工具用于显示当前模型并在模型的变形状态下显示各种工具创建

的图形对象。变形工具每次仅能显示一个,其可以修改模型的显示以及其它各种工具的显示。

未变形模型的显示可以在变形工具的属性设置中控制。变形工具可以将任意节点矢量数据当

作变形来显示。 Cursor:鼠标工具允许用用鼠标左键选取节点或单元,用表格显示被选定节点、单

元的指定数据。按住鼠标左键不放,移动鼠标,则鼠标所经过的节点/单元的相应数据都将显示出来。被选中对象的 ID和相应的数据还将加入到鼠标工具的表格中,可以输出到文件。 上面概括介绍了【Insight】中的各种工具。在各种工具的定义过程中,都要指定相应的

属性以确定其特征,所有的工具都有一些共同的属性,如表 9-1所示。 表 9-1 各种工具的共同属性

属 性 说 明

Name 所创建工具的名称,由用户定义的字符串,用于唯一的标识所创建的工具。

Page 474: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

474

Type 工具的类型,前面介绍过的 13种工具中的一种。

Result(s) 要用所创建工具来显示的一系列工况和相应的结果,基于等值面的坐标系指结果要参

考的坐标系和坐标轴。

Target 目标对象,即工具要显示哪些目标对象的结果。其可以是模型的的实体,或者是可指

定的工具(等值面、流线、流面)。

Display

Attributes

每种工具类型都有特定的设置以控制该工具类型如何显示。

Animation

Attributes

也是工具的一种属性,用于确定该工具是否要以动画形式显示,以及结果在动画中各

帧的设置。

Posting

Status

每种工具或者显示,或者不显示。

• •

【Insight】中的工具可以被指定到选定的模型实体,或者其它选定的工具。这些模

型实体可以通过显示的组列表来定义,也可以由显示的所有实体来定义。可以被指定的模型

实体和工具如表 9-2所示。 表 9-2 可以被指定的模型实体和工具

实体或工具 说 明

Element 单元,单元通常都会通过模型来显示。例如,被指定到模型单元的一个等值面将被显

示为穿过模型的一个平面,并与某个坐标轴正交。

Free Faces 自由面,自由面主要是模型的外表面,也包括模型内部空腔的表面。自由面适合于作

为“Fringe”的对象目标。云纹图一般用来显示模型表面和剖面。

All Faces 所有的面,即在单元的所有面上显示结果。

Free Edges 自由边,如果要显示与模型的边相关的结果,则选用这样的目标对象。

All Edges 所有的边,在单元的所有边上显示结果。用这种目标选择方法可以在线框模型上显示

结果。

Nodes 节点,在模型的所有节点位置显示结果,“Tensor”、“Vector”、“Value”、“Marker”

等工具都在节点位置显示结果。

Page 475: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

475

Corners 拐角,即在模型拐角位置的节点显示结果,“Tensor”、“Vector”、“Value”、“Marker”

等工具都可在拐角节点位置显示结果。

Isosurfaces 等值面,等值面是可选定的工具,等值面可以作为“Fringe”、“Tensor”、“Contour”、

“Element”、“Marker”、“Value”、“Vector”的目标对象,同时也可作为自己的

目标对象。指定到等值面上的工具图形显示的等值面将根据计算得到。

Streamline 流线,流线也是可以被选定的对象目标,其它工具如“Fringe”、“Tensor”、 “Marker”、

“Value”、“Vector”等工具都可指定到流线工具上。

Streamsurfaces 流面,流面对于工具“Fringe”和“Contour”也是可选的。

• • • •

• •

除过这些工具,【Insight】中还有一些概念需要说明,这些概念中有些是【Insight】中独

有的,有些是其它模块也有的,现介绍如下: Named Posting:由用户定义的成组的同时显示的多个工具图形。 Post:显示实体。 Unpost:将显示的实体从当前视窗中移走。 Range:Patran中定义的一个实体对象,可理解为一个梯度和范围,分成若干级(在

【Insight】中为 1~12级),由一系列的门槛值来定义这些级。“Range”用来确定结果值的参考彩色谱。“Range”中个门槛值由一个表来定义,可参见 13.5节。

Viewport Range:【Insight】中当前视窗使用的“Range”。 Auto Range:其也是一个“Range”,但不是数据库中的实体,自动地根据结果值计

算生成。这类“Range”可以动态的操作,确定其两个端点值和中间的级数。 Rake:是数据库中的一个实体,用于描述一组节点,在“Streamline”和“Streamsurface”

工具中使用,作为流线流面的起点。 Reduced Rendering:一种图形渲染方式,当执行不同的任务时消除曲面的渲染,其

只显示被填充面的矢量线。这种方法主要是为了提高运行速度而简化了渲染。 在【Insight】中,可以动态的进行交互控制,例如,当在模型中移动等值面时,可以操

作赋予“Isosurface”工具的颜色及其范围,同样,对于静态和瞬态结果的动画的创建和控制也可以动态的进行。

Page 476: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

476

9.1.2 Insight的一般使用步骤

后置处理模块【Insight】的使用是基于其结果显示工具的创建和操作的,所以,使用该模块的第一步就是创建各种结果显示工具。如图 9-1所示,在【Insight】面板的“Action”项中选“Create”,相应的“Tool”中有可创建的 13种图形处理显示工具。创建一个工具有五个基本步骤:

(1) 在“Tool”对应的下拉式按钮菜单中选择相应的工具类型; (2) 用按钮 打开【Results Selection】面板,选择要

显示的结果。对于“Isosurface”工具来说,也可以用 按

钮打开【Isosurface Coordinate Selection】面板以选取坐标系,并且在选择结果或坐标系的同时要指定数据的初始值,其值可以是一个值,也可以是多个值,分

别用于 2、3、4、5等值面; (3) 用类似于 的按钮打开相应的属性设置面板,设

置要创建工具的属性。; (4) 用“Target”相对应的下拉式按钮菜单为要创建的工具选择目标对象; (5) 单击 按钮,生成工具,创建的工具将显示在已有的该类工

具的列表框中。 一个工具被创建之后,可以通过“Modify”操作对其进行修改。创建的多个工具可同时

显示,例如可以将云纹图工具与等值面工具同时显示,如果等值面是坐标等值面,则可以用

云纹图显示某一坐标平面上 von Mises应力等结果的分布;如果等值面是 von Mises应力等值面,则可以以用云纹图显示等值面上其某一份量的分布。用“Deformation”工具也可以显示变形,冲击造成的碎片等。 一旦一个或一组工具被创建并显示,可以通过 Patran界面上的主菜单【Insight Control】

移动等值面、创建动画、管理参考彩色谱的范围的设置、显示/不显示某图形工具等。用菜单中的“Isosurface Control”项,可以重新设置等值面的值,从而移动正在显示的等值面。利用菜单中的“Post/Unpost Tools”工具项,可以显示已创建的工具,也可以将正在显示的某个工具从屏幕上删除。

Page 477: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

477

9.2 创建 Insight工具

下面,将对创建各种显示工具的过程详细加以介绍,其中,以“Isosurface”工具的创建展示工具的创建过程,而其它工具不再介绍整个过程,而是重点介绍各种属性的设置选项。

9.2.1 创建等值面(Isosurface)

这里,将以创建分析结果等值面的过程,介绍创建各种工具的过程,如图 9-2 所示。在【Insight】面板的“Action”中选择“Create”,在“Tool”中选择“Isosurface”,则可创建“isosurface”等值面。

Page 478: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

478

图 9-2 创建等值面

在【Insight】中,创建的每一个工具都有一个独立的名称,在图 9-2的“Isosurface Name”中,输入要创建的“Isosurface”名称,也可以使用缺省的名称。在“Existing Isosurface”项中,显示了当前已经创建的“Isosurface”工具。 前面说过,等值面可以与计算结果相关,也可以与坐标相关,即将所有计算结果等于指

定值/坐标值等于指定值的相邻点相联接构成的曲面。在图 9-2中,“Isosurface Value”有两个

Page 479: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

479

选项,当选择“Result”项时,取计算结果值;选择“Coord”项时,取坐标值。这里,选取“Result”项,取结果值。 接着,就要确定结果值的确定,单击 按钮,会弹出如图 9-3所示

的【Result Selection】面板,用来选择要显示的结果。图中个部分的功能总体来说,有两个文本框,四个按钮。“Current Load Case(s)”文本框中显示了当前可选的所有分析结果工况,可一次选中一个或多个结果工况,图中是一个线性静态分析的结果缺省工况,将其选中。

“Isosurface Result”文本框中显示了相对于被选中结果所有的可选项结果,对于被选中的线性静态分析,可选结果有应力、位移、约束力等。

图 9-3 选择要显示的结果

图 9-3中的四个按钮的功能各不相同。 按钮用来更新被选中工况

的结果,即更新“Isosurface Result”文本框中的内容。 按钮可打开如

图 9-4 所示的【Animation Attributes】面板,可以进行结果动画显示的属性设置。选中了图9-4中的“Enable Animation”项,才可以进行动画显示。动画类型“Animation Type”项有三个选项:如果其下面的“Global Variable”文本框中有可选的全局变量,则“Global Variable”项可选,即以全局变量作为变量以动画形式显示结果;“Ramp”项则是对要显示的结果进行

Page 480: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

480

正则化处理,使其值在 0~1.0 之间,再进行显示;“Sinusoid”项则是以正弦方式处理结果,使结果在-1.0~+1.0之间。所选择的结果如果有全局变量。则所有的全局变量会显示在“Global Variable”文本框中。

图 9-4 动画属性设置

在图 9-3中,单击 按钮,可打开如图 9-5所示的【Result Isosurface Setup】面板,用于设置等值面的个数以及每个等值面所代表的值。各量的设置既可以用游标拖动设置,也可以在相应的文本框中直接输入数据设置。图中最上部的游标两端的值显示了

所选结果值的最小值和最大值。在“Isovalue”对应的文本框中,显示了用游标选择的等值面所代表的值,如果有多个等值面,则该值为等值面所代表值的起始值,“Ending Value”框中的值为等值面所代表值的终了值,其它各面的值均匀的插入到这两个值之间,这些面是等差

分布的。“Number of Isos”项用来设置等值面的个数。所有的选项都设置好之后,单击确认。

Page 481: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

481

图 9-5 设置等值面的个数及所代表的值

在图 9-3中,单击 项,可打开如图 9-6所示的【Result Options】面板,其可以对所要显示的结果选项进行详细的选项设置。

Page 482: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

482

图 9-6 结果选项的详细设置

在图 9-6中,有多个选项设置,下面分别说明。“Current Result”的文本框中显示了当前选定的结果类型,如应力张量。如果在图 9-3中选择了多个结果工况,则在设置各种参数时,各结果工况之间可能会出现冲突,所以,要选定某一个结果工况作为缺省的参考,此时,所

有被选中的结果工况都会出现在“Select Default Load Case”文本框中,从其中选择一个作为

Page 483: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

483

缺省工况,作为设置的参考。此处,只选择了一个工况,所以,“Select Default Load Case”文本框中是空白的。 如果要显示的结果与层相关,如应力张量,其在单元的不同位置可能会有不同的值,此

时,可用“Layer Position”对应的下拉式按钮菜单选择某一层,此处,选择的应力张量与层无关,所以显示“NON-LAYERED”。 等值面只能显示标量,而应力是张量,所以要对其进行转换,或是选择某一分量,将其

作为标量来显示,在“Tensor To Scalar Transform Method”对应的下拉式按钮菜单中,选择转换方式或分量,例如 von Mises应力、各分量、各主应力、平均值、最大剪应力等。 一般来说,与单元相关的结果有三种处理方法,在“Result Mapping”中,可选择一种使

用。“Element Constant”方法将会对与每个单元相关的选定结果取平均值,从而得到一个单一的值;“Nodal Value”方法将会在节点处得到一个值,其是与该节点相关的所有单元的外推节点值的平均值;“Element Nodal”方法将保持单元节点的所有值,不取平均值。 如果要对结果进行坐标变换,则应选中“Transform”项,同时在“Coordinate Frame”中

指定相应的坐标系。 所有的选项设置都完成之后,单击 确认。 在图 9-2中,单击 按钮,可打开如图 9-7所示的面板,可进行图

形显示的相关设置。

Page 484: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

484

图 9-7 设置等值面的显示属性

在图 9-7中,可设置图形显示的颜色和方式等。“Isosurface Name”项用来指定等值面工具的名称。“Color”项用来选定等值面的显示颜色,其中“Mapped”表示显示颜色将对照当前的参考彩色谱颜色范围的设置进行选择。 “Transparency”项用来设置等值面的透明度,“0.0”表示不透明,“1.0”表示完全透明。

完全透明的等值面通常作为其它工具的目标对象。 如果选中“Clip at Isosurface”项,则可在等值面处将模型切割开来,并按给定的方式显

示。在“<Display”项中可以选择模型中大于等值面起始值的的部分的显示方式,如透明、线框、自由边等方式;在“>Display”项中可以选择模型中小于等值面终了值的的部分的显示方式。 完成了这些选择和设置,回到图 9-2中。在图 9-2中,若选中“Post Tool on Apply”,则

当所创建的工具图形完成时,就将其显示出来。在“Target”相对应的下拉式按钮菜单中,可以选择该工具的目标对象,如果选中“Use All Posted”项,则将该工具指定到整个模型,否则,可在“Target Groups”中选择不同的组,以限定目标对象选择的范围。 如图 9-8 所示,该图为一静力作用下的模型,其四个角上四个孔的内面加固定约束,底

面上十个小孔的内面施加斜向拉伸载荷,对其进行静力分析。

Page 485: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

485

图 9-8 静力作用下的模型

对该静力分析结果创建了有 5个应力等值面的结果等值面显示工具,其等值面图如图 9-9所示。

图 9-9 模型的 5个应力等值面结果显示

如果要建立的是关于坐标的等值面,则可用 按钮打开如图 9-10所示的坐标选择【Isosurface Coordinate Selection】面板,在该面板中,可以选择一个坐标系及一个坐标轴,第一个等坐标值(关于选定轴)的等值面,最后一个等值面的坐标值,以及

等值面的个数。

Page 486: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

486

图 9-10 定义关于坐标轴的等值面

9.2.2 其它工具方法的属性设置(Attributes)

其它工具方法的定义与等值面“Isosurface”的定义类似,只是属性的设置不同,所以,下面主要介绍一下其它工具定义时的属性设置。

• Streamline Attributes:在定义流线工具时,单击 按钮,打开如

图 9-11所示的流线属性设置面板【Streamline Attributes】,可以对流线定义的属性进行设置。该面板中,“Color”项用来设置流线的颜色。“Style”项用来设置表示流线的曲线的类型,如实线、虚线、点画线、圆柱形线等。“Stream Width”项用来设置流线的宽度。在“Existing Rake(s)”中,显示了当前已经定义的所有 Rake,定义流线工具,必须选择一个 Rake,其是一组节点,将作为流线的起点。

Page 487: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

487

图 9-11 流线工具定义的属性设置

• 如果没有定义好的 Rake,则可单击图 9-11 中的按钮 ,打开

如图 9-12所示的面板定义 Rake。在“Rake Name”中,输入一个字符串作为要定义的新 Rake的名称。“Existing Rake(s)”中显示了已经创建的所有 Rake。在“Primary Nodes”中指定节点,此处,Patran不支持屏幕取点,需要直接输入。

Page 488: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

488

图 9-12 定义 Rake

• Streamsurface Attributes:定义流面工具时,单击 按钮,打开

如图 9-13所示的面板【Streamsurface Attributes】,设置流面的属性。“Color”项用来定义流面的颜色。“Style”项用来定义流面的显示方式,如实体、点画线等。“Stream width”项用来定义流面的宽度,其值在 1~10之间,可以用游标移动选择,也可以直接输入。“Transparency”项用来定义流面的透明度,“0”表示不透明,“1.0”表示完全透明。“Ribbon Scale”用来定义流面宽度因子,该因子乘以屏幕的尺寸即为流面的宽度。类似于流线中 Rake 的定义,

按钮打开的面板用来定义 Rake。

Page 489: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

489

图 9-13 流面工具定义的属性设置

• Fringe Attributes:在定义云纹图工具时,用按钮 打开如图 9-14所示的面板【Fringe Attributes】,设置云纹图的属性。“Transparency”项用来设置云纹图的透明性。“Edge Display”项用来选择是否显示轮廓线。“Edge Width”项用来确定轮廓线的宽度。“Style”项用来选择轮廓线的显示类型。“Element Display”项用来选择是否显示单元的边线。“Continuous Tone”项用来选择是否以连续色调显示云纹图。“Shrink Factor”用来设置云纹图的缩小因子,即云纹图相对于所选择的目标曲面的缩小程度,“0.0”表示不缩小,“1.0”表示完全缩到单元的质心点。

Page 490: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

490

图 9-14 云纹图工具定义的属性设置

• Threshold Attributes:在定义门槛值工具时,用按钮 打开如图

9-15 所示的面板【Threshold Attributes】,设置门槛值工具的属性。“Color”项用来设置门槛值图的颜色,“Transparency”项用来设置门槛值图的透明性。“Edge Width”项用来设置显示时边的宽度。“Edge Display”项选择是否显示边。

Page 491: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

491

图 9-15 门槛值工具定义的属性设置

• Contour Attributes:在定义等值线工具时,用按钮 可打开如图

9-15所示的面板【Contour Attributes】,进行等值线属性的设置。“Color”项用来设置等值线显示时的颜色。“Style”项设置等值线的线型。“Label Frequency”项用来设置等值线的参考彩色谱级别标签的频率,设为“0.0”将不显示标签,设置为非零数将沿等值线显示该标签。“Contour Width”项用来设置等值线的宽度。

Page 492: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

492

图 9-16 等值线工具定义的属性设置

• Element Attributes:在定义单元工具时,单击 按钮,可打开如

图 9-17所示的面板【Element Attributes】,用来设置单元工具的属性。“Color”项用来设置单元工具显示时的颜色。“Shrink Factor” 用来设置单元工具图的缩小因子,即单元图相对于所选择的目标曲面的缩小程度,“0.0”表示不缩小,“1.0”表示完全缩到单元的质心点。“Element Fill”项设置显示时单元是否被填充,即用相应的色彩显示单元或者用线框显示单元。

图 9-17 单元工具定义的属性设置

Page 493: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

493

• Tensor Attributes:在定义张量工具时,单击 按钮,可打开如

图 9-18所示的面板【Tensor Attributes】,用来设置张量工具的属性。张量在显示时,用一个立方体和表示各分量的箭头来显示,所以,其属性设置也就包括两个部分。在图 9-18中的左半部分“Tensor Box Attributes”,设置立方体的属性,右半部分“Tensor Vector Attributes”设置张量矢量的属性。“Color”项用来设置立方体/分量的显示颜色。“Tensor Scale”/“Vector Scale”是立方体/张量中矢量显示时大小的参考方式,有两个选项,“Values”表示根据其所表示值的实际大小乘以一个比例因子显示,“Screen”表示以屏幕尺寸乘以一个比例因子来显示“Scale Factor”项即为要乘的比例因子。

图 9-18 张量工具定义的属性设置

在图 9-18中,选定“Tensor Box Display”则显示张量立方体,否则将不显示。选定“Tensor Box Fill”项则填充张量立方体,否则不填充。“Tensor Display”项用来确定张量显示时的参考方向,“Principals”表示以主应力方向为参考,“Component”表示以坐标系定义的方向为参考。“Vector Width”项用来设置张量的矢量显示时的线宽。“Shear Vector Display”项控制着是否显示张量的剪切矢量。“Vector Fill”项控制着是否显示矢量的带箭头的多变形。

Page 494: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

494

• Vector Attributes:在定义矢量工具时,单击 按钮,可打开如

图 9-19所示的面板【Vector Attributes】,用来设置矢量工具的属性。“Color”项用来设置矢量的显示颜色。“Vector End”项设置矢量显示时与实际结果值所在部位的连接方式,“Head”表示矢量箭头所指位置为其表示结果的实际位置,“Tail”表示矢量尾部所在位置为其所表示结果的实际位置。“Vector Scale”项用来选择矢量显示时大小的参考量,即参考其所表示的结果值的大小或者屏幕的大小,有两个选项,“Values”表示根据其所表示值的实际大小乘以一个比例因子显示,“Screen”表示以屏幕尺寸乘以一个比例因子来显示“Scale Factor”项即为要乘的比例因子。“Vector Display”项用来设置矢量的显示方式,“Resultant”表示以合成量的形式显示矢量,“Components”表示以分量的形式显示矢量。“Vector Width”项设置矢量显示时的线宽。“Double Head”项用来设置是否以双头方式显示矢量。“Vector Fill”项设置是否以带箭头的多边形方式显示矢量。“Reflection”项设置是否显示反射矢量。“Tail Display”项用来设置是否显示矢量尾部。

Page 495: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

495

图 9-19 矢量工具定义的属性设置

• Marker Attributes:在定义图形符号工具时,单击 按钮,可打

开如图 9-20所示的面板【Marker Attributes】,用来设置矢量工具的属性。其中“Color”项用来设置图形符号显示时的颜色。“Type”项设置图形符号的形状,有多种形状可供选择,例如三角形、四边形、菱形、沙漏形、圆、点、球形等。“Scale”和“Scale Factor”两项用来设置图形符号的显示大小。

Page 496: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

496

图 9-20 图形符号工具定义的属性设置

• Value Attributes:在定义数值工具时,单击 按钮,可打开如图

9-21所示的面板【Value Attributes】,用来设置数值工具的属性。“Color”项用来设置数值显示时的颜色。“Format”项设置数值显示时的格式,其有四个选项,包括指数形式、定点小数形式、整数形式等。

图 9-21 数值工具定义的属性设置

• Deformation Attributes:在定义变形工具时,单击 按钮,可打

开如图 9-22所示的面板【Deformation Attributes】,用来设置变形工具的属性。“Scale”和“Scale Factor”两项用来设置变形图的显示大小。选中“Undeformation Model”项,则可设置未变

Page 497: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

497

形模型(与变形模型进行对比)的显示方式和颜色。“Color”项用来设置未变形模型的显示颜色,“Style”项用来设置未变形模型的显示方式,如线框、自由边、透明方式等。

图 9-22 变形工具定义的属性设置

• Cursor Attributes:在定义鼠标工具时,单击 按钮,可打开如

图 9-23所示的面板【Cursor Attributes】,用来设置鼠标工具的属性。“Color”项为由鼠标指定的数据设置颜色。“Format”项为显示的数据设置显示格式,例如指数形式、定点小数、整数等。“Cursor Display”项设定是在鼠标点击处显示数据还是显示节点/单元的 ID。如果选定“Display Values Form”项,则同时用表格显示数据。

Page 498: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

498

图 9-23 鼠标工具定义的属性设置

9.2.3 Insight Control菜单的使用

【Insight Control】菜单位于 Patran界面最上部的菜单区,其只有当【Insight】工具打开的时候才可用。 菜单共有 7项,分别用于控制各工具的生成和结果的显示,如图 9-24所示,下面就一一介绍。

图 9-24 【Insight Control】的菜单项

• Post/Unpost Tools:在【Insight Control】菜单中,单击“Post/Unpost Tools”项,会打开如图 9-25所示的面板【Post/Unpost Tools】,用于显示/删除显示工具图形。在【Insight】中创建的所有图形工具都将显示在“Select Tools to Post”的文本框中,选择其中的一个或多个进行显示,也可以用按钮 取消对所有工具的选择。

图 9-25 显示/删除显示工具图形

Page 499: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

499

图 9-25中的 按钮用来进行“Named Posting”(命名显示)选项设置,其可打开如图 9-26所示的面板。命名显示是一组显示工具的集合,可作为一个独立的显示单元来操作。此处,可以创建、重命名、删除命名显示,也可以查看其信息。已创建的命

名显示都会显示在“Named Postings”的文本框中,可以用“Post Selected”按钮来选择某个命名显示以对其进行显示。

图 9-26 命名显示的选项设置

• Isosurface Controls:在【Insight Control】菜单中,单击“Isosurface Controls”项,会打开如图 9-27所示的面板【Isosurface Control】,用于控制和管理等值面工具“Isosurface”。在等值面工具“Isosurface”中创建的所有等值面项都会显示在图中的“Isosurface to Control”文本框中,可在其中选择一个以将其激活进行动态控制。等值面有两种类型,基于计算结果

的与基于坐标的,被激活的的等值面所属的类型信息将显示在“Isosurface Result”项中。对于等值面所代表的值,则可以动态的变化以显示不同位置的值/不同值所在的位置,在“Form Actions”中选择“Immediate”项,则可以动态的拖动“Isovalue”和“Ending Value”对应的游标或在相应的文本框中直接输入值,此时,等值面会动态的改变以显示所要求的结果,也

可以选择“Upon Apply”项,接着在“Isovalue”和“Ending Value”中指定等值面工具的起始值和终了值(一个等值面工具可能有多个等值面),并单击 确认,该输入才会显

示。

Page 500: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

500

图 9-27 等值面的控制

• Range Control:在【Insight Control】菜单中,单击“Range Control”项,可打开如图 9-28所示的面板【Range Control】,用于控制参考彩色谱的范围“Range”。与参考彩色谱范围相关的已创建的工具都将显示在“Select Tool For Active Range”中,选中需要显示或修改彩色普对比条的工具以激活它。

Page 501: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

501

图 9-28 参考彩色谱颜色和分级的设置

图 9-29中,“Form Actions”的“Immediate”和“Upon Apply”项的作用与“Isosurface Control”中的类似。选中“Freeze Range Values”项,则会冻结当前参考彩色谱的设置,否则,其将随实际需要自动变化。在“Active Range Method”中选择一种方法以向参考彩色谱分配颜色,“Auto”方法将根据实际显示值的需要自动的分配颜色并显示,“Viewport”则是将当前的设置值直接应用于显示。“Default Range Method”项用来给其它显示工具的参考彩色谱分配颜色,“Auto”项将根据结果/坐标值自动分配,但此时显示的颜色可能与创建时的颜色不同,不过可以很好的定性显示结果,“Selected Tool”方法则可以保证两者的一一对应,但却不会在激活的工具中产生变化颜色,“Viewport”方法则是将当前的设置值直接应用于显示,而与动态显示无关。如果在“Active Range Method”中选择了自动方法“Auto”,则可在图左边的三个文本输入框中输入参考彩色谱颜色的范围及分级数。

Animation Control:在【Insight Control】菜单中,单击“Animation Control”项,可打开如图 9-29所示的面板【Animation Control】,用于控制已创建的各种工具的动画显示。图中,用 按钮可根据已有的工具创建动画,用 按钮可清除已创建的动画。

Page 502: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

502

选中“Pause/Stop Animation”项,可以暂停/停止动画的播放。“Animation Method”有两个选项,用来指定动画的显示方式,“Cycle”表示动画按照设定的起始帧、终止帧和帧数循环显示,“Bounce”则表示动画在起始帧与终止帧之间“震荡”。而使用 按

钮则可一帧一帧的手动控制显示动画。“Start Frame”和“End Frame”分别用来设定动画的起始帧和终止帧。“Current Frame”的文本框中显示了动画播放过程中的当前帧。用“Animation Speed”项的游标,可以设定动画播放的速度,选中“Reduced Rendering”项,则会用简单的渲染方法渲染动画,这样可以提高系统的运行速度。

图 9-29 动画显示控制

在图 9-29中,单击 会打开如图 9-30所示的面板【Animation Setup】,其用于选

Page 503: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

503

定工具以创建动画。“Animation Mode”项对应一个下拉式按钮菜单,其共有四项,用于设定动画显示的模式,“Animate Tool-3D”表示要创建三维动画,这样的动画在播放过程中可以用鼠标拖动以从不同角度观看,“Animate Tool-2D”创建的是二维动画,其在播放过程中只能从一个角度观看,“Animate Images-2D”可以任意的存取动画的每一帧的图像, “Create Images-2D”则将当前动画存储为一个文件,以后可以调用显示。

图 9-30 根据选定的工具创建动画

在图 9-30中的“Animation Tool(s)”和“Non-Animation Tool(s)”两项中,列出了当前已创建的所有显示工具,但“Animation Tool(s)”中列出的是对于选定的模式可以创建动画的显

Page 504: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

504

示工具,从中选择要创建动画的显示工具(此时,动画属性设置面板会弹出来,可以进行属

性设置),而“Non-Animation Tool(s)”中显示的是不能创建动画的显示工具。 “Frames”项则用来设置动画的帧数,最大可到 60帧。对于 2D动画,选中“Save Frame

to Files”项,则可以将其存储到文件中,以后再调用显示,这样存储的是一组文件,动画的每一帧存储为一个文件,文件都同名,但在尾部加数字标号标出对应的帧,可以用按钮

打开的面板指定文件的存储路径和名称。当所有选项都设置完毕,单

击 按钮,则会出现相应的动画显示。 对于存储为文件的动画,可以在图 9-30 中用按钮 打开的面板选

定(选定其中一个文件即可),如图 9-31所示,然后单击 按钮,则存

储到文件中的动画就显示出来。此时,一般不要选定“Save Frame to Files”项,除非想覆盖掉已有的文件。

图 9-31 读入存储的动画文件

• Modal Animation:在【Insight Control】菜单中,单击“Modal Animation”项,可打开如图 9-32 所示的面板【Modal Animation】,用于快速的创建模态的动画显示。用按钮

选择要显示的模态结果,其将打开如图 9-3所示的面板。当选定了结果之后,相应项将显示在“Current Modal Load Case”和“Current Result”中。用“2D Mode”或“ 3D Mode”项可选择使用 2D/3D 模式显示动画。当选项都设定之后,单击

按钮初始化动画,如果要结束动画的播放,单击 即可。

Page 505: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

505

图 9-32 创建模态动画

Rake Control:关于【Insight Control】菜单中的“Rake Control”项,可参见图 9-12部分的内容。

Cursor Results:在【Insight Control】菜单中,单击“Cursor Results”项,可打开如图 9-33所示的面板【Cursor Results】,用于鼠标工具操作结果显示和输出。在“Cursor Tool Summary”中,显示了当前鼠标工具的一些总结性信息,例如鼠标工具的名称、所选择的结果工况、结果类型(如应力)、可显示的实体等。在“ID List”中,显示了当前选中的对象的标号,如果选中“Cascade Spread Sheet”项,则所有选中的对象将依次列在其中,同时,被选中对象的值将列在表中。

Page 506: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

506

图 9-33 鼠标工具结果的显示和输出

同时,鼠标工具的结果也可以用文件输出,在图 9-33中,单击 按

钮,可打开如图 9-34 所示的面板。输出时,可以详细的控制输出的格式,可用按钮和 打开相应的面板完成输出格式设置。

Page 507: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

507

图 9-34 输出鼠标工具的结果

一般来说,【Insight Control】菜单中各项功能都应该与相应的【Insight】工具项配合使用,这样才能充分发挥其强大的结果处理功能,使结果的处理得心应手。

9.3 修改和删除已创建的显示工具(Modify、Delete)

对于已经创建的显示工具,可以修改也可以删除,在【Insight】面板的“Caction”中选择“Modify”或“Delete”即可进行相应操作。

9.3.1 修改已创建的显示工具(Modify)

在【Insight】面板中的“Action”中选择“Modify”,在“Tool”中选择要修改的显示工具类型,例如等值面“Isosurface”,如图 9-35所示。在“Existing Isosurfaces”中,列出了所有已创建的等值面工具,从中选择要作修改的对象。

Page 508: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

508

图 9-35 修改等值面工具

修改一个已创建的显示工具,从本质上讲与创建一个显示工具没有区别,所有的操作和

设置都非常类似,唯一的不同在于依据的“模板”不同,创建时依据的是系统的缺省设置,

而修改时依据的是被修改的显示工具。

Page 509: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

509

9.3.2 删除已创建的显示工具(Delete)

对于已经创建的显示工具,也可删除,在【Insight】面板中的“Action”中选择“Delete”,在“Tool”中选择显示工具的类型,也可以选择“All Types”以不受类型限制而可以对所有类型的显示工具进行操作。在“Existing Tools”中,选择要删除的显示工具,则被选中的对象会列在“Tools to Delete”中,单击 ,则被选中的显示工具将被删除。

图 9-36 删除显示工具

Page 510: MSC PATRAN从入门到精通

9.4 本章小结

本章主要介绍了 Patran的高级后置处理功能,包括像等值面、流线、流面、云纹图、变形图、鼠标等工具。这些工具提供了强大的后处理功能,特别是对一些复杂的分析结果的显

示非常有用,如 Dytran的冲击结果、Marc的非线性分析结果等。 由于各种工具定义的方法过程都比较类似,所以本章在组织的时候,只选择了等值面

“Isosurface”工具的创建过程详细介绍,而对其它工具,只选择其不同的属性设置部分来介绍。虽然各种方法的使用比较类似,但其功能各异,作用也不同,在使用时应多加注意。 与【Insight】工具相对应的菜单项【Insight Control】也是比较重要的一部分内容,在使

用和功能上两者相互补充,相互协调,可以更好地完成结果的显示,同时,与【Insight】相关的菜单项还有好几个。

Τ

510

Page 511: MSC PATRAN从入门到精通

第 10章 不同工况的处理(Load Cases)

在前面的章节中,已经多次提到过工况(Load Case),工况是对载荷和约束条件的分类和组合,是对同一模型在不同条件下的不同边界条件的模拟,其由用户指定的唯一的名称独

立标识。使用时,一般先在【Loads/BCs】中将所有可能的载荷和约束统统定义,然后,在【Load Cases】中对载荷和约束条件进行组合,以模拟不同的边界条件。 当然,对于简单的模型,其工作情况只有一中,也就不用定义不同的工况了,只须在

【Loads/BCs】中定义即可,这些边界条件将自动添加到“Default”工况中。 本章的主要内容:

Τ

511

• • • •

关于工况的相关说明 创建、修改工况 显示工况 删除工况

10.1 工矿介绍(Load Case)

在Patran界面的工具栏区,单击工具图标 ,即可打开工况操作的面板【Load Cases】,在其中可以创建、修改、显示、删除工况。下面介绍一下与工况相关的一些问题。

Patran 中的工况“Load Case”与 Nastran 中的“Subcase”相对应,所以,对于 Nastran中的线性分析,“Load Case”是对边界条件的选取和组合,而对于非线性分析,则是对加载历程的描述。在生成 ABAQUS输出文件时,“Load Case”与“STEP”相对应。 工况有两种,即静态的(Static)和与依赖于时间的(Time Dependent),静态工况不包含

与时间相关的边界条件;依赖于时间的工况则可能含有与时间相关的边界条件或应用于瞬态

分析、频率响应等动态分析。

Page 512: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

512

工况中的边界条件是有优先级的,当同一个工况中的不同边界条件之间产生冲突时,则

通过优先级来确定哪个边界条件起作用。在创建工况时,可以指定各边界条件的优先级。 工况中的每一个边界条件都有一个缩放系数,其缺省值是 1.0,当两次不同的分析所施加

的边界条件只有大小不同时,只需要修改相应的缩放系数就可以将一个分析的边界条件改为

另一个分析的边界条件,简单方便易用。同时,每一个工况作为一个整体也有一个缩放系数,

其缺省值也是 1.0,可以对工况中所有的边界条件进行缩放。 一般来说,都有一个工况是当前工况,如果没有人为的设定,当前工况为“Default”工

况,其是系统默认的工况,所有创建的边界条件都将自动地加入到该工况中。当前工况影响

着边界条件的显示,只有属于当前工况的边界条件才会被显示出来。另外应该说明的是,缺

省的当前工况“Default”是静态工况,如果要使用与时间相关的工况,则必须另外定义并将其设置为当前工况。 如果一个静态载荷或约束被加入到依赖于时间的工况或动态问题的工况中,则其将被视

为依赖于时间的,只是随时间的变化为零而已。如果不删除,工况的信息将一直保存在数据

库中,并可随时修改。

10.2 创建及修改工况

在 Patran主界面的工具栏区,单击 工具图标,可打开如图 10-1所示的面板,用于创建、修改,显示、删除工况等操作,图中的“Action”对应的下拉式按钮菜单中有四项,“Create”、“Modify”、“Show”和“Delete”,分别对应各项操作。下边,就介绍创建工况的方法和过程

Page 513: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

513

图 10-1 创建工况

10.2.1 创建工况(Create)

在【Load Cases】面板的“Action”对应的下拉式按钮菜单中选择“Create”项,如图 10-1所示,开始创建工况。图中的“Existing Load Cases”文本框中列出了已有的工况。在“Load Case Name”项中输入要创建工况的名称,其是工况唯一的标识,对工况的操作都通过相应的名称进行。 如果选中“Make Current”项,则所创建的工况将成为当前工况。

Page 514: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

514

前面介绍过,工况有静态工况和依赖于时间的工况,图 10-1中的“Load Case Type”项就是用来选择所要创建的工况的类型的,其对应的下拉式按钮菜单有两项,“Static”和“Time Dependent”,选前者,则所创建的工况为静态工况,选后者则其将依赖于时间。 在“Description”项中,可以输入对所创建工况的描述,以说明该工况的特征或创建的

目的,这样,在使用时比较方便。“Load Case Scale Factor”项用来设置工况的整体缩放系数,其作用前面已经介绍了。 在图 10-1中,单击 按钮,可以打开如图 10-2所示的面板,其用

于选择各种载荷及约束以加入到要定义的工况中来。在“Select Individual Loads/BCs”中,列出了所有已定义好的载荷及约束,用鼠标从中选择某项,则其可被加入到“Assigned Loads/BCs”列表中,如果确认,则其将会被加入到工况中。“Select Loads/BCs From Existing Load Cases”的文本框中列出了已经定义好的工况,它们也可以作为一个边界条件被选中而加入到新定义的工况中来。

Page 515: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

515

图 10-2 选择边界条件以加入到工况中来

被选中而列在“Assigned Loads/BCs”中的每个边界条件都三个属性,类型(Type)、缩放系数(Scale Factor)和优先级(Priority),用鼠标单击某个边界条件的相应属性,可以对其进行修改。优先级有三个选项,“Add”、“Average”和“Value”,“Add”表示将两个相互冲突的边界条件相加作为新的边界条件,“Average”则是取平均值,而“Value”项用输入的整数表示优先级,数值越小,表示的优先级越高,冲突时取优先级高的。 图 10-2 下部的三个按钮用来对“ Assigned Loads/BCs”列表进行操作,

按钮可删除选定的边界条件项, 按钮将删除所

Page 516: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

516

有的项, 按钮将取消上一步操作,但只能取消一步。 如果要对加入到工况中的边界条件进行更加细致的控制,可单击图 10-2 中的

按钮,其将改变图 10-2 使其变得如图 10-3 所示。此时,在“Select Individual Loads/BCs”和“Select Loads/BCs From Existing Load Cases”中选中的项首先出现在“Loads/BCs Scaling”中,可在“Additional Scale Factor”中为其设定一个缩放系数。

图 10-3 对加入到工况中的边界条件进行更细致的操作

要将“Loads/BCs Scaling”中的边界条件加入到“Assigned Loads/BCs”中有两种方法,

Page 517: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

517

“Overwrite”和“Combine”,如果要加入的项已存在于“Assigned Loads/BCs”中,则“Overwrite”方法将用“Additional Scale Factor”中的系数代替原来的系数,“Combine”方法则将“Additional Scale Factor”中的系数与其原来的系数相加作为其新的系数。其它操作基本与图 10-2中相同,这里不再累述。 当以上设置都完成之后,单击 确认,回到图 10-1所示面板,单击 ,

则完成工况的创建,此时,新建的工况将出现在图 10-1中的“Existing Load Cases”中。

10.2.2 修改工况(Modify)

修改工况与创建工况基本类似,在“Action”的下拉式按钮菜单中选择“Modify”项,如图 10-4所示。在“Select Load Case to Modify”中选择要进行修改的工况,在“Rename Load Case As”中输入新的名称。选中“Make Current”项,可将该工况设置为当前工况。其它操作与创建工况类似,可参考进行。

Page 518: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

518

图 10-4 修改工况

10.3 显示工况(Show)

对于已有的工况,可以查看其相关信息,在【Load Cases】面板的“Action”中选择“Show”,如图 10-5所示。“Current Load Case”下显示了当前工况。“Existing Load Cases”中显示了已有的所有工况,从中选取要查看的工况,“Load Case Type”项显示了选定工况的类型,例如

Page 519: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

519

“Static”。处过这些, 还有对工况的描述信息“Description”和工况的缩放系数“Load Case Scale Factor”。

图 10-5 察看工况信息

在图 10-5 中,当选定一个工况时,会弹出如图 10-6 所示的面板,以显示该工况所包含的各个边界条件及其属性。如工况的名称,各边界条件的类型、缩放系数、优先级等。单击

可将其关闭。

Page 520: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

520

图 10-6 工况所包含的边界条件

10.4 删除工况(Delete)

当某个工况不再需要时,可将其删除。在【Load Cases】面板的“Action”中选择“Delete”项,如图 10-7所示。在“Existing Load Cases”中,选择想要删除的工况,选中之后,单击

,则所选的工况即被删除。删除工况时,如果选中“Delete Loads/BCs Sets”项,则该工况所包含的边界条件也将被删除,但如果某个边界条件不只被一个工况所引用时,其

将不会被删除。

Page 521: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

521

图 10-7 删除工况

10.5 本章小结

本章主要介绍了什么是工况(Load Case),并着力介绍了工况的创建、修改、显示和删除方法。工况概念渐为简单,内容也较少,但在 Patran中,工况却是非常重要的,应用也非常广泛,在每一次的分析运算中,都要涉及到工况的问题。所以,要仔细理解和灵活应用,

对于多种载荷情况的结构和动态问题分析更为重要。

Page 522: MSC PATRAN从入门到精通

第 11章 场(Fields)

场(Field)是 Patran中一个灵活、强大、易用的工具,用于在对复杂模型进行分析时定义“变化”。通过场,可以定义多种多样的随时间、空间、材料属性等变化的的标量场和矢量

场。然后,在定义单元特性(Properties)、定义边界条件(Loads/BCs)、定义材料(Materials),以及用“Sweep”方法创建网格时调用。通过场,也可以将【Results】中的分析结果(例如温度场等)与新模型的边界条件相关联。 本章将介绍长的定义及应用,主要内容如下:

Τ

522

• • • •

关于场的介绍 创建、修改各种场 显示定义的场 删除场

11.1 Fields介绍

场通过简单而直观的方法,定义和操作复杂的数据,用于表达复杂的变化。用场可以定

义具有一个、两个、三个变量的载荷和约束条件;可以将温度、应变、应变率、时间、频率

等定义为材料属性的函数;定义好的场可以用于材料属性、载荷和边界条件、单元属性定义

等模块。场可以定义为标量,也可以是矢量。如果使用 Nastran 作分析,也可以定义复杂的标量场。 场的一个重要应用就是将一个有限元分析的结果应用于相同或者不同的几何体或有限元

模型。实标量、复标量、实矢量结果都可以应用。这一强大的功能多学科综合分析问题的求

解非常有用。例如,从几何模型建立的热分析模型在进行分析之后,再从该几何模型单独建

立结构分析模型,可读入热分析结果, 自动地加入到结构分析模型上。 下面就一些概念进行界定:

Page 523: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

523

场(Field):场是一组数据,通过独立变量之间的关系来定义。Patran中对场的变量可支持到 3D。场可分为三类:空间场(Spatial Field)、材料属性场(Material Field)和非空间场(Non-spatial Field)。场的创建有多种方法,例如通过表格输入、通过 PCL数学关系表达式定义,或者通过标量或矢量分析结果来定义。

空间场(Spatial Field):描述的是一个数据组,它们在实数坐标空间或参数坐标空间中变化。空间场可能是 1D、2D 或者 3D 的。在实坐标空间,场可以在选定的直角坐标系、柱坐标系、球坐标系中变化。在参数坐标空间,场将基于制定的单个实体的参数坐标 C1、C2、C3。空间场可以是标量,也可以是矢量。

材料属性场(Material Field):定义材料属性为温度、应变、应变率、时间、频率(作为材料状态变量)等定义为材料属性的函数,或者将这些变量中的两个或三个变量结合定义

函数。 非空间场(Non-spatial Field):定义一个标量场作为时间、频率、温度、位移、速度,

或者是用户定义的用于动态分析的变量的函数。 普通场(General Field):三类不同的场都可以通过“General”方法创建,通过该方

法创建的场可以称为普通场。场的函数项可以包含独立变量、常数、或者由数学符号连接的

PCL函数,这里的 PCL函数可以是用户定义的 PCL函数。 连续 FEM 场(Continuous FEM Field):对于空间场,可以通过“FEM”方法+

“Continuous”选项创建,这种场是基于有限元网格并与结果相关联的。连续 FEM场根据包含于某个组的值的图形显示创建,只要相应的网格和组被正确定义,则连续 FEM场即有效。无论何时,连续 FEM场在求值的时候都要进行自动插值,所以可以表达空间任何点处的值。

离散 FEM场(Discrete):离散 FEM场也就是 LBC场,是一个空间场,其由定义于单元或节点的值组成。离散 FEM 场可以根据通过 Patran 中间文件输入的边界条件创建,也可以通过用户界面创建。当一个离散 FEM场不与网格相关时,其仅仅定义于离散的点之上。离散 FEM场不进行插值,所以只能表达离散点处的值。 场是在【Fields】模块中定义,但不在此处使用,而是在【Loads/BCs】、【Materials】、

【Properties】等模块中选择和使用。空间场一般用于控制压力、温度等边界条件,当然,其也可用于控制位移和载荷;材料属性场则主要用于变化的材料属性的定义;非空间场则主要

用于指定时间、频率变化数据。

Page 524: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

524

11.2 创建场(Create)

场(Field)在使用之前,都必须先创建。在 Patran界面的工具栏区,单击 按钮,即

可打开【Fields】面板,可用于创建场。下面,就分别介绍各类场的创建方法和过程。每创建一个场,都要给定一个名字,作为其独立的标识,在选择、修改、应用时使用。

11.2.1 创建空间场(Spatial Field)

当单击工具图标 时,可打开如图 11-1 所示的面板【Fields】,在“Action”中选择“Create”,在“Object”中选择“Spatial”,即可创建空间场。

Page 525: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

525

图 11-1 创建空间场

创建空间场的方法有四种,打开图 11-1中“Method”对应的下拉式按钮即可以看到,如图 11-2所示。对应于不同的方法,有不同的选项和数据输入方法,下面就分别介绍各种不同的方法。

Page 526: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

526

图 11-2 创建空间场的方法

• PCL Function:在图 11-1的“Method”中选定“PCL Function”,即用 PCL函数方法定义空间场。在图 11-1中,进行相应的设置。在“Field Name”项中,输入要创建的场的名称。在“Field Type”中,选择场的类型,如标量“Scalar”,或者矢量“Vector”。在“Coordinate System Type”中选择坐标系的类型,如实坐标系“Real”(相对于复数 Complex而言),或者参数坐标系“Parametric”,在“Coordinate System”中输入或选择坐标系。在“Scalar/Vector Function”中输入函数本体,图 11-1中选择的是标量,若选择矢量,则对应的输入框如图 11-3所示,需要对三个分量分别定义。当函数定义完毕之后,单击 按钮,则相应的场即

被创建。

图 11-3 矢量场 PCL函数的定义

这里,所选择的坐标系即可以是实坐标系,也可以是参数坐标系,实坐标系可以是直角

坐标系(X Y Z)、柱坐标系(R T Z)、球坐标系(R P T),参数坐标系(C1 C2 C3)则是基于单个的几何实体而指定的。

PCL函数是任何有效的 PCL函数表达式,有效的变量可以是对应坐标系的坐标变量,也可以是用户定义的变量。如果要定义自己的变量,在图 11-1中,单击按钮,可打开如图 11-4所示的面板【Model Variables】,其专门用来定义用户变量。

Page 527: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

527

图 11-4 创建数值变量

在【Model Variables】面板中,可以创建、修改、显示、删除变量,有四种方法可以创建不同类型的变量,如数值变量(Value)、属性变量(Property)、材料变量(Material)和梁的尺寸变量(Beam Dimension)。 通过变量定义一些量有诸多好处,例如,要定义一个金属板,但其厚度还没有确定,想

跟据分析结果选择,此时,可以将该厚度定义为一个变量 t,在改变厚度时,只需要改变变量 t的值即可,而不必在每个牵扯到厚度的面板中分别进行修改,这样既方便,有不易出错。而且,这些变量也可作为场的变量,用于场的定义。 当在图 11-4中的“Method”中选择“Value”时,“Existing Variables”显示的是已有的变

量。在“Variable Name”项中输入要定义的变量的名称。在“Description”中输入对该变量的描述,说明该变量的用途。“Analysis Model Value”项中要输入的是该变量的初始值。而如

Page 528: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

528

果选中“Create Referencing Field”项,则在创建变量的同时,会根据该变量自动创建一个场,否则将只创建变量。关于变量的定义,也可参见 13.7.4节。 如果在【Model Variables】面板的“Method”项中选择“Property”方法,则可创建一应

用于单元属性的变量,之后,如果要改变单元的属性,只要改变相应变量的属性即可,如图

11-5所示。

Page 529: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

529

图 11-5 创建单元属性变量

在图 11-5中,已经存在的单元属性变量将会列在“Existing Variables”中,在“Variable Name”中输入要新建的变量的名称。在“Description”中输入其描述信息。在“Analysis Model Value”中输入其初始值。在“Dimension”中选择要创建属性变量将要应用的单元的维数,在“Type”中选择相应的单元类型。当选定了单元类型,模型中该类型单元的属性(Property)将显示在“Select Property Set”中,从中选择要对其定义变量的单元属性,则相对于该属性的可定义为变量的量则显示在“Select Property Name”中,例如板的厚度,将其选中,则可将该量定义为一个变量。如果要通过单元来选择“ Property Set”,则单击按钮

,可打开如图 11-6所示的面板,用鼠标选择单元以选取单元属性。

图 11-6 通过单元选择单元属性

如果在【Model Variables】面板的“Method”项中选择“Material”方法,则可创建一应用于材料定义的变量,这样,可简化材料定义的修改,如图 11-7所示。

Page 530: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

530

图 11-7 创建材料属性变量

在图 11-7中,已定义的材料属性变量将列在“Existing Variables”中。在“Variable Name”中输入要定义的变量的名称。在“Description”中输入对要定义的变量的描述和介绍。在

Page 531: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

531

“Analysis Model Value”中输入定义的变量的初始值。在“Category”项中选择材料的类型。当材料的类型选定之后,当前模型中已经定义的该类材料将显示在“Select Material”中,从中选中要定义变量的材料,则“Select Property Name”中将显示出可以定义为变量的量,例如模量、密度、泊松比、热传导系数等,选中要定义为变量的量。如果要通过单元选择材料,

则可单击 按钮,打开如图 11-8所示的面板,通过选择单元选取材料。当各输入项都确定无误后,单击 ,则该变量创建。

图 11-8 通过选择单元选取材料

在【Model Variables】面板的“Method”项中如果选择“Beam Section”方法,可定义用于有限元模型中梁单元截面的变量,如图 11-9(a)所示。

Page 532: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

532

图 11-9 (a) 创建梁单元截面变量 (b) 梁截面的选择

创建梁截面变量的选项与创建材料属性变量的基本相同,在选择梁单元截面形状时,可

以看到,包括了各种形状,如图 11-9(b)所示。 在创建了各种变量之后,可以通过改变其值对其进行修改,这样才能体现出变量的价值

Page 533: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

533

和作用。在【Model Variable】面板中,在“Action”中选择“Modify”,如图 11-10所示。已定义的该类变量将显示在“Select Variable To Modify”中,选中要进行修改的变量,则可在“Analysis Model Value”中改变其值,这样,于该变量相关的所有量的值将随之改变,当然,如不要忘了单击 对改变进行确认。

图 11-10 修改变量

对于变量,可以修改,也可以显示和删除,在【Model Variable】面板中选择“Show”或“Delete”即可进行相应操作,这里不再详细介绍。 用 PCL函数定义场时,PCL函数的输入有一定的语法要求,变量的左上方要加一个撇号,

如表 11-1所示,其给出了一些例子。 表 11-1 PCL函数表达式举例

数学表达式 PCL表达式

直角坐标 0.3x-0.7y 0.3*`X-0.7*`Y

Page 534: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

534

柱坐标 8.1r+0.1*θ*arcos(20.6z) 8.1*`R+0.1*`T*acosr(20.6*`z)

球坐标 20r3-φ 20*`R**3-`φ

参数坐标 11ξ1-7.5ξ2 11*`C1-7.5*`C2

时间 3.5sin(17t) 3.5*sinr(17*`t)

同时,PCL函数中定义了各种数学函数,下面给出一些常用的:SIND(angle)、SINR(angle)、

ASIND(n)、ASINR(n)、COSD(angle)、COSR(angle)、ACOSD(n)、ACOSR(n)、TAND(angle)、TANR(angle)、ATAND(n)、ATANR(n)、ATAN2D(y,x)、ATAN2R(y,x)、SQRT(n)、LN(n)、EXP(n)、LOG(n)、ABS(n)、SING(n)、NINT(n)、MAX(n1,n2⋯)、MIN(n1,n2⋯)。对于三角函数,以“D”结尾的表示其使用的角度是度,而以“R”结尾的表示其使用的角度是弧度。并且,PCL函数中的字符是区分大小写的。

• Tabular Input:创建空间场时,在【Fields】面板的“Method”中选择“Tabular Input”项,即用表格输入定义空间场,其可以在实坐标系中创建,也可以在参数坐标中创建,可以

定义标量场,也可以定义矢量场,如图 11-11所示。

Page 535: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

535

图 11-11 用表格输入定义空间场

图 11-11中,“Existing Fields”中列出的是已有的场。在“Field Name”输入要创建的场的名称。在“Coordinate System Type”中选择坐标系的类型,有两个选项,实坐标系“Real”和参数坐标“Parametric”,图中给出的是选择实坐标系的情形。在“Coordinate System”中输入或选择坐标系。选定了坐标系,例如直角坐标系,则要接着选择场的维数,即通过选择坐

Page 536: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

536

标 X、Y、Z 来确定要定义的场时 1D、2D 或者 3D 的。当这些都确定之后,单击按钮,打开如图 11-12所示的表格输入具体的值。

图 11-12 用表设输入数据

图 11-12中给出的是定义 3D场的表格,缺省情况下,该表格是 30×30×10的,可以用图 11-11 中的 按钮打开【Table Options】面板设置。表中,用两条粗黑线将坐标输入区和数据输入区分开,输入数据时,在“Data”中的“X”所在行的下一行中输入X的值,在“Y”所在列的右边一列中输入Y的值,而在其余的表格区输入数据,在

“Z”的输入框中输入 Z的坐标值。可以用 和 翻动表格,以在表格的不同层中输入数

据,“Layer”显示当前所在的表格层。输入数据时,用鼠标选中表格的相应项,在“Input Scalar Data”或“Z”中输入数据,然后回车即可。当所有的数据都输入之后,单击 确认。

1D和 2D的情况类似,只是简单些。 当选择参数坐标系时,则应该选定几何体,并在参数坐标下输入,如图 11-13 所示。此

时,不是选择坐标系,而是选择几何体,在“Geometric Entity”中输入或选定几何体,根据选定的几何体确定场的维数。

Page 537: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

537

图 11-13 参数坐标时的输入

当不选定“Endpoint Only”项时,参数坐标下的输入与实坐标下的输入方式相同,如果选定“Endpoint Only”项,则只在参数坐标的终点处定义场,而在点之间进行线性插值。此时,单击 按钮,打开如图 11-14所示的【Linear Parametric Table】面板,以输入参数坐标终点处的场的值。图中显示的是 2D 参数场的数据输入前两个输入框中输入的是参数坐标 C1起点和终点处的值,后两个输入框中输入的是参数坐标 C2起点和终点处的值。输入后单击 确认。

图 11-14 输入参数坐标场的值

Page 538: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

538

• General:在【Fields】面板的“Method”项中,选择“General”,则可以创建普通场,用这种方法创建三类不同场的过程基本相同,如图 11-15所示。

图 11-15 创建普通场

用“General”方法定义场,当在直角坐标空间中时,参数坐标是不可选的。输入了场的名称,选定了坐标系之后,单击 按钮,可打开如图 11-16所示的面板,

Page 539: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

539

其用于编写函数以定义场。

图 11-16 编写函数定义场

这里,函数项可以是常数、独立变量或者函数,在“Select Function Terms”中选择使用,函数表达式将写在“Function Expression”中。用“Select Arithmetic Operator”中的数学符号连接将函数项连接起来,即构成函数表达式。在“Select Function Type”对应的下拉式按钮菜单中,可以选择使用独立变量“Independent Variables”或者函数“P3 Functions”。用按钮

可修改作为函数项的函数。 • FEM:在【Fields】面板的“Method”项中,选择“FEM”,可定义基于有限元网格/

空间点的场,这种场有两种,离散的和连续的,如图 11-17 所示。连续的有限元网格场可以在空间任何位置求值,离散的有限元网格场只能在定义其的空间点处求值,其根据分析结果

显示图创建。

Page 540: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

540

图 11-17 定义有限元网格场

在图 11-17中,输入了场的名称,选定了场是离散场“Discrete”或连续场“Continuous”,选定了场的类型为标量“Scalar”或矢量“Vector”,以及指定了定义场的对象类型为节点“Node”或单元“Element”,即可单击 输入数据。图 11-17 显示的是离散、标量、节点时的情形。

Page 541: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

541

单击 按钮,可打开如图 11-18所示的面板,用于选取定义场的节点/单元、输入定义场的数据。该图实际上是一个表,缺省表长为 30,其长度可以通过按钮来调节,用 按钮配以输入的行数可以增加若干行,而用鼠标选定某行

之后,可以单击 按钮将其删除。

图 11-18 输入离散有限元网格场的数据

输入数据时,首先用鼠标选中要输入有限元实体对象或数据的表格位置,再将鼠标移到

“Select an Element/Node”或“Input Data”文本框中,用鼠标选取或输入对象或数据即可,如果是矢量,则用“<7,1,1>”的形式输入。如果要删除表的某个位置处的对象或值,先用鼠标选中该位置,然后单击按钮 即可。在数据输入完成之后,单击

确认。

Page 542: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

542

若选择连续“Continuous”有限元网格场,则如图 11-17所示的面板的下半部分会有所不同,如图 11-19所示。图中的“Mesh/Results Group Filter”是一个过滤器,用于控制结果的选择,具有标量等值线或者矢量图形符号的图形显示组必须被选择,场的数据根据分析结果的

图形显示来定义。

图 11-19 连续有限元网格场

因为只有含有等值线或图形符号的图形显示才能够被选定,所以,在定义连续有限元网

格场之前,必须先定义图形显示。 在图 11-19中,单击 按钮,可打开如图 11-20所示的面板,用于

设置连续有限元网格场定义的外推法和插值法。外推法选项“Extrapolation Option”用于设置在需要计算场的值的点处的求值方法,其有三个选项,“Use Closest Table Value”项指用离该点最近的准确值表示该点的值,“Linear Extrapolation”项则是用线性方法计算该点的值,“Set Value to Zero”则将该点处的值取为零。

Page 543: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

543

图 11-20 连续有限元网格场的选项设置

若选中图 11-20中的“Use 2D to 3D Interpolation”项,则表示要将 2D的场插值成 3D的场,其要指定 3D的场在某个方向上的值不变,即沿某轴方向值为常数。在“Coordinate System”中输入一个坐标系,用“Axis Normal to Interp. Plane”下的三个按钮选择一个轴向,三个按钮分别表示坐标系的轴 1、轴 2和轴 3为垂直于插值平面的轴向。

11.2.2 创建材料属性场(Material Field)

对于复杂问题的求解,其材料性能可能会随着温度、应变、应变率、时间、频率等量的

变化而变化,或者按照其它方式变化。要表达这种变化,可以定义材料属性场,用材料属性

常来表达。 在【Fields】面板中的“Action”项中选“Create”,在“Object”中选择“Material Property”,

对应的方法“Method”有三个选项,“Tabular”、“General”和“Model Variable”。如图 11-21所示。下面就根据不同方法的选择进行介绍。

Page 544: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

544

图 11-21 定义材料属性场

• Tabular Input:图 11-21中选择的是表格输入方法“Tabular Input”,在该图中,已定义的材料属性场将会列在“Existing Fields”文本框中。在“Field Name”项中输入要定义的新场的名称。而在“Active Independent Variables”中时可选的独立变量,在表格输入中,选用这些变量中的一个或多个作为定义场的变量,当然,最多一次可选三个变量。这些变量包

Page 545: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

545

括温度“Temperature(T)”、应变“Strain(e)”、应变率“Strain Rate(er)”、时间“Time(t)”和频率“Frequency(f)”,括弧中的字母将作为该量的名称出现在表格输入中。 这里,选用的变量的数目也就是定义的场的维数,例如选定“Temperature(T)”、“Strain(e)”

和“Strain Rate”,则所定义的场就是 3D的场。数据的输入和选项的设置都与定义空间场中的表格输入相同,可参考使用。

General:定义材料属性场的“General”方法与定义空间场的方法基本相同,可参考11.2.1节相关内容。

Model Variable:如图 11-22所示,这种方法是用用户定义的变量来定义材料属性场。图中,已定义的场列在“Existing Fields”中,在“Field Name”项中输入要定义的新场的名称。在“Scalar Function”中输入标量函数表达式,用以描述所定义的场。而“Independent Variables”中给出的是用户定义的变量,在定义函数时使用。如果要即时定义变量,可单击

按钮打开【Model Variables】面板定义变量,具体操作参见 11.2.1节。

Page 546: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

546

图 11-22 用自定义变量定义材料属性场

11.2.3 创建非空间场(Non-spatial Field)

非空间场也是一类场,即定义一个标量场作为时间、频率、温度、位移、速度,或者是

用户定义的用于动态分析的变量的函数。该场可以是实数场,也可以是复数场,其有两种方

法,“Tabular Input”和“General”,下面就分别介绍。

Page 547: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

547

• Tabular Input:如图 11-23所示,已定义的场将列在“Existing Fields”中,在“Field Name”项中输入要定义的新场的名称。在“Scalar Field Type”中选择是要定义的是实数场(Real)或者是复数场(Complex)。而在“Active Independent Variables”中列出的是可选用的独立变量,包括时间“Time(t)”、频率“Frequency(f)”、温度“Temperature(T)”、位移“Displacement(u)”、速度“Velocity(v)”以及用户定义的变量“User Defined(UD)”。这些变量在选择的时候,每次最多选择三个,而且时间和频率不能同时被选择,如果是复数标量场,

则必须选择频率变量。

Page 548: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

548

图 11-23 用表格输入定义非空间场

当所有的选项都确定和输入之后,单击 按钮打开数据输入面板,

如图 11-24 所示,其对应的是选择选择时间和温度时的情形。图中,横向变量是时间,纵向变量是温度。输入数据时,用鼠标选中表中的某个位置,在“Input Scalar Data”中输入数据,回车后,数据即输入到表格中。

Page 549: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

549

图 11-24 2D非空间场数据输入表

对于 2D情况而言,缺省表的大小为 30×30的,如果要改变表的大小,单击图 11-23中的 按钮,打开【Table Options】面板,可对表格的大小进行设置,同时可以设置场中非输入点处的差值方法,使场在输入空间中连续。 当输入变量只有一个时,数据输入表的下部将会有一个 按钮,允

许用户用 PCL表达式或函数定义数据点。例如,场的变量只选择时间,单击该按钮,会打开如图 11-25所示的面板。

Page 550: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

550

图 11-25 用 PCL表达式定义数据点

在该面板中,“PCL Expression”文本框用来输入 PCL表达式,在该表达式中,可以时间变量“`t”作为变量。“Use Existing Time Pts.”项用来选择表达式的数据点的确定方式,选定该项,则以数据输入表中的点为表达式的数据点,如果不选择该项,则可手动的输入起始时

间点(Start Time)、终了时间点(End Time)和中间点的数目(Number of Points)。输入完成后单击 确定。

• General:非空间场定义中的“General”方法与空间场中的“General”方法基本类似,所以,可参见 11.2.1节相关内容。

11.3 修改、显示和删除场

场是对一种变化的定义和描述,对于已经创建的场,可以对其进行修改、显示和删除等

操作。下面就分别介绍。

11.3.1 修改场(Modify)

已经定义的场,如果有些方面存在问题,可以对其进行修改。在【Fields】面板的“Action”

Page 551: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

551

中选择“Modify”项,在“Object”中选择要进行修改的场所属的类型,则已有的该类场都将显示在出来,从中选择要修改的对象,如图 11-26所示。

图 11-26 修改已有的场

修改场,可以修改场的各种数值和属性,包括对其重新命名。图 11-26 是修改空间场的面板,该数据库中所有已定义的空间场都将列在“Select Field To Modify”文本框中。从中选择要作修改的对象,则整个界面将变成该类场所对应的形式,显示出该场原有的所有属性,

Page 552: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

552

同时,修改这些属性,从而完成对场的修改操作。 从本质上说,对场的修改相当于以已有的场为模板创建新的场,从这个角度讲,修改的

过程也就是创建的过程,而且,Patran 中对修改与创建没有严格的区分,修改也即创建,创建也就是修改。所以,对于修改的操作过程,可以参考创建的过程进行,这里就不再累述。

11.3.2 显示场(Show)

对于已定义的场,根据类型的不同,可以不同的形式显示出它的属性。在【Fields】面板的“Action”中选择“Show”项,如图 11-27所示。再从“Select Fields To Show”中选择某个场来显示。

Page 553: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

553

图 11-27 显示场的属性

因为各种场的属性差异很大,所以不可能以统一的形式来显示,只能是不同的类型以不

同的形式来显示。例如,选择一个离散有限元网格空间场,则会弹出如图 11-28所示的面板,其是一个表格,列出了该场定义中用到的节点以及每个节点所对应的值。

Page 554: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

554

图 11-28 离散有限元网格空间场属性的显示

11.3.3 删除场(Delete)

如果数据库中的某个/某些场不再需要,可以将其删除。在【Fields】面板的“Action”中选择“Delete”项,如图 11-29所示,可以进行删除操作。

Page 555: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

555

图 11-29 删除已有的场

图 11-29中,在“Object”中选择要删除的场的类型,则该类型的所有场都将列在“Existing Fields”中,从中选择要删除的对象,被选中者将显示在“Fields to be Deleted”中,如果无误,单击 按钮,则被选中的场从数据库中删除。

Page 556: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

556

11.4 本章小结

本章主要介绍了场(Field),场是 Patran 中一个强大的工具,特别是对于复杂问题的描述和求解非常有用。场,对于单元网格的划分、复杂边界条件的定义、复杂材料的定义、复

杂单元特性的描述等都有重要的意义,可以将许多复杂的工作简化。所以,掌握场的应用对

于用好 Patran是必需的。

Page 557: MSC PATRAN从入门到精通

第 12章 XY坐标图管理(XY Plot)

首先应该明确的是,【XY Plot】模块不是有限元处理中的一部分,它是对曲线图处理的延伸。在【XY Plot】模块中,可以创建窗口和XY平面曲线图,显示像在【Results】模块中创建的平面曲线图。这些曲线图可以根据所输入的任何数据创建。本章就围绕 XY坐标图展开。 对于 XY曲线图显示,首先要创建一个显示图的窗口,之后,所创建的曲线、图例、曲

线的标题等都显示在窗口中,都是窗口中显示的元素对象。 本章的主要内容如下:

Τ

557

• • • • •

创建坐标曲线图 显示坐标曲线图 修改坐标曲线图 重新命名窗口等 删除窗口等

12.1 创建(Create)

在 Patran界面的工具栏区,单击 工具,则可以打开【XY Plot】面板,可以进行创建、显示、修改、重命名、删除等操作。创建操作的对象包括 XY窗口、曲线、和曲线图标题等,下面就分别介绍。

12.1.1 创建 XY窗口

• 在【XY Plot】面板中,在“Action”项中选择“Create”,相应的“Object”有三项,选择“XY Window”项,则可创建XY窗口,用于显示曲线图,如图 12-1所示。创建XY窗

Page 558: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

558

口比较简单,已有的XY窗口会显示在“Existing XY Windows”项中。在“Enter XYWindow Name”项中输入要创建的 XY窗口的名称,然后单击 按钮,即可创建一个 XY窗口,所创建的 XY窗口的的名称会显示在“Existing XY Windows”中。

图 12-1 创建 XY窗口

12.1.2 创建曲线

在【XY Plot】面板的“Object”中选择“Curve”项,创建曲线,如图 12-2所示。创建曲线,即根据输入的数据创建平面曲线,输入数据的方式有两种:文件输入和键盘输入。

Page 559: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

559

图 12-2 创建曲线

在图 12-2中,已创建的曲线列在“Existing Curve”中,在“Curve Name”项中输入新建曲线的名称。“Color”项用来选择曲线的颜色,如图 12-3所示,选择其中一项作为新建曲线的颜色。然后,单击 按钮,此时,可以输入创建曲线的数据。

图 12-3 选择曲线的颜色

Page 560: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

560

在“Curve Data Input”中选择曲线数据输入方法,如果是用文件输入数据,单击按钮,打开如图 12-4所示的文件输入面板,选择数据文件输入数据。这里的数据文件是ASCII文件,其中可以包含点的数据和曲线图的标题,文件的后缀为.xyd。选中正确的文件,单击

按钮即可。

图 12-4 用文件输入曲线数据

如图是用键盘输入数据,则单击 按钮,打开如图 12-5所示的面板,用于输入绘制曲线的数据。输入数据有两种方式,在“Data Type”中选择,“XY Pairs”表示以X-Y数据对的形式输入,“Y Data”表示只输入 Y坐标数据,而 X坐标取间距为 1,不用输入。在“Number of Points”中输入要输入的点的个数,缺省情况下为 50,如果此处给定的点的个数多于实际输入的点的个数,那么,多出的若干个点将被自动赋予零。在“Start Point”中输入起点标号,缺省值为“1”,在“Input Point Data”中输入每个点的数据。输入数据时,先选中表格中的位置,然后在“Input Point Data”中输入数据,回车即可。如果要将输入的数据存为文件,则选中“Write XY Data to File”,单击 按钮即可。如果选中了“Input Point Data”,则此时会弹出类似于 12-4的面板,将输入的数据存为文件。

Page 561: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

561

图 12-5 用键盘输入曲线数据

一般来说,创建的曲线以窗口的左下为坐标远点。

12.1.3 创建曲线图的标题

• 标题,作为曲线图的一部分,可以单独创建和编辑,并在需要使用的时候显示出来。在【XY Plot】面板的“Object”中选择“Title”项,可以创建标题。

Page 562: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

562

图 12-6 创建曲线图的标题

在图 12-6中,已有的标题会显示在“Existing Titles”中,在“Title”中输入作为标题的字符。用“X Location”和“Y Location”调整标题的位置,这里的位置是相对于窗口坐标而言的,即原点在窗口的左上角,X为水平方向,Y为竖直方向,并且,给定的坐标位置是标题首字母的位置。在“Color”中选择标题的颜色,用“Font Size”选择标题字符的大小。选定这些之后,单击 按钮,则该标题被创建。

Page 563: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

563

12.2 显示(Post)

显示实际上也包括三种元素的显示,即窗口“XY Window”、曲线(Curve)和标题(Title),在【XY Plot】面板的“Action”中选定“Post”,即可显示各种元素。

12.2.1 显示窗口

在【XY Plot】面板的“Object”项中选定“XY Window”,可以显示已创建的窗口,如图 12-7所示。

图 12-7 显示窗口

图 12-7中,在“Select Current XY Window”中列出了已创建的所有窗口,选中一个作为当前窗口。前面已经提过,曲线图及其标题、图例等元素都通过窗口来显示,选定了当前窗

口,则曲线图等将显示在该窗口中。而在“Post/Unpost XY Windows”中,也列出了所有的窗口对象,选中哪个,则将会显示/不显示该窗口,例如选定“window02”,然后单击 ,

Page 564: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

564

则窗口“window02”被设定为当前窗口,同时显示出来,如图 12-8所示。

图 12-8 窗口

12.2.2 显示曲线

• 在【XY Plot】面板的“Object”项中选定“CURVE”项,即可显示曲线,如图 12-9所示。在“Select Current XY Window”中选定当前窗口,在“Post/Unpost Curves”中选定曲线要显示的曲线,单击 即可。

Page 565: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

565

图 12-9 显示曲线

当前窗口只有一个,但在一个窗口中同时可以显示多条曲线,如图 12-10 所示。图中除了曲线本身之外,还包括图例(LEGEND)、标题(GRAPH)以及坐标轴。

Page 566: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

566

图 12-10 显示多条曲线

12.2.3 显示标题

• 标题作为一个图形元素,可以单独的操作,在【XY Plot】面板的“Object”中选定“Title”,如图 12-11所示。在“Select Current XY Window”中选择当前窗口,“Post/Unpost Titles”中选择已创建的标题,单击 显示,则被选中的标题将以相应的颜色、字体大小,显

示在当前窗口中给定的位置。标题也可以同时显示多个。

Page 567: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

567

图 12-11 显示标题

12.3 修改(Modify)

在【XY Plot】面板的“Action”项中选择“Modify”,在“Object”中即可选择被修改的对象,包括XY窗口(XY Window)、曲线(Curve)、标题(Title)、轴(Axis)和图例(Legend)。下面分别介绍对各种对象的修改。

12.3.1 修改 XY窗口

• 在【XY Plot】面板的“Object”中选择“XY Window”项,对XY窗口的各种属性进行修改,主要是窗口边界线和背景颜色的修改,如图 12-12所示。

Page 568: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

568

图 12-12 修改 XY窗口

在图 12-12的“Select Current XY Window”中,选择要修改的窗口。缺省情况下,窗口不显示边界,如果选中“Display Border”项,则会显示窗口的边界。在“Line Style”的下拉式按钮菜单中选择边界线的类型,比如实线、点画线等。“Border Color”项用来选择边界线的颜色。“Borber Thickness”项用来设定边界线的宽度,最小值为“1”。在“Background Color”中选择窗口的背景色,与边界线的颜色选择相同,都有 16种颜色可以选择。修改完之后,单击 确认。

Page 569: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

569

12.3.2 修改曲线

曲线在创建的时候,用的是较为简单的缺省设置,通过修改,可以详细的设置曲线

的显示,包括图例中的字符、曲线上的符号、增加数据点、改变坐标比例因子等,如图 12-13所示。在“Curve List”中选择要作修改的曲线,选定后,用图中的五个按钮分别打开相应的面板修改不同的属性。

图 12-13 修改曲线属性

在图 12-13中,选中一个曲线之后,单击 按钮,可打开如图 12-14所示的面板,修改曲线图的图例中的文字及其颜色,在“Curve Title Text”中输入文字,在“Color”项中选择文字的颜色,单击 确定。

Page 570: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

570

图 12-14 修改曲线的图例文字

在图 12-13 中,单击 按钮,打开如图 12-15(a)所示的面板。图中的“Curve Fit”项设置曲线的生成方式,即根据输入的点如何得到曲线,在“Method”项中选择,包括直线段(Linear)、散点(Scatter)、连续平滑曲线(Spline)和最小二乘法拟合曲线(Least Squares)四种方法。当选用“Spline”或“Least Squares”方法时,可以用“Linse Per PC”和“PCs”设置拟合时的曲线段的数目。

图 12-15(a) 曲线选项设置 图 12-15(b) 可选择的标志符号

Page 571: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

571

在图 12-15(a)中的“Symbols”选项区域,可以设置曲线上标志符号的显示方式和颜色,曲线上的标志符号用于区分不同的曲线。选中“Display Symbols”项,才会显示曲线的标志符号。在“Type”的下拉式按钮菜单中选择标志符号的形式,如图 12-15(b)所示,共有十多种,比如点、圆、填充圆、乘号、加号、四边形、填充四边形、三角形、填充三角形等。在

“Color”中选择曲线标志符号的颜色,用“Symbol Size”游标调整标志符号的大小。 在图 12-15(a)中的“Line Style”选项区域,设置曲线本身的显示特性。“Line Style”项设

置线型,如实线、点画线等,“Color”项设置曲线的显示颜色,而“Line Thickness”项设置曲线的宽度。设置完成之后,单击 确定。

• 在图 12-13 中,可以对生成曲线的数据重新输入,单击 或

按钮,可用键盘或从文件输入数据。这样输入的数据将覆盖原有的数

据。 • 在图 12-13 中,单击 可打开如图 12-16 所示的面板,用于控

制输入数据。“Start Point”和“End Point”项分别用来指定曲线的起点和终点,“X Scale Factor”和“Y Scale Factor”两项用来指定X和 Y轴方向的放大因子,这样可以根据输入的一组数据得到多条形状相似但又不同的曲线。“Frequency”项用来指定绘制曲线时的间隔,即如何从输入数据中取出点的值来绘曲线,例如,其值为“1”,则将取所有的点,若取“2”,则只有偶数点将被选用,依此类推。“X Initial Value”和“X Delta”项只有在数据输入时选用“Y Data”方式时才被激活,用于设置 X方向的初始值和增量。

图 12-16 输入数据属性设置

Page 572: MSC PATRAN从入门到精通

12.3.3 修改曲线图的标题

如图 12-17所示,可以修改标题的所有属性。在“Title List”中选中要修改的标题,在“Title Text”中可以改变该标题的文字。用“X Location”和“Y Location”两项可以改变标题显示时的位置,注意,这里的坐标系是窗口坐标系。在“Font Size”中改变标题的字体大小,在“Color”中修改标题文字的颜色。

图 12-17 修改标题的属性

Τ

572

Page 573: MSC PATRAN从入门到精通

12.3.4 修改坐标轴的属性

显示在窗口中的曲线都有参考轴,而参考轴的属性也比较多,下面就介绍一下坐标轴属

性的修改(相对于缺省设置而言),如图 12-18所示。坐标轴是依赖于窗口的,所以,首先在“Select Current XY Window”中选定一个窗口,然后,在“Active Axis”中选择X或Y轴进行修改,例如选 X轴。再依次选定图中的六个按钮,打开相应的面板修改坐标轴的属性。

图 12-18 修改坐标轴的属性

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-19所示的面板,设置坐标轴的位置、线型和颜色等。“Display”项用来选择设置被激活的坐标轴的位置,X 轴可在窗口的上部或下部,若是Y轴,则可以在左部或右部。“Line Style”项用来设定坐标轴的线型,如实线、点线、点画线等。用“Color”项来设置坐标轴线的颜色。而“Line Thickness”

Τ

573

Page 574: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

574

项用来设置轴线的线宽。

图 12-19 坐标轴选项

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-20所示的面板,以控制轴的比例变化。在“Scale”中选择轴的比例方式,“Linear”为线性的,“Logarithmic”则用对数形式的轴,即对原有数据取对数。在“Assignment Method”中选择坐标值随输入数据的比例变化方式,以使整个曲线都能显示在窗口中。对于不同的方法,要输入不同的设置值,

基本符号点的个数,显示范围的上下极限值等。

Page 575: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

575

图 12-20 坐标轴比例变化

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-21所示的面板,用于控制坐标轴上坐标位置数字的显示方式。选定“Display Labels”项,则在显示窗口时,坐标轴上的坐标值会显示出来。“Label Format”项用来设置坐标数值的显示方式,如定点小数(Fixed)、指数(Exponential)或整数形式(Integer),“Power”项只有在使用对数坐标时才可选。“Color”项用来设置坐标数字的显示颜色,而“Significant Digits”项用来设置坐标数字的精确位数。

Page 576: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

576

图 12-21 坐标值的显示设置

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-22所示的面板,用于设置坐标轴的标题。在图中,选中“Display Axis Title”项,则会显示坐标轴的标题,缺省情况下不会显示。在“Axis Title”中输入坐标轴的标题文字,例如位移“Displacement”,应力“Stress”等。“Color”项用来设置坐标标题的显示颜色,“Font Size”项则用来设置标题的字体大小。

图 12-22 坐标轴的标题设置

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-23所示的面板,用于坐

Page 577: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

577

标轴上的刻度线的显示设置。在“Display”中,选中“Primary”,则只显示一级刻度线,选中“Secondary”则会显示二级刻度线。“Options”中的三个选项用来控制一级、二级刻度线的显示。“Location”项则用来控制刻度线的显示位置,“Outside”表示显示在坐标轴线的外侧,“Inside”表示显示在坐标轴线的内侧。“Color”项用来设置刻度线的显示颜色。“Line Thickness”项用来设置刻度线的线宽。“Sec. Tick Marks”项用来设置相邻两个一级刻度线之间的二级刻度线的数目,一般取 4。

图 12-23 坐标轴刻度线设置

在图 12-18中,单击 按钮,打开如图 12-24所示的面板,用于坐标刻度栅格线的显示控制。选中图中“Display”的“Primary”项,将会显示与坐标轴的一级刻度线相对应的栅格线,如再选中“Secondary”项,则二级刻度线的栅格线也会显示,这样会在曲线的显示区域绘出与坐标轴平行的栅格线。“Options”中的三个选项用来控制一级、

Page 578: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

578

二级刻度线的显示。“Line Style”项可以设置栅格线的线型,“Color”项用来设置栅格线的显示颜色,“Line Thickness”设置栅格线的线宽。

图 12-24 刻度栅格线的显示控制

如图 12-25所示,其为画有栅格线的曲线图。

Page 579: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

579

图 12-25 绘有栅格线的曲线图

12.3.5 修改图例

对于曲线图,一般都有图例,用来说明曲线的意义并区分不同的曲线。在【XY Plot】面板的“Action”中选择“Modify”,在“Object”中选择“Legend”项,在面板的“Select Current XY Window”中选择一个窗口对象,则会弹出如图 12-26所示的面板,可对图例进行修改和设置。

Page 580: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

580

图 12-26 修改图例

在图 12-26中,“Display”选项区域中有三个选项,选中“Legend”项会显示曲线的图例,选中“Borber”项则会显示图例的边框,项中“Title”则会显示图中“Title”的“Text”中的内容。“Attributes”选项区域中的三个选项分别用来设置图例在窗口中的位置和图例区域的背景色,缺省情况下与窗口的背景色相同。“Title”选项区域中的选项用来设置图例的标题和颜色,在“Text”中输入图例的标题,在“Text Color”中选择其颜色。在“Border”选项区域设置图例边框的线型和显示颜色。

12.4 重命名(Rename)

窗口(XY Window)、标题(Title)和曲线(Curve)作为【XY Plot】模块中创建的对象,可以对它们重新命名。在【XY Plot】面板的“Action”中选择“Rename”,则相应的“Object”中有三项,“XY Window”、“Title”和“Curve”。选中其中一个,可以对该类对象重新命名,如图 12-27所示。

Page 581: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

581

图 12-27 重新命名窗口对象

在图 12-27中,以对窗口对象重命名为例说明。在“XY Window List”中选择要重命名的窗口对象,在“Rename As”中输入新的名称,单击 即可。其它两类对象的重命

名也类似,可参考进行。

12.5 删除(Delete)

对于创建的对象,也可以删除,在【XY Plot】面板的“Action”中选择“Delete”项,相应的“Object”中有三个选项,“XY Window”、“Title”和“Curve”,可以将这些对象从数据库中删除。如图 12-28所示,以删除曲线为例,在“Curve List”中选择要删除的曲线,单击 即可。其它两类对象的删除也类似,可参照进行。

Page 582: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

582

图 12-28 删除曲线

12.6 本章小结

本章重点介绍了 XY平面曲线图的创建、修改、显示等问题,好包括了相关图形元素的设置和显示。利用【XY Plot】工具,按照要求输入数据,即可绘制各种曲线图,从而为分析数据的进一步处理和工程上的使用提供了方便。在这里,曲线的显示要依赖于显示窗口,即

在窗口中显示,所以,显示曲线前,要先创建窗口,并设定好窗口中的各种元素,从而得到

漂亮而实用的曲线。

Page 583: MSC PATRAN从入门到精通

第13章 Patran的菜单项

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,但为了本书组织的方便,就单独的

将菜单拿出来的介绍,但在使用时,菜单与各种工具应紧密配合,融为一体。 一般情况下,Patran有九个主菜单项,如图 13-1所示,包括了文件管理(File)、组(Group)、视窗管理(Viewport)、视图操作(Viewing)、元素显示管理(Display)、环境设置(Preferences)、工具选项(Tools)和在线帮助(Help),这些菜单,涵盖了 Patran的所有设置和管理。

图 13-1 Patran的主菜单项

下面,就按照菜单项本身的顺序,分别进行介绍。本章的主要内容包括: 文件管理及模型的输入输出 •

• • • • •

组(Group)的概念及应用 视图、元素显示管理 Patran的环境设置 各种工具选项 在线帮助介绍

13.1 文件管理(File)

在 Patran的菜单区,单击【File】主菜单,可以看到该菜单的菜单项,如图 13-2所示。【File】的菜单项包含了 Patran 数据库文件的管理、模型的输入输出、对话文件的管理、图像文件、打印等功能,下面就按照功能将各菜单项分类,分别介绍。

Τ

583

Page 584: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

584

图 13-2 【File】的菜单选项

13.1.1 数据库文件基本操作

【File】菜单中的数据库文件基本操作包括新建一个数据库文件(New)、打开已有的数据库文件(Open)、关闭当前数据库(Colse)、存储当前数据库文件(Save)和存储当前文件的一个副本(Save a Copy)。

• New:在启动 Patran之后打开数据库文件之前,“New”菜单项处于待激活状态,其用于创建新的 Patran数据库。单击“New”,可打开如图 13-3所示的面板,以根据模板创建数据库。

Page 585: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

585

图 13-3 创建新的数据库

在图 13-3 中的“Template Database Name”项中显示了当前的模板数据库,可以单击按钮以打开另外一个窗口选择不同的模板数据库,缺省情况下的模板

数据库为“template.db”,除此之外,还有“mscnastran_template.db”、“mscdytran_template.db”、“mscmarc_template.db”等,这些模板分别适合于Nastran、Dytran和Marc。如果选中“Modify Preferences”项,则在新建数据库打开之后,会自动弹出【New Model Preferences】面板,可以修改新建数据库的模型全局公差、分析解算器、分析类型等。在“文件名”项中输入新建

数据库文件的名称,单击 即可打开一个新的数据库文件。 【New Model Preferences】面板如图 13-4 所示,其可以改变模板的缺省设置。在

“Tolerance”中设定模型全局公差,其对模型有着直接的影响。在几何方面,模型全局公差决定着是否将两个点认定为一个点,即如果两点之间的距离小于模型全局公差,则认为这两

个点重合为一个点。在划分网格时,节点是否重合也用该值来判断。“Tolerance”的设置有两种方法,“Based on Model”和“Default”,前者表示将输入的值乘以 0.05%所得的值作为全局公差,后者表示选用缺省值 0.005。在“Analysis Code”中选择分析解算器,例如 Nastran、Dytran、Marc、ABAQUS等,在“Analysis Type”中选择分析类型,例如结构分析、热分析

Page 586: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

586

等。

图 13-4 改变模板的缺省设置]

Open:打开已有的数据库比较简单,在【File】菜单中单击“Open”菜单项,在弹出的面板中选择要打开的数据库文件即可。在 Patran中,同时只能打开一个数据库,要打开一个数据库,则要将当前数据库关闭。

Close:关闭当前的数据库,在【File】菜单中单击“Close”菜单项,则当前的数据库被关闭。

Save:存储当前数据库,在对数据库进行操作而改变了数据库之后,在【File】菜单中单击“Save”菜单项,则当前的数据库被存储。

Save a Copy:存储当前文件的一个副本,即用另外一个名字存储当前数据库,这样,可以保留一个当前数据库的一个副本,用作备份。

13.1.2 Utilities菜单项

在【File】菜单中有一个菜单项“Utilities”,其又有三个子菜单项,分别为“Reclaim”、“Revert”和“Rebuilt”。

Page 587: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

587

Reclaim :压缩数据库。“Reclaim”菜单项用于压缩当前的数据库文件,以释放被分配但未使用的空间。当使用“Save”或“Close”菜单时,压缩程序被自动调用,所以,一般情况下,不必手动执行压缩过程。当执行“Reclaim”操作时,会删除数据库中的“Undo”操作历史,系统会提示用户确认。

Revert:恢复数据库到打开时的状态。在一次会话(Session,即一个数据库从打开到关闭的整个过程)中,如果单击“Revert”菜单项,则该数据库打开之后所作的所有修改都将不复存在,都将丢失,恢复到刚打开时的状态。为了能够进行这种恢复,必须在 settings.pcl文 件 中 将 参 数 “ revert_enabled ” 设 置 为 “ TRUE ”, 即 加 入 语 句

“pref_env_set_logical(“revert_enabled”,TRUE)”。 Rebuilt:重建模型。即根据用户指定的日志文件(journal file, .jou)重新建立 Patran

数据库,在未打开数据库的情况下,该菜单项处于待激活状态。当原有数据库损坏而不能访

问,或者在不同的平台间创建同一个模型时,这一功能非常有用。

13.1.3 模型的输入输出

用【File】菜单中的“Import”菜单可以从外部直接输入几何模型和有限元模型,用“Export”菜单项可以输出模型。Patran 支持多种输入输出接口,不但可以输入输出几何模型,而且也能直接读入有限元模型(.dbf),也即 Nastran的输入模型。具体的内容可参见 2.4节。

13.1.4 其它文件操作

在 Patran 的【File】菜单中,还可以进行会话文件的操作、打印当前图形、用文件输出当前图形、报告文件处理等,下面就分别介绍。

Session/Play:【File】菜单中有“Session”菜单项,其又有两个子菜单项,这里,些介绍“Play”项,其用来回放会话文件所(patran.ses.xx)记录的操作。在未打开任何数据库的情况下,在【File】菜单中选定“Session/Play”项,将打开如图 13-5所示的面板,用于控制整个回放过程。

Page 588: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

588

图 13-5 回放会话文件

在图 13-5中,先选定一个会话文件,再选定适当的控制项,“Single Step”表示单步执行会话文件,即一次只执行会话文件中的一行,单击回车键继续,用这种方法可以浏览整个会

话过程。“Commit Commands”选项表示会话文件中的每个命令在执行之前先提交给一个数据库。 在一个会话文件回放的过程中,可以用 按钮停止回放过程。在会话文件中记录的命

令,牵扯到“Undo”的将不被执行,并将其从会话文件中删除。 • Session/Record:“Session/Record”菜单项用来指定一个会话文件并将执行的操作记

录在其中,如图 13-6所示。如果在记录过程中想终止,可单击 按钮停止记录,此时

会变为 ,即可以随时恢复记录过程。在图 13-6中,选中“Record Rotations”项,则对模型的转动操作也将被记录到会话文件和日至文件中。

Page 589: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

589

图 13-6 记录一个会话文件

• Print:利用【File】菜单中的“Print”菜单项,可以将 Patran中的图形直接打印输出,如图 13-7所示。在“Printer”选项区域设置打印机的属性,包括打印机的选择、打印纸张的相关设置等,如果选中“Print to File”项,则可以同时将打印对象输出到文件。在“Print From”选项区域中选择打印对象,可以是当前视窗(Current Viewport)或当前XY窗口(Current XY Window),或者是所有的视窗、所有的窗口。在“Number of Copies”中设定打印份数。选定“One Viewport Per Page”项,则每个试图独用一张纸打印。

Page 590: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

590

图 13-7 打印输出图形

如果要设置打印格式,则单击 按钮,打开如图 13-8 所示的面板,可以进行打印格式设定。包括纸张类型、进纸方式、打印方向(横打竖打)设置、页边距设置、线宽设置

等。

Page 591: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

591

图 13-8 打印格式设定

• Images:用指定格式的文件输出当前的视窗。在【File】中单击“Images”菜单项,则可以打开如图 13-9 所示的输出面板【Output】,将模型以指定的文件格式输出。用这种方式可以输出静态图形、动画和三维虚拟模型,输入的格式可以在“Output Type”中选择,如“BMP”、“JPEG”、“MPEG”、“PNG”、“TIFF”“VRML”等。输出的格式不同,对应的面板的操作界面也不同,图 13-9所示的是静态图形输出的界面。

Page 592: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

592

图 13-9 输出当前图形

如果输出的是静态图形,在“Output Type”中选定了输出格式,例如“BMP”格式,如果要单纯的输出到一个文件,则在“Filename”中输入文件名即可。如果是要覆盖掉那个已有文件,单击 按钮打开如图 13-10所示的面板,选择合适的文件,然后在图 13-9中选择“Overwrite”项,则被选中的文件将被覆盖为现在内容。如果要将模型的多个图形存为一个系列,则在图 13-10中选定该文件,在图 13-9中选择“Increment”项,则Patran会以被选定的文件名为基础,在该文件名尾部加数字,顺序递增,每单击一次图 13-9中的 就创建一个文件,从而可以创建一个模型的多个图形文件,形成一个系列。

Page 593: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

593

图 13-10 选择图形文件

如果要输出操作过程的动画,如“MPEG”格式的,如图 13-11所示,在“Output Type”中选择“MPEG”。 按钮和“Overwrite”、“Increment”选项的使用与

静态文件时相同。“Max Frames”项是动画最大帧数的设置,缺省时“1000”,按钮 、

和 分别为动画录制开始、暂停、停止键,用于动画录制过程的控制。

Page 594: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

594

图 13-11 创建动画

• Report:打开一个报告文件(.rpt),将模型的信息写入该文件。在【File】菜单中选择菜单项“Report”,会打开如图 13-12所示的面板,用于将当前模型的各种信息输出到报告文件中去,同时也可提交打印。

Page 595: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

595

图 13-12 将模型信息输出到报告文件

将模型输出到报告文件中时,可以选择新建一个报告文件,也可以选择将模型信息添加

到已有的一个文件中,这在图 13-12中选择“New”或“Append”确定。若选择“New”,则在“文件名”项中输入一个文件名,单击 ,则 Patran 会即时创建该文件,若选择“Append”项,则选定一个已有的文件,要输出的模型信息将会被添加到该文件的尾部。被指定的文件的全路径文件名将会被显示在“Report File”项中。 用 按钮可打开如图 13-13所示的面板【Report File Preferences】,

用于设定报告文件的输出格式。数据的表达格式可以是浮点小数(Floating Point),或者科学计数法(Scientific Notation)。第一个游标“Field Width”设置的是有效位数的长度,如“12”,第二个游标“Number of Decimals”用来设置小数不分的长度,第三个游标“Integers”用来设置数据的整数部分的宽度,第四个游标“Spacing”设置每列数据之间的间距。通过这些设置,可以很好的规范输出格式。

Page 596: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

596

图 13-13 设置报告文件的输出格式

图 13-12中的“Report Contents”选项区域用于设定要输出到报告文件中的模型数据项目,包括模型的总结信息(Model Summary)、节点属性(Node Attributes)、单元属性(Element Attributes)、单元之间的连接关系(Element Connectivity)、质量信息(Mass Properties)等,这些选项可以根据需要选定一项或多项。如果选定了“Submit to Printer”,则在将模型信息输出到报告文件的同时,提交打印机打印输出。所有的设置都确定之后,单击

按钮确定。

13.1.5 关闭 Patran

如果要退出 Patran,在【File】菜单中单击“Quit”菜单项,则 Patran将会被关闭。

13.2 组(Group)

组(Group)是 Patran中比较重要的一个概念,组是 Patran灵活性与易用性的重要体现。类似于Auto CAD中的层,组(Group)是一组对象(几何实体或有限元实体)的集合,同一个实体可以属于不同的组,一个实体可以加入到一个组中,也可以从改组中删除,但不影响

Page 597: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

597

其它组。组可以单独操作,单独显示,单独分析。所以,可以将一个复杂的模型分成若干个

组,先对每个组进行设计和分析,然后将所有的组结合,得到整个模型。 一个被选定的组可以在视窗中显示,一个视窗同时可以显示多个组,当一个组被选定为

当前组时,其将自动显示。不属于任何组的实体对象被称为孤立对象,当实体从组中被删除

(不是从模型中删除)时,可能会产生这种实体对象。组的名称也是唯一独立的。在 Patran中每创建一个数据库,都会自动的定义一个缺省的组(Default_group),如果用户不作修改,则整个模型都包含于该组中。 对组的各种操作都通过菜单【Group】中的菜单项来实现,如图 13-14所示。这些菜单项

可以打开相应的面板,完成组的各种操作,下面就分别介绍。

图 13-14 【Group】菜单的菜单项

13.2.1 创建组(Create)

在【Group】菜单中单击“Create”项,可打开如图 13-15(a)所示的【Group】面板,用于创建组。单击图中“Action”对应的下拉式按钮菜单,可以看到,该面板中的“Action”操作项与【Group】菜单项中的内容时相同的,两者的使用和效果都是一样的。创建组的方法比较多,单击“Method”对应的下拉式按钮菜单,可显示出所有的方法,从中选取一种使用,如图 13-15(b)所示。 组的定义包括组的名称、组的状态(当前组/非当前组)、组的显示属性、包含于组中的

实体对象(组的成员)等。这里的实体是一个广义的概念,包括几何点、线、面、体,还有

有限元对象如节点、单元、多点约束等。

Page 598: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

598

图 13-15(a) 创建组 图 13-15(b) 创建组的不同方法

创建组的过程大致如下:在“Method”中选择合适的方法;在“New Group Name”中输入组的名称;如果选中“Make Current”,则所创建的组将成为当前组而显示;如果选定“Unpost All Other Groups”项,则其它的组都将不显示;用不同的方法选择组的实体对象,将其加入到组中;单击 创建组。 下面,就根据不同的方法,介绍组的创建过程。 • Select Entity:通过直接选择实体创建组。如图 13-15(a)所示,选择实体的具体方法

在“Group Contents”中选择,“Add Entity Selection”表示将选定的实体加入到组中,成为组的成员;“Add All Geometries”将把所有的几何体加入到组中;“Add All FEM”将把所有的有限元网格加入到组中;“Add All Orphans”将把所有孤立的对象加入到组中;“Add All

Page 599: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

599

• Entities”将把所有的对象加入到组中,包括几何和有限元对象。

Property Set:在“Method”中选择“Property Set”,将打开如图 13-16所示的面板,可根据单元属性创建组,即通过选择单元属性而选择与单元属性相关的对象创建组。根据单

元属性创建组时,可以一次创建一个组,也可以一次创建多个组,图 13-16 中选择的是,即创建一个组。此时,在“Group Name”中输入组的名称,在“Property Sets”

中选择单元属性,可以用按钮 或 选择所有的单元属性或者不选任何一个,

如果不选任何一个,则创建一个不包含任何成员的组。

Page 600: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

600

图 13-16 根据单元属性创建组

如果选择同时创建多个组,即选定 按钮,则如图 13-17所示。此时,组的命名将自动完成,但可以选择不同的命名方式,在“Group Name Options”中,可以选择“Property Set Name”、“Prefix”或“Suffix”,分别表示使用单元属性的名称作为组的名称、给单元属性名称加前缀生成组的名称、给单元属性名称加后缀生成组的名称。选定了命名方

式,选定了单元属性,单击 创建组。

图 13-17 根据单元属性同时创建多个组

• Property Type:根据单元属性的类型创建组。在“Method”中选择“Property Type”,即可通过选择不同的单元属性类型,来选择与单元属性相关的有限元对象创建组,如图 13-18

Page 601: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

601

所示。单元属性的类型也即单元的类型,例如“Beam”、“Spring”、“Shell”、“Membrane”、“Shear Penal”、“Solid”等等。这种方法可以将不同的单元类型归入不同的组。操作过程类似于“Property Set”,可以同时创建一个组,也可以同时创建多个组。

图 13-18 根据单元属性类型创建组

Loads/BCs Set:根据边界条件创建组。边界条件可以施加于几何、节点或者单元,•

Page 602: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

602

所以,选定边界条件,则将与该边界条件相关的几何、节点或者单元选定,并将其加入到组

中,从而创建组。在【Group】面板的“Method”中选择“Loads/BCs Set”,如图 13-19所示。 根据边界条件创建组时,同样可以一次创建一个/多个组,若选择创建多个组,则新

建组的命名规则与“Property Set”中相同,即以边界条件的名称作为组的名称、给边界条件名称加前缀生成组的名称、给边界条件名称加后缀生成组的名称。不管一次创建几个组,一

次都可以选择多个边界条件。 在“Group Name”中输入组的名称/在“Group Name Options”中选定组的命名规则

之后,在“Loads/BCs Sets”中选择边界条件,选定之后,单击 完成创建过程,被

创建的组将显示在“Existing Group Names”中。

Page 603: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

603

图 13-19 根据边界条件创建组

Loads/BCs Type:根据边界条件的类型创建组。边界条件和单元属性一样,有不同的类型,根据类型的不同选择边界条件,将与该类型边界条件相关的实体对象加入到组中。在

【Group】面板的“Method”中选择“Loads/BCs Type”,如图 13-20所示。 边界条件有多种类型,例如Displacement、Force、Pressure、Temperature、Velocity、

Acceleration等等。

Page 604: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

604

根据边界条件的类型创建组时,一次可创建一个/多个组,若选择创建多个组,则新建组的命名规则与“Loads/BCs Set”中相同,即以边界条件类型的名称作为组的名称、给边界条件类型名称加前缀生成组的名称、给边界条件类型名称加后缀生成组的名称。不管一次

创建几个组,一次都可以选择多个边界条件类型。 在“Group Name”中输入组的名称/在“Group Name Options”中选定组的命名规则

之后,在“Loads/BCs Types”中选择边界条件类型,选定之后,单击 完成创建过

程,被创建的组将显示在“Existing Group Names”中。

Page 605: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

605

图 13-20 根据边界条件的类型创建组

Material:根据材料创建组。材料也是几何/单元的属性之一,可以通过材料的选择选择与材料相关的几何/单元,将它们加入到组中。这里,也可以一次创建一个/多个组,整个过程类似于“Loads/BCs Set”,可参考进行。

Element Topology:根据单元拓扑创建组。单元都有不同的拓扑结构,例如 Beam2、

Page 606: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

606

Tri3、Quad4、Tet10、Wedge15、Hex8 等。根据单元的拓扑选择单元,可以将不同的单元归入不同的组,这是一种很实用的分组方法。其操作过程和使用方法类似于“Loads/BCs Set”,可参考进行。

Element Shape:根据单元的几何形状选择单元创建组。如图 13-21所示,在“Element Shapes”中选择单元的可能形状,将相应形状的单元加入到组中。这里,可一次创建一个/多个组,创建单个组时,直接输入组的名称,一次创建多个组时,可选用组的命名规则确定组

的名称。

Page 607: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

607

图 13-21 根据单元形状创建组

• Element ID:根据单元的标号创建组。如图 13-22所示,当在【Group】面板的“Method”中选择“Element ID”时,既可根据单元的标号创建组。在“Group Name”中输入组的名称,“Make Current”和“Unpost All Other Groups”为可选项。在“Element Summary”选项区域中给出了当前模型中的单元总体信息,总共有多少个单元、单元的最小标号、单元的最大标

Page 608: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

608

号等。在“Element ID Range”中选择单元标号输入方法并输入单元标号,单元的输入方法有两种,起始 ID到终止 ID(Start ID to End ID)和起始 ID加一个递增量(Start ID + Increment),选用前者,则在起始 ID到终止 ID之间的单元都将被加入到组中,若选中后者,则以起始 ID为起点,每次增加一个给定的递增量,所得到的标号的单元将被加入到组中。

图 13-22 根据单元的标号创建组

MPC Type:根据多点约束的类型创建组。这种方法是针对多点约束的,其使用过程与“Property Type”非常类似,可参考进行,这里不再累述。

Boolean:由布尔运算创建组。这是根据已有的组创建组的一种方法,即对已有的组

Page 609: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

609

进行布尔运算,将交、并、差的结果加入到新建的组中,如图 13-23所示。进行布尔运算时,将所有的组分为“A”和“B”,“A”中包含了所有的组,“B”中则包含了除过当前组之外的所有组,从“A”和“B”中分别选择组进行布尔运算,得到新的组。

在“Group Name”中输入组的名称,在“A Groups”和“B Groups”中选定要做布尔运算的组,一次可选择多个。在“Boolean Operation”中选择布尔运算操作方法,共有四

种, 为求交, 为求和, 和 为布尔减运算。选定布尔运算方法和参与运算

的组之后,单击 ,则可根据布尔运算创建一个组。

Page 610: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

610

图 13-23 对已有的组进行布尔运算创建组

13.2.2 显示组(Post)

对于已创建的组,可以有选择的将其显示出来,也就是将组的成员显示出来。在【Group】

Page 611: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

611

菜单中选择“Post”项,或在【Group】面板的“Action”中选择“Post”项,则可以显示组,如图 13-24所示。 在“Current Viewport”中显示了当前的视窗,即在该视窗中显示组成员。在“Select Groups

to Post”中选择要显示的组,可以一次选择一个或多个,也可以用面板下部的按钮来选择。选定之后,单击 ,则被选中的组的成员对象将显示出来,而未被选定的模型部分将

不显示。此时,可以对显示的部分进行各种操作,其相当于一个独立的模型。用这种方法可

以将模型分成几部分,分别处理,再整合到一块,构成整个模型。

图 13-24 显示组

Page 612: MSC PATRAN从入门到精通

13.2.3 修改组(Modify)

对于已经定义的组,可以对其进行修改,如图 13-25 所示。对组的修改包括将组中的成员从组中删除、改变组的名称、将别的对象实体添加到组中等。在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Modify”,在“Target Group to Modify”中列出的是当前组,即要修改的目标组。

图 13-25 修改组的定义

Τ

612

如果要改变修改的目标组,单击 按钮,可打开如图 13-26所示的

Page 613: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

613

【Change Target Group】面板,在“Existing Groups”中选择要修改的组,单击 关

闭该面板。

图 13-26 选择修改的目标组

如果要将选定的目标组设为当前组,在图 13-25中单击 即可。如

果要改变某个组的名称,可单击 ,打开相应的面板修改已有组的名称。

选定要修改的组之后,目标组的成员将列在“Member List”中,例如节点、单元,几何点、曲面、几何实体等,可以从中选择这些对象,以将这些成员从该组中删除,也可以选定别的

对象实体,将其加入到组中。被选中的实体对象将显示在“Member List to Add/Remove”中,单击 或 将被选中的成员对象加入到组中或从组中删除。也可以单击图

13-25下部的几个按钮完成对模型中一类对象实体的操作,在“All Geometry”中可以对模型

Page 614: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

614

的所有几何对象进行添加到组中/从组中删除的操作;在“All FEM” 中可以对模型的所有有限元对象进行添加到组中/从组中删除的操作;而在“All Entities”中可以对所有对象进行操作,包括几何对象和有限元对象。 应该指出的是,这里的添加/删除都是相对于组来说的,对模型本身并没有影响。操作时,

单击 或 即完成,单击 将关闭【Group】面板。

13.2.4 移动/拷贝到组(Move/Copy)

所谓移动/拷贝到组,就是将一个组中的成员对象,移动/拷贝到另外一个组中去。在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Move/Copy”项,如图 13-27所示。在“From Group”和“To Group”中分别选定一个组,例如“rib&brim”和“skin”,也就是将组“rib&brim”的成员对象移动/拷贝到组“skin”中。

Page 615: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

615

图 13-27 将成员移动/拷贝到另一个组

在图 13-27 中,选择“Move”则进行移动操作,选择“Copy”则进行拷贝操作。单击打开如图 13-28所示的【Group Move/Copy】面板,进行成员对象的

选择和移动/拷贝。

图 13-28 选择实体进行移动/拷贝

图 13-28 是进行拷贝操作,面板中用表格分别列出了两个组的所有成员,并按照类型的不同进行了分类,例如,几何的点、曲线、曲面、实体、平面和矢量,有限元的节点、单元

和多点约束。如果选中这些对象分类,则组“rib&brim”中的所有该类对象都将被拷贝。如果要具体的输入,可在“Copy”下的一列表格中输入要拷贝的成员对象,然后单击

即可。选定了要移动/拷贝的成员对象,在图 13-27中单击 按

钮,则会将被选定的对象移动/拷贝到目标组中。

13.2.5 设为当前组(Set Current)

如果要将哪个组设为当前组,则在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Set Current”项,打开如图 13-29所示的面板,在“Set Current Group”中选择要设为当前组的组即可。“Current Viewport”中显示的是当前的视窗。

Page 616: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

616

图 13-29 设为当前组

13.2.6 由已有的组创建对象(Transform)

组的成员是一些几何和有限元对象实体,以组为单位,可以将这些成员对象通过平移、

旋转、镜像、缩放等多种方式,创建新的对象或改变原有成员对象的空间位置,这里,对组

的操作实质上是对组成员的操作。在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Set Current”项,如图 13-30(a)所示。单击图中“Method”项对应的下拉式按钮菜单,可以看到“Transform”的各种方法,如图 13-30(b)所示。

Page 617: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

617

图 13-30(a) 移动组成员创建对象 图 13-30(b) 根据组创建对象的方法

“Transform”中对组操作的方法较多,各种方法的意义如表 13-1 所示。也可参考 2.5.3节中的方法介绍,两者有类似之处。

表 13-1 “Transform”中的各种方法说明

Method 说 明

Translate 将选定的组按给定的矢量的方向和大小做平移/做拷贝。平移将不会生成新的实体

对象,而拷贝则保持原组成员不变,同时生成新对象。

Rotate 将选定的组绕给定的轴线,旋转给定的角度作移动或做拷贝。

Scale 将选定的组以指定的原点和比例因子进行缩放,移动或拷贝。

Mirror 将选定的组以指定的平面作镜像,移动或拷贝。

Page 618: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

618

Mcoord 将选定的组在两个坐标系之间平移、旋转来创建新的成员对象,例如,根据组中的

成员几何点 a在其参考坐标系A中的坐标值,在坐标系 B中创建点 b,使得点 b在

坐标系 B中的坐标值与点 a在坐标系 A中的坐标值相同。

Pivot 给定三点“Pivot Point”、“Starting Point”和“Ending Point”,可以定义一个平面,

在该平面内,以“Pivot Point”为轴点(即以过该点且垂直与该平面的直线为轴线),

根据“Starting Point”和“Ending Point”(即确定一个旋转角度)旋转组以移动或

拷贝组的成员对象。

Position 根据给定的三个原点所确定的位置,通过平移、旋转、缩放,在由给定的三个目标

点确定的相应位置创建新的组成员对象,给定的三个原点、三个目标点不要求完全

匹配,但不能共线。

这里,就以平移为例,介绍“Transform”的使用,如图 13-30(a)所示。首先,单击

按钮打开如图 13-31所示的面板,选择要做平移的组,此处,可以一次选择多个组,被选定的组将显示在“Selected Groups”中。选定“Move”或“Copy”以确定是移动还是拷贝。选中“Transform Loads/BCs”和“Transform Properties”项,则与组成员相关的边界条件和单元属性将同时被移动/拷贝。在“Reference Coord. Frame”中输入参考坐标系。在“Translation Vector”中输入平移时的参考矢量。这些选项都设定之后,单击即可。

Page 619: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

619

图 13-31 选择组

13.2.7 删除组(Delete)

已有的组可以被删除,在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Delete”项,打开如图 13-32 所示的面板,可以进行组的删除。删除组,只是将模型中的实体分组删除掉,而不会将模型中的几何或有限元对象删除掉,当然,也可以选择将组中的成员对象删

除掉。并且,当前组不能被删除,要删除一个组,首先要将其设置为非当前组。

图 13-32 删除组

图 13-32中,“Current Group”中显示了当前组,在“Select Group(s) To Delete”中选定要删除的组,单击 即可完成,选择组时一次可选择多个组。如果选中“Delete

Page 620: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

620

Associated Members”项,则该组中包含的成员对象也将被从数据库中删除,即使与其它组共有的成员对象也将会被删除。

13.2.8 将命名属性应用于组(Attributes)

命名属性(Named Attributes)是显示属性的一种设置方法,将一种显示设置存储为一个命名属性,然后将其应用于组,则该组在显示时将会遵循该命名属性的设置,关于命名属性

的具体介绍可参见 13.5.7 节。在【Group】菜单中或在【Group】面板的“Action”中选择“Attributes”项,打开如图 13-33所示的面板。在“Select Set”中选择命名属性,缺省情况下,有“General”和“Simple”两个。在“Assign to Group(s)”中选择组,同时可选择多个组,将选定的命名属性应用于这些组,选定后,单击 即可。

Page 621: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

621

图 13-33 将命名属性应用于组

Page 622: MSC PATRAN从入门到精通

13.3 视图窗口管理(Viewport)

视图窗口是可移动可改变尺寸的 Patran显示模型的窗口,也可称为视窗,在 Patran中可以有若干个视图窗口用于模型的显示。视窗管理通过菜单【Viewport】实现,包括创建视窗、修改视窗属性、显示视窗等。【Viewport】菜单共有 5个菜单项,如图 13-34所示,下面就分别介绍各项。

图 13-34 【Viewport】菜单的菜单项

可以控制视窗显示或者不显示,组可以被指定在特定的视窗中显示。视窗也有当前视窗

和非当前视窗之分,当前视窗就是处于激活状态的视窗。在 Patran中每创建一个新的数据库,都会自动定义一个缺省的视窗(Default_viewport),作为模型的视图显示区。

13.3.1 创建视窗(Create)

在【Viewport】菜单中选择“Create”项,将打开如图 13-35所示的面板,用于创建视窗。创建视窗的过程比较简单,在“New Viewport Name”中输入视窗的名称,单击 即

可。所有的视窗都将列在“Existing Viewports”中,包括刚刚创建的。

Τ

622

Page 623: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

623

图 13-35 创建视窗

13.3.2 显示视窗(Post)

在【Viewport】菜单中选择“Post”项,将打开如图 13-36所示的面板,用于显示已创建的视图窗口。在“Post/Unpost Viewport”中选择一个或多个视窗,单击 按钮,则会

弹出如图 13-37 所示的警告信息面板,说明当前视窗将被关闭,新的视窗将被打开并成为当前视窗。

图 13-36 显示视窗

Page 624: MSC PATRAN从入门到精通

图 13-37 显示视窗时的警告信息

13.3.3 修改视窗的属性(Modify)

创建视窗时,视窗使用的视缺省设置属性,如果要修改视窗的属性,则在【Viewport】菜单中选择“Modify”项,如图 13-38所示。在“Current Viewport”中显示的是当前视窗,“Target Viewport to Modify”中显示的是被选定要修改的目标视窗。如果要改变目标视窗,可单击 打开【Change Target Viewport】面板选择要修改的视窗。如果要将目标视窗设置为当前视窗,单击 按钮。

Τ

624

Page 625: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

625

图 13-38 修改视窗的属性

如果要将某个组在目标视窗中显示/隐藏,单击 按钮,打开

【Post/Unpost Groups】面板,选择组以显示或隐藏。被选择的组,未显示在目标视窗中的将显示在该视窗中,已显示在目标视窗中的将隐藏。如果要设置当前组,单击

按钮打开设置面板,选择某个组将其设置为当前组。如果要使用命名

视图(Named View),单击 打开【Apply Named View】面板,选择命

Page 626: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

626

名视图以调整显示角度。命名视图是对模型的视图定义,例如前视图、后视图、俯视图等等,

可参见 13.4节。如果要重新命名视窗,单击 按钮,打开一个子面板,

可改变当前视图的名称。要改变云文图的参考彩色谱的范围,单击 打

开子面板【Change Range】选择既可。 接下来是一些显示选项设置,选中“Show Spectrum Bar”将会显示参考彩色谱,选中“Show

Viewport Legend”将显示图例,选中“Show Global Axes”将显示全局坐标系的坐标轴,选中“Show Origin Symbol”将显示坐标原点的标志。“X,Y Location”和“X,Y Size”项分别用来设置/显示目标视窗的位置和大小,前者表示视窗在视图显示区中的位置,视图显示区以左上交为原点,后者表示视窗的大小,以英寸为单位,如果要设置视窗的位置和大小,可输入数

据,之后单击 。

13.3.4 删除视窗(Delete)

对于已有的视窗,可以将其删除,如图 13-39所示。在“Select a Viewport(s)”中选择视窗,单击 将其删除

图 13-39 删除视窗

13.3.5 同时显示所有的视窗(Tile)

如果已创建了多个视窗,可将它们同时显示出来。在菜单【Viewport】中选择“Tile”,例如,如图 13-40 所示,利用多个视窗,可以同时显示出模型的三视图和空间视图。在多个视窗同时显示的时候,也同样只有一个当前视窗,也即只有一个视窗处于激活状态,当然,

Page 627: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

627

可以用鼠标方便的选择激活的视窗。

图 13-40 同时显示多个视窗

13.4 视图操作(Viewing)

视图是从不同角度和距离所看到的模型的效果图。通过【Viewing】菜单项的操作,可以在视窗中移动、转动、缩放模型,还可以局部放大、切割显示模型等等。【Viewing】的菜单项共有 11个,如图 13-41所示。

Page 628: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

628

图 13-41 【Viewing】菜单的菜单项

视窗是可移动、改变大小的图形窗口,视图是视窗中显示的内容,每个视窗都可以对模

型进行显示。每个视窗中都有一个显示坐标系,其确定了一个平面用于视图的显示,显示坐

标系是一个右手系,其X轴水平向右,Y轴垂直向上,Z轴指向屏幕外,原点为显示的焦点,也就是移动、旋转、缩放时的参考点,一般为视窗的中心点。 下面,就分别介绍各菜单项的使用。

13.4.1 移动、旋转和缩放(Transformations)

在【Viewing】菜单中选择“Transformations”项,打开如图 13-42 所示的面板,可以对模型的显示进行移动、旋转和缩放操作。图中共有 13个图形按钮,右边六个可使模型绕X、

Y、Z轴分别作顺时针、逆时针旋转,左上四个用于平移模型,左下两个用于缩放模型,

用于将模型居中,并调整模型的显示比例,使其正好显示在视窗中,与工具栏中的 及

【Viewing】菜单中的“Fit View”功能相同。这里的参考系是屏幕坐标系。

Page 629: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

629

图 13-42 移动、旋转和缩放模型

模型移动的距离、转动的角度、缩放的比例因子等参数的设定可由按钮 打开如

图 13-43所示的面板进行设置。旋转角度以度为单位,缺省情况下为 30度。移动距离因子和缩放比例因子的设定有两个参考对象可选,一个是相对于模型(Model Relative),一个是相对于屏幕(Screen Relative),缺省情况下,移动距离因子“Pan Factor”和缩放因子“Zoom Factor”的值都是 0.3,可根据需要自行调整。

图 13-43 设置“Transformation”的参数

Page 630: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

630

如果是使用的是三键鼠标,则可配合工具栏中的四个工具按钮 ,用鼠标

中键完成旋转、平移、缩放的操作。即选中相应的工具,按住鼠标中键不放并拖动,则可连

续的旋转、移动、缩放模型。

13.4.2 模型居中(Fit View)

当由于旋转、平移等操作使模型处在视窗范围之外时,在【Viewing】菜单中单击“Fit View”菜单项,可使模型居中于视窗中心显示,同时自动调整缩放比例因子,不但使整个模型都能

够显示,而且尽可能有效的利用视窗的空间显示模型。

13.4.3 鼠标定位显示(Select Center)

在【Viewing】菜单中单击“Select Center”,然后用鼠标在视窗中单击模型中的某个部位,则会将该部位居于视窗的中心位置显示。这也是调整显示的一种方法。

13.4.4 选择局部显示(Select Corners)

如果要将模型的局部放大显示,可在【Viewing】菜单中选择“Select Corners”项,然后用鼠标左键在视窗中拖出一个矩形框选择要局部放大的部位,则可将被选中的区域放大显示。

其与工具栏中的 工具功用相同。这种方法可用于观察模型的细节。

13.4.5 缩放视图(Zoom(% of View))

如果要将当前视图按照一定的比例缩放显示,可在【Viewing】菜单中选择“Zoom(% of View)”项,其又有多个子项,如图 13-44所示,在子项中选择缩放的比例因子(以百分数表示),则当前视图将按选定的比例因子缩放后显示。如果自己要定制缩放比例因子,可单击图

13-44中的“Custom”项,打开相应的面板设置。

Page 631: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

631

图 13-44 缩放比例的选择

13.4.6 视点角度(Angles)

如果要从不同的角度观察模型,可以输入视点与坐标系各轴之间的夹角来确定视图角度。

在【Viewing】菜单中选择“Angles”项,可打开如图 13-45所示的面板,其“Angles”项中显示了当前视点的角度,可以在其中输入三个角度值,以调整视图角度。首先,在“Method”中选择参考坐标系和坐标系的使用方法,参考坐标系包括模型的全局坐标系和显示的屏幕坐

标系,坐标系的中的角度可以是绝对值,也可以是相对值,绝对值是直接相对于坐标系的轴

线的夹角值,而相对值则以当前值为参考,相对转动给定的角度。例如“Model Absolute”项表示选用模型的全坐标系并使用绝对的角度值。选定和输入完成之后,单击 ,则

视图将按设定调整显示角度。

图 13-45 显示/输入视点角度

Page 632: MSC PATRAN从入门到精通

13.4.7 用两点确定视角(View From/To)

指定两个点,一个是视点,一个是模型的焦点,确定一个观察方向,显示视图。在【Viewing】菜单中选择“View From/To”项,打开如图 13-46所示的面板。在刚打开该面板时,“Observation Point”和“Focal Point”中显示的是当前的视点和焦点。如果要重新设置,则输入新的坐标值,确定视点和焦点的位置,也可以用 按钮将模型的几何中心设置为

焦点,单击 ,则视图将按所设置的视点和焦点显示。

图 13-46 确定视点和焦点

13.4.8 各方向不同比例缩放(Scale Factors)

前面介绍的缩放都是各个方向上同比例缩放,如果需要在不同方向上进行不同比例的缩

放显示,可在【Viewing】菜单中选择“Scale Factors”项,打开如图 13-47 所示的面板,进行各个方向上的比例设置,显示不同方向上的不同比例的模型视图。

Τ

632

Page 633: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

633

图 13-47 设置各个方向上的显示比例因子

这里,也有两个坐标系可选,一个是模型的全局坐标系,一个是屏幕坐标系,因为屏幕

十二位的,所以只有两个坐标分量。图中的“Screen X”和“Screen Y”表示屏幕坐标系的X和 Y方向的比例因子,“Model X”、“Model Y”和“Model Z”分别表示模型全局坐标系中的三个比例因子。设定之后,单击 显示视图。

13.4.9 命名视图(Named View Options)

命名视图(Named View)是存储在数据库中的对象,其包含了模型显示的设置信息,例如,模型的转角、显示大小、位置等信息,例如模型的前视图、后视图、俯视图等等。如果

要创建、显示、修改命名视图,在【Viewing】菜单中选择“Named View Options”项,打开如图 13-48所示的面板。

Page 634: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

634

图 13-48 命名视图管理

在图 13-48中,“Current Viewport”中显示的是当前视窗。“Select Named View”中列出了当前已有的所有命名视图,选中其中一个,则该视图就显示出来。要创建命名视图,单击

按钮,打开如图 13-49所示的面板,在“Create New View”中输入命名视图的名称,在视窗中将模型的视图调整好,单击 即可。

图 13-49 创建命名视图

Page 635: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

635

对已有的命名视图也可以重命名或将其删除,如果是重命名,则在图 13-48 的“Select Named View”中选择要重命名的视图,单击 按钮,在弹出的相应面板

中输入新的名称。如果是删除,则在选中要删除的命名视图之后,单击

按钮,则被选中的视图会被删除。

13.4.10 切割/投影显示(Clipping/Perspective)

这里所谓的切割显示,是指用两个垂直于屏幕坐标系的 Z轴的平行平面将模型切割,只显示夹在两个平面中间的部分。投影显示是指沿屏幕坐标系的 Z轴移动投影平面和视点,根据投影平面、模型焦点和视点三者之间的位置关系,将模型向投影平面投影所得到的视图显

示。 在【Viewing】菜单中选择“Clipping/Perspective”项,打开如图 13-50 所示的面板。在

图中,选中“Clipping”和“Perspective”项,图中上部的各种符号显示了当前模型与两个切割平面之间的关系以及投影平面、视点、模型、模型焦点之间的位置关系。图中的线框表示

模型,符号 和 分别表示后边和前边的切割平面, 表示投影平面, 表示视点,小圆

表示模型的焦点。图中的水平方向为 Z轴方向,向右为正。

Page 636: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

636

图 13-50 切割/投影显示设置

在图中,可以用鼠标左键拖动这些点或面的以改变其位置(只有 Z 轴坐标可变),视窗中的图形显示会随即改变,也可以在“Back Clipping Plane”、“Front Clipping Plane”中直接输入坐标值以改变前后切割平面的位置,在“View Plane Distance”中输入投影面与焦点之间的距离,在“Observer Position”中输入视点的坐标值,这样也可以即时改变模型的显示效果。 如果选定了“Perspective”项,投影平面和焦点之间的距离会影响模型的显示大小,该距离越大(正负号有效),模型的显示越小。视点与焦点之间的距离同时影响模型的显示大小

和投影变形,该距离越大,则投影的尺寸和变形都越小。

Page 637: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

637

13.4.11 任意面切割(Arbitrary Clipping)

在“Clipping/Perspective”中,只能用垂直于 Z轴的平面切割显示模型,这里,可以定义任意的平面切割显示模型。在【Viewing】菜单中选中“Arbitrary Clipping”项,打开如图 13-51所示的面板。在这里,可以创建、删除切割平面,也可以显示切割平面切割后的显示效果。

图 13-51 用任意面切割显示模型

Page 638: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

638

创建切割平面时,单击 按钮,输入切割面的名称即可,(使用缺省的位置和方

向),创建之后,可以将其进行移动和旋转,从而变成一个“任意”的切割面。如果创建了多

个切割面,可以在“Target Clipping Plane”中选择一个作为当前的切割面使用,切割面在视图中用一个线框和一个箭头表示,其中箭头表示其法矢。如果要删除切割平面,在“Post/Unpost Clipping Plane”选定,单击 将其删除。 一般来说,切割平面都以屏幕坐标系为参考,如果选中“Move With Model”项,则其参

考系变为模型的全局坐标系。选中“Display Direction Icon”项,则切割平面将以线框和箭头形式显示,否则,将不显示。

用六个按钮图标(如 )来控制切割面的转动和平移,单击上面两个可使切割面绕 X

轴旋转,中间两个可使切割面绕Y轴旋转,下面两个则可以使切割面向前、向后移动(前后是相对于切割面的正方向来说的)。每次转动的角度和移动的距离在“Options”下的“Rotate”和“Number of Units”中设定。“Direction”和“Location”两项分别显示了当前切割面的方向和位置。 在移动或转动切割面时,可以看到只有处于切割面前的模型部分显示出来,其余部分不

显示。

13.5 图形显示特性设置(Display)

Patran 的菜单【Display】用来设置图形的显示特性,也就是控制在视窗中显示哪些实体(这里指各种几何和有限元对象)以及如何显示。Patran 的数据库中可以包含大量的集合和有限元实体,显示设置可以更好的组织这些实体的显示,使视窗界面美观且使用方便。 【Display】的菜单项可以控制诸多显示特性,例如渲染方式、实体的显示/不显示、高亮

度显示、标签显示等。其它选项还包括创建命名属性、参考彩色谱的设置、颜色和光源设置

等。【Display】的菜单项如图 13-52所示,下面就分别介绍各个菜单项。

Page 639: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

639

图 13-52 菜单【Display】的菜单项

13.5.1 实体的颜色、标签和渲染设置(Entity Color/Label/Render)

【Display】菜单的第一个菜单项就是“Entity Color/Label/Render”,单击该项可打开如图13-53所示的面板【Entity Color/Label/Render】。在该面板中可以设置实体的显示颜色、标签是否显示以及模型的渲染方式。这些设置可以通过两种模式来完成,一种是实体类型“Entity Type”模式,一种是组“Group”模式,前者是根据实体类别来设置,例如设定几何点、节点、曲线、曲面、单元的显示特性,则所有视窗中该类实体都将按这里的设置显示,图 13-53所示的就是这种模式;后者是按定义的组来设置显示属性。

Page 640: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

640

图 13-53 实体的显示设置

设置模式可在“Entity Coloring and Labeling”选项区域中选择,选定“Entity”或“Group”。如果选定了“Entity Type”,则可在“Render Style”中选择实体的渲染方式。“Shade Color”项的设置在“Render Style”的设置为“Shaded”时才起作用,代表了曲面和几何实体的显示颜色。在“Entity Type Colors and Labels”中选择各种实体的显示颜色,如果要显示哪类实体的标签,则选中其右侧相应的“ Label”项。也可以用 或

设定显示所有实体的标签或不显示标签。在“Label Font Size”中选择标签字符的大小,缺省为 10。设置完成后单击 确认。 模型显示时的渲染方式有六种,如图 13-54所示,缺省情况下都使用线框“Wireframe”

方式。各种渲染方法的说明如表 13-2所示。

Page 641: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

641

图 13-54 模型显示的渲染方式

表 13-2 模型的渲染方式

Render Style 说 明

Wireframe 线框法,用一系列曲线段来表示模型。几何曲面和几何实体的每个参数方向上都

有曲线,这样可以表现出曲面的轮廓,这种方的显示速度是最快的。

Wireframe/Accurate 精确线框法,这种方法类似于“Wireframe”,两者的区别在于这种方法考虑了模

型视觉深度方向上的变化,使模型各部分看起来更具有层次性。

Hidden Line 隐藏线法,这种方法也用线框来显示模型,但被遮挡的部分将不会显示。

Hidden Line

/Accurate

精确隐藏线法,这种方法类似于隐藏线法,但其考虑了模型视觉深度方向上的变

化。

Shaded/Flat 用一系列不能透视的三角形表达实体,每个三角形都有一致的颜色,根据光源的

定义计算得到。被遮挡的部分将不会显示。

Shaded/Smooth 用光滑的不能透视三角形表示曲面和几何实体以及有限元单元。被遮挡的部分将

不会显示。

如果在面板【Entity Color/Label/Render】中选择的是“Group”模式,则其面板如图 13-55

所示。此时,实体对象的选择基于组进行,选择了某个组,则颜色设置、标签显示设置、渲

染方式设置都应用于该组的成员。在“Target Group(s)”中选择组,设置其显示属性。

Page 642: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

642

图 13-55 选用组模式来设置

Patran界面上的工具图标 部分的提供了这里介绍的功能,可用于模型

显示的控制。

13.5.2 显示/不显示(Plot/Erase)

对于模型中的各种实体对象,可以控制是否将其显示出来,在【Display】菜单中选择“Plot/Erase”项,打开如图 13-56 所示的面板,用于显示的控制。在“Selected Entities”中输入或选择要操作的实体对象(包括几何的和有限元的),选中之后,如果要显示,则单击

按钮,如果不想显示这些实体,则单击 按钮。也可以在“Posted Entities”选项区域中选择显示/不显示所有的几何/有限元实体对象。被选中要显示的实体将在所有的

Page 643: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

643

视窗中显示,不显示的实体将在所有的视窗中都不显示,不过,这种控制只是显示控制,对

数据库本身不作修改,设置信息也不会保留在数据库中。

图 13-56 显示/不显示控制

如果要控制用户建立的坐标系是否显示,可在图 13-56中单击 按

钮,打开如图 13-57 所示的面板,控制局部坐标系的是显示。模型中所有的局部坐标系都将显示在“Post/Unpost Coord. Frame(s)”中,可以单击按钮 或 不显示所有

的局部坐标或显示所有的局部坐标。也可以在“Select Coord. Frame(s)”中输入或选择某个局部坐标系以控制是否将其显示。

Page 644: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

644

图 13-57 坐标系的显示控制

13.5.3 高亮度显示(Highlight)

在模型显示时,可以有选择的将有些实体对象高亮度显示,在【Display】菜单中单击“Highlight”项,可打开如图 13-58所示的面板,进行实体对象的高亮度显示控制。在“Selected Entities”中选定要高亮度显示的实体对象,单击 按钮,则被选中的对象将高亮度

显示。至于高亮度显示的颜色,用【Preferences】菜单中的“Graphics”项设置,可参见 13.6.3节。如果要取消所有的高亮度显示,单击 即可。

Page 645: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

645

图 13-58 高亮度显示实体

13.5.4 几何对象显示控制(Geometry)

如果要对几何对象的显示进行详细的控制,在【Display】菜单中单击“Geometry”项,打开如图 13-59 所示的面板。在该面板中,可以控制诸多的几何显示属性,包括显示的线条数目、曲线和曲面的准确显示、几何体缩小显示、几何的参数坐标方向的显示、自由面的显

示、点的显示尺寸设置、实体的颜色和标签等。

图 13-59 几何对象显示控制

在图 13-59中,“Number of Display Lines”项用来设置用几条曲线来显示一个曲面或几何

Page 646: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

646

实体(当用线框模式来显示几何时),这里的几条曲线指的是曲面、几何实体内部的曲线数目,

而不包括边界,如果是“0”,则所有的几何曲面和实体将只用边界线来表达。 “Chordal Tolerance”项用来控制区线和曲面的显示精度,显示时,曲线和曲面都是用直

线段和平面三角形来近似表达,这里给出的就是最大弧高,即真实的曲线/曲面与模拟它们的直线段/三角形的最大距离。该值给得越小,则对曲线、曲面的近似就越精确,但显示速度也会相应的降低,要在现实质量和显示速度之间取一个折衷值。 通过移动“Geometric Shrink”对应游标的滑块,可以将几何对象按百分比缩小显示,这

样可以将几何与有限元部分分开,有利于观察模型。若选中“Show Parametric Direction”项,则几何对象的参数坐标的方向会以线条的形式显示出来,有时,需要知道几何的参数坐标的

方向。若选中“Show Free Faces”项,则模型中的自由面将会显示出来。调整“Point Size”相对应的游标,可以调节几何点的显示大小,缺省情况下为“1”。 在“Colors and Labels”选项区域中,设置各种几何对象的显示颜色,并别可以选择是否

显示对应的标签,这类似于 13.5.1 节中的设置。也可以单击按钮 或

,显示所有的标签或隐藏所有的标签。单击 按

钮可以控制局部坐标系的显示,可参考图 13-57。

13.5.5 有限元对象显示控制(Finite Element)

有限元对象的显示控制与几何对象的显示控制比较类似,在【Display】菜单中单击“Finite Elements”项,打开如图 13-60所示的面板。“#line Segments per Edge”选项用来设置显示单元边/梁单元的线段数、单元面的显示划分个数。“FEM Shrink”项用来设置单元的缩小显示百分数。选中“Show Only Free”选项区域中的“Edges”或“Faces”将只显示单元的自由边或自由面。用“Node Size”的游标来调节节点的显示大小。在“Colors and Labels”中可以控制有限元对象的显示颜色及其标签的显示。

Page 647: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

647

图 13-60 有限元对象的显示属性设置

13.5.6 边界条件及单元属性显示控制(Load/BC/Elem. Props)

在菜单【Display】中单击“Load/BC/Elem. Props”菜单项,打开如图 13-61所示的面板,可以控制显示哪些边界条件以及单元属性,并且可以设置它们的显示颜色。

Page 648: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

648

图 13-61 边界条件及单元属性的显示控制

在图 13-61中,在“Load/BCs”中设置显示哪些边界条件,例如位移(Displacement)、集中力(Force)、压力(Pressure)、温度(Temperature)等等,并且可以设置各类边界条件的显示颜色。也可以单击按钮 显示所有类型的边界条件,或者单击 隐藏

所有类型的边界条件。

Page 649: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

649

单元属性项“Element Properties”的设置类似于边界条件“Load/BCs”,可参照进行。选中“Show on FEM only”项,则边界条件和单元属性将只显示在有限元单元上,否则将显示在起当初应用时的实体上(几何或有限元)。选中“Show LBC/El. Prop. Vectors”项,则会显示边界条件/单元属性但矢量方向。选中“Show LBC/El. Prop. Values”项,则会显示边界条件/单元属性的值。关于矢量显示的颜色和大小,可以单击 按钮打开相应

的面板进行设置。关于标签的显示形式,可以单击 按钮打开相应的面

板设置。 在“Beam Display”项中可以设置梁单元的显示方式,单击其对应的下拉式按钮菜单,

选择梁的显示方式,如图 13-62所示。“1D Line”将只用一条线表示梁,“2D Mid-Span”将用一条线表示梁的中心线,同时给出梁的一个截面,“3D Full-Span”方式则将以梁的实际定义形状显示,“Offset”项表示显示梁相对于定义其的点/线的偏移量。

图 13-62 梁单元的显示方式

选中“Display Pin DOFs”项,则将会显示梁单元属性定义时的“Pinned DOFs”。若选中“Display Spring DOFs”项,则将会显示赋予单元的“Spring Property DOFs”。另外还有坐标系的显示控制。

13.5.7 命名属性(Named Attributes)

命名属性(Named Attributes)是 Patran的强大功能之一,其是显示属性的集合,包括几何、有限元、光线、结果、矢量五个方面。命名属性的所有信息都以一个独立的名字来存储

和使用,可以创建多个命名属性。 命名属性提供了一种简单而灵活的方法,可以将常用的显示属性设置存储为一个命名属

性,在需要使用时调用即可。命名属性的应用是全局的,即一旦应用,则所有的视窗都将按

其设定显示。

Page 650: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

650

在【Display】菜单中选择“Named Attributes”项,打开如图 13-63所示的面板,用于创建、删除、重新命名命名属性。在图中的“Current/New Set”中输入命名属性的名称,单击

,则当前数据库中的显示设置将被以该名称存储下来,在需要使用的时候可以选用

以重新应用该设置。

图 13-63 命名属性操作

13.5.8 坐标系(Coordinate Frames)

过于坐标系的显示设置,可参见图 13-57。

13.5.9 视窗标题(Titles)

用户可以创建视窗的标题并将其显示在视窗中。在【Display】菜单中单击“Title”项,打开如图 13-64所示的面板,用于创建、显示、重命名、删除视窗的标题。在“Target Title”中输入标题的名称,单击 ,则会创建该标题,如果选中“Post New Title”项,则新创建的标题会被显示。创建的所有标题将列在“Post/Unpost Title”中,从中选择某个标题,则被选中的标题会显示在视窗中,一次可选择多个标题显示。在“Title Color”中选择标题字符的颜色,在“Font Size”中选择标题字符的大小。

Page 651: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

651

图 13-64 创建视窗标题

标题只显示在视窗中,而不能与模型的特定部分相联系,所以,标题将不随模型位置和

视角的变化而移动。创建时,标题将显示在视窗的左上角,可以用鼠标拖动将其放置在合适

的位置。

13.5.10 参考彩色谱(Spectrums)

参考彩色谱(Spectrums)用于结果的显示,与范围(Range)概念紧密相关。参考彩色谱是表达分析结果的一种手段,其是一条竖直放置的渐变彩色条带,每一种颜色代表一定范

围的结果值,模型分析结果的值将以其为参考用颜色显示出来。在【Display】菜单中选择“Spectrums”项,打开如图 13-65所示的面板,用于参考彩色谱的定义。

Page 652: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

652

图 13-65 定义参考彩色谱

在图 13-65 所示的面板中,可以创建、重命名、删除参考彩色谱(Spectrums)。已有的参考彩色谱将列在“Current Spectrum”中,当前使用的将以高亮显示,可以用鼠标选择某个为当前参考彩色谱,用于结果的显示。如果要在视窗中显示当前参考彩色谱,可用【Viewport】菜单中的“Modify”的面板实现,参见 13.3.3节。

Page 653: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

653

其它按钮都一目了然,这里就不再累述。创建参考彩色谱时,如果选中“Continuous Color”项,则所定义的参考彩色谱的颜色将是连续变化的,而不是跳跃式变化的。“Interpolation Factor”项用来确定参考彩色谱中两种颜色之间混合的方式,一般情况下,“1”或“2”比较好,确定该值的一种好的方法是输入不同的值进行对比。

13.5.11 范围(Ranges)

这里的范围(Range)是一个专用名词,其定义了与结果显示相关的数值,用于云文图的显示。在一次分析结束之后,模型的每个节点都有不同的结果值,而用标签将所有节点的

值都清楚的显示出来是不可能的,所以,就用“范围”将结果值依次分为几个范围段,每个

段有一个上限值和一个下限值,落在范围段内的结果值将被分配到该段中,在显示时将被认

为是相同的。再将范围与参考彩色谱相关联,用一种颜色表示一个范围段,这样,复杂的结

果就能清晰的显示出来了,一般来说,能够满足显示精度的要求。 在【Display】菜单中选择“Ranges”项,打开如图 13-66所示的面板,进行范围(Range)

的设置。在该面板中,可以创建、重命名、删除范围,也可以将定义好的范围应用于视窗。

Page 654: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

654

图 13-66 设置范围

在图 13-66中,“Target Range”项中列出了当前已有的所有范围,可以选择某个范围,单击 按钮将其应用于当前视窗。可以用 、

、 按钮打开相应的子面板创建、重命名、删除范围,创建时各范围段的

值的设置在图中下部的表中输入。 “Data Method”选项区域用来选择各范围段值的设置方法,当已知整个结果的值的范围

Page 655: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

655

时,可以选用“Semi-Auto”方法,输入起始值和终了值,单击 按钮,则 Patran会根据范围段的数目“Number of Sub-Ranges”自动计算每个范围段的上下限并显示在表中。“Semi-Auto(Delta)”方法与“Semi-Auto”方法类似,只是其根据给定的起始值和增量来定义范围段,增量值可以为正也可以为负。如果选用“From”方法,则可以在“Spreadsheet Input”中直接向表格中的“From”列中输入数据定义范围,即指定范围段的一个边界值。“From/To”方法则可以直接向表格中的“From”和“To”列中输入数据,即指定范围段的上下限。“Middle”方法则只可以向表格中的“Middle”列中输入数据,即指定范围段的中间值。 当在“Data Method”中选定“Semi-Auto”或“Semi-Auto(Delta)”方法时,“Thresholding”

选项区域被激活,用于设置视窗中显示的范围的最大值和最小值。“None”表示不设置,“Start”表示只设置最大值,“End”表示只设置最小值,“Start/End”表示同时设置最大值和最小值。设置的最大值将显示在视窗的右上角,最小值将显示在视窗的左下角。

13.5.12 视窗背景颜色设置(Color Palette)

缺省情况下,Patran 的视窗的背景色是黑色的,如果想要改变其背景色,在【Display】菜单中选择“Color Palette”项,打开如图 13-67所示的面板。设置的配色方案也可以对象的形式存储在数据库中,利用 、 、 按钮可以创建、重命名、删除

配色方案。“Current Color Palette”中列出了当前已有的配色方案,当前使用的会高亮显示,如果要改变,可在其中选择。

Page 656: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

656

图 13-67 设置视窗的背景色

在这里,配色的方法有两种,“RGB”(用红绿蓝三色配色)和“HLS”(根据色调、亮度、饱和度配色),可以在该面板中选择使用。 图13-67的左侧显示当前调色板中定义的16种颜色,其最上边的一个即为视窗的背景色。

用鼠标选中这些颜色,可以用“RGB”或“HLS”对应的滑动游标对其进行修改。或者单击按钮使其恢复到系统的缺省设置。

Page 657: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

657

13.5.13 光线设置(Shading)

在【Display】菜单中选择“Shading”项,打开如图 13-68所示的面板,可以进行影响模型阴影的变量参数设置,包括模型的纹理、光线反射、高亮度显示、镜面反射颜色、边的显

示等。

图 13-68 光线设置

图 13-68 中有两个选项区域,一个用来设置曲面的光线参数,一个用来设置边的显示。在“Surface Description”选项区域中,“Label Color”项用来设置曲面标签的颜色。“Texture”

Page 658: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

658

项用来设置曲面的显示纹理,滑动游标来调整其值,其值为“0”则光滑的显示曲面,为“1”则只概念性的显示曲面。“Transparency”项用来设置实体的透明性,值为“0”则不透明,为“1”则如玻璃一般透明。“Specular Reflection”和“Diffuse Reflection”项分别用来设置曲面的镜面反射率和漫反射率。“Highlight Size”项用来设置模型高亮度显示的区域大小。“Object Color”和“Light Color”项分别确定模型对象的颜色和光源的颜色是否会变化。在“Edges”选项区域中确定是否显示模型的边,以及边的显示颜色。

13.5.14 光源(Light Sources)

光源是为了使模型看起来逼真形象而设置的、模拟客观环境的,在【Display】菜单中选择“Light Sources”项,打开如图 13-69所示的面板,用于光源的设置和使用。

Page 659: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

659

图 13-69 光源的设置

已有的光源将列在“Post/Unpost Light Sources”中,可以用鼠标选择显示。可以单击或 按钮创建或删除光源。如果要修改那个光源,则在“Target Light Source”

中将其选中,使其变为目标光源。如果选中“Move With Model”项,则目标光源将会随模型而运动,如果选中“Show Direction Icon”项,则光源的光源点和方向将会在视窗中显示出来(用一个小锥形)。在“Direction”中输入矢量值可以修改目标光源的方向,在“Location”中输入坐标值可以修改光源的位置(在屏幕坐标系中)。在“Color”项中选择光源的颜色,

Page 660: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

660

用“Intensity”的游标调整光源的强度,用“Attenuation”项来调整光源的衰减。选定“Opposing Light Sources”项,则会显示反射光。

13.6 环境设置(Preferences)

利用 Patran 界面上的【Preferences】菜单项,可以进行全局性质的参数设置,例如分析解算器的选择、全局变量的设置、图形显示设置、鼠标设置,还有有关几何和有限元的设置

等,其菜单项如图 13-70所示。下面,就分别介绍各菜单项的使用。

图 13-70 【Preferences】菜单的菜单项

13.6.1 分析解算器的选择(Analysis)

创建模型时,首先应明确要分析的问题属于哪种类型的问题,继而选择合适的程序分析。

在【Preferences】菜单中,单击“Analysis”项,打开如图 13-71所示的面板,选择解算器。

Page 661: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

661

图 13-71 选择解算器

在“Analysis Code”项对应的下拉式按钮菜单中,选择分析程序,其中包含了 Patran所支持的所有解算器,如图 13-72所示。选定了解算器,在“Analysis Type”中选择分析类型,例如结构分析、热分析、气动弹性分析(Nastran支持的)等。在“Input File Suffix”中给出了解算器的输入文件类型,“Output File Suffix”中给出了其输出文件的类型。

图 13-72 Patran所支持的解算器

13.6.2 全局参数设置(Global)

全局参数允许设置警告信息选项,选定缺省坐标系以及进行模型全局公差设置。在【Preferences】菜单中选择“Global”项,打开如图 13-73所示的面板。

Page 662: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

662

图 13-73 全局参数设置

图 13-73中,选定“Enable Revert Operation”项,则可以改变“Revert-Enable”标志,其会影响到数据库的打开、存储、关闭、恢复,以及 Patran的关闭操作,在执行这些操作时,将会给出提示信息。 用“Warning Message Options”选项设置警告信息的显示方式,缺省情况下为非模式方

式“Display Non-Modal Plane”,也可以选择铃声方式“Ring Bell”或不提示。在“Default Coordinate Frame”中输入参考坐标系,其缺省值为“coord 0”。在“Default Construction Plane”中选择缺省的结构平面(通过选择该平面的法向矢量来确定)。在“Global Model Tolerance”中输入模型全局公差,其是一个点的最小标志,若某两个点的距离小于该值,则将被认作一

个点。

13.6.3 显示设置(Graphics)

这里的显示设置与【Display】中的显示设置不同,这里主要针对全局性的一些显示属性。

Page 663: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

663

在【Preferences】菜单中选择“Graphics”项,打开如图 13-74所示的面板。

图 13-74 显示参数设置

在图 13-74中,选中“Auto Extend”项,则当创建的某个对象处在视窗的可视范围之外

时,系统会自动调整以将其显示出来,作用等同于工具按钮 。选中“Auto Fit View”项,

则在模型转动时自动调整其大小,使其能刚好显示在视窗中,类似于动态的 。选中

“Hardware Rendering”项,则会进行硬件渲染,否则,渲染由软件来完成。 选中“Disable Auto Update”项,则系统不会进行自动更新,更新需要手动操作完成,一

Page 664: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

664

“Marker Options”选项区域用于设置图形符号。在“Primary Marker”中选择主图形符号的形式,其可选项比较多,如点、小圆、加号等等,如图 13-75所示。在“Secondary Marker”中选择次图形符号的形式,在“Marker Color”中选择图形符号的颜色。在“Marker Size”中选择图形符号的大小。

般不选该项。在“Highlight Color”选项区域进行高亮显示的颜色设置,“Primary Color”项用于设定被选中对象的颜色,“Secondary Color”项用来设置处在鼠标选择范围之内的对象(还未被选择)的高亮显示颜色,“Error Color”项用于设置与错误条件相关对象的高亮显示颜色。

图 13-75 图形符号的形式

13.6.4 鼠标设置(Mouse)

这里的鼠标设置,是设置鼠标的中键(对三键鼠标而言)功能,即将鼠标的中键功能设

置为旋转、拖动、缩放等。在【Preferences】菜单中单击“Mouse”项,打开如图 13-76所示的面板,进行鼠标中键功能设置。

Page 665: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

665

图 13-76 鼠标中键功能设置

在图 13-76中,在“Middle Mouse Button Map”选项区域中选择中键的功能,“Rotate X/Y”表示按住鼠标中键拖动,则模型将会绕 X轴或 Y轴旋转,“Rotate Z”项表示模型绕 Z轴旋转,“Pan X/Y”表示模型将可以在XY面内平移,“Zoom”表示用中键可以连续缩放模型。

应当说明的是,这里参考的坐标系是屏幕坐标系。这些选项的功能与工具按钮

相同。 选中“Transform Wireframe”项,则在用鼠标拖动模型时,模型将以线框形式显示,而

不管静态时模型的显示设置是什么。选中“Transform with Edges”项,则在用鼠标拖动模型时,模型将以边的形式显示,而不管隐藏线设置。选中“Mouse Tracking”项,在硬件渲染模式下,渲染将尽力跟上鼠标的运动,而在软件渲染模式下,渲染将自动尽力跟上鼠标的运

动,与是否选择该项无关。选中“Spin Model”项,则可以用鼠标中键旋转模型,即单击鼠标中键,则模型会自动旋转,以显示不同的部位。 单击 按钮,打开如图 13-77所示的面板,可以进行鼠标中键作用

时模型运动系数的设置。用“Rotation(deg)”项的游标可以调整中键转动模型时鼠标移动的位移与模型转过的角度之间的关系,该值设置的越大,则模型转动的越快。在这里,可以选

Page 666: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

666

择模型旋转时的参考坐标系,可以是模型的全局坐标系(选择“Model Relative”),也可以是屏幕坐标系(选择“Screen Relative”)。用“Pan Factor”的游标来调整平移模型时的运动系数,即鼠标移动距离与模型移动距离的比值。用“Zoom Factor”的游标来设置模型的缩放系数。

图 13-77 设置模型的运动系数

13.6.5 选择设置(Picking)

在模型操作时,用鼠标选择对象是常用且方便的方法,是不可缺少的,也可以用鼠标拖

出的矩形框/多边形框选择对象。在【Preferences】菜单中选择“Picking”菜单项,打开如图13-78所示的面板,可进行鼠标选择的相关设置。

Page 667: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

667

图 13-78 鼠标选择设置

图 13-78中,“Single Picking”选项区域用来设置鼠标选择的方式,选择“Centroid”项,则在选择时,中心离鼠标最近的实体将被选中,选择“Entity”项,则离鼠标中心最近的实体将被选中。在“Entity Picking Cursor”中选择当用于选择实体时鼠标的形式,例如方框、十字线等。 在“Rectangle/Polygon Picking”选项区域中,进行矩形/多边形框选择的设置。选中“Enclose

Entire Entity”项,则在选择时,完全处于筐内的对象才会被选中。选中“Enclose Any Portion of Entity”项,则对象只要有一部分处在框中即会被选中。选中“Enclose Centroid”项,则只有当对象的中心包含在框中的时候,才会被选中。

Page 668: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

668

选中“Cycle Picking Form”项,在“Entity”模式下,选中对象后,会在鼠标下部弹出一个面板,列出被选中的对象;在“Centroid”模式下,列出被选中对象的中心。选中“Horizontal select menus”项,则选择菜单会水平显示,而不会垂直显示,关于选择菜单,参见 2.1.1节。选中“Show Picking Icons”项,则会将多边形选择、选择多个对象、替换等工具添加到选择菜单中。 选中“Label Highlighting”项,则当对象高亮度显示时,其标签将会自动显示。选中“Entity

Highlighting”项,则当实体处于鼠标的选择范围之内时,其将会高亮度显示。“Node/Point Size”项用来设置节点、几何点在被鼠标选择时的显示大小,用游标调整。

13.6.6 报告格式设置(Report)

报告是 Patran对模型和分析结果输出的一种方式,可参见 8.2.7节。在【Preferences】菜单中选择“Report”项,打开如图 13-79所示的面板,可以对报告的输出格式做一些设定。

图 13-79 报告输出设置

在图 13-79中,报告的数据格式由“Floating Point”和“Scientific Notation”项来设置,前者表示用浮点小数输出数据,后者表示用科学计数法输出数据。“Field Width”项用来设置

Page 669: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

669

输出数据每列的数据宽度,包括小数点在内。“Number of Decimals”则用来设置小数部分的位数,“Integers”项用来设置数据的整数部分的位数。“Spacing”项则用来设置两列数据的间隔。

13.6.7 几何设置(Geometry)

集合参数设置可以控制如何创建、输入几何对象。在【Preferences】菜单中选择“Geometry”项,打开如图 13-80所示的面板。

图 13-80 几何参数设置

在 Patran的早期版本中(如 Patran 2),几何曲线、曲面、实体是用三次参数、双三次等来表示的,如果选中该项,则在【Geometry】中创建几何时,都用三次来表示,这样有利于有限元网格的划分。 在“Solid Origin Location”选项区域中设置创建对象的缺省位置,选择确定根据早期版

本的约定还是新版本的约定。如果选中“NURBS Accelerator”项,则样条曲线和几何曲面将用分段多项式来表示,不引入任何近似。

Page 670: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

670

选项“Auto Update Solid Mesh/LBC”用来控制实体的自动更新。选定该项,则当实体进行“Boolean”、“Imprint”、“Shell”等操作后,系统会自动更新与实体相关的网格和边界条件。如果在此处不选定该项,则在以上各种操作时会分别给出相应的选项,实现自动更新。 通常,参数化实体(Parasolid)是几何建模的核心,其用米作为模型的尺度单位,而 Patran

是一个无单位制的系统,为了实现两者之间的正确交互,必须引入一个比例系数,该系数就

在“Geometry Scale Factor”中选择设置,该值确定了 Patran中一个单位长度与参数化实体中的一个单位长度的比值。

13.6.8 有限元设置(Finite Element)

有限元参数设置用于控制当进行“Create/Mesh Seed”、“Create/Mesh”、“Sweep”等操作时,节点与几何的不连续斜边的匹配。在【Preferences】菜单中选择“Finite Element”项,打开如图 13-81所示的面板。

图 13-81 有限元设置

在图 13-81中,在“Node/Edge Snap Angle”项中输入一个角度值,缺省值为“30”,则

Page 671: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

671

当几何边的偏斜大于该角度值时,在会自动在该边上生成节点。“DFEM Field Equivalence Options”选项区域用于确定在做了节点“Equivalence”操作之后的离散 FEM 域的值,其只影响与边界条件相关的 FEM域。

在 Patran界面上单击【Tools】菜单,会打开其菜单项,如图 13-82所示。下面,就分别介绍各菜单项的功用。

13.7 工具选项(Tools)

【Tools】菜单也是 Patran的重要菜单之一,利用它可以方便的选择各应用模块而不必关闭 Patran,当然,这些模块应该是得到授权的,如果哪个模块没有得到授权,其将是灰色的,不能激活。另外,该菜单提供了一条调用 Patran新的、独立模块的途径,这些模块需要单独购买。

图 13-82 【Tools】菜单的菜单项

13.7.1 列表选择(List)

“List”菜单项根据给定的准则列出相符合的实体对象,可以用这种方式选择实体。该结果列表可以作为任何适用于该类实体应用的输入。在这里,可以创建、修改结果列表,而

且可以对列表做布尔运算,还可以根据选择结果列表创建组(Group)。在【Tools】菜单中单击“List”菜单项,可以看到其又有两个子菜单项“Create”和“Boolean”,前者用于创建实体列表,后者用于对列表进行布尔运算。

Page 672: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

672

• Create:子菜单项“Create”有三个主要功能:根据与其它实体的相关性或根据属性创建一类实体的列表、根据实体列表修改组、高亮度显示列表实体。单击“Create”子菜单项,打开如图 13-83所示的面板【Create List】。在“Model”中选择模型类型,即几何(Geometry)或有限元(FEM)模型,在“Object”中选择与模型类型相关的实体类型,包括各种几何实体(Point、Curve、Surface、Solid)和各种有限元实体(Node 及各种单元),在“Method”中选取选择实体的方法,“Association”和“Attribute”,即根据与其它实体的相关性或根据实体属性来选择实体。

图 13-83 创建实体列表

Page 673: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

673

选用不同的“Model”和“Object”项,“Association”/“Attribute”列表中的可选项是不同的,这里,就以“FEM/Node/Association”设置来说明。在“Association”中选用“Group”方法,即根据与某个组的相关性选择节点。在“Existing Groups”中选定组“mpc”,在“Target List”中选定“A”,单击 按钮,则与组“mpc”中实体相关的节点都将列在【List A】面板中,如图 13-84所示。也可以将结果列在【List B】中,之后进行布尔运算。

图 13-84 节点列表

在【List A】中,单击 按钮可以打开如图 13-85所示的【List Save】面板,将列表结果加入到某个组中去。在图中的组列表中选择某个组,被选中的组将显示在

“Group Name”中,单击 按钮,则列表中的实体将被添加到选定的组中。

Page 674: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

674

图 13-85 将列表实体加入到组中

同样,在图 13-84中,单击 按钮可以将列表中的实体从某个组中

删除。单击 可以使列表中的实体在视窗中高亮度显示,便于观察。单击 可

清空列表。 • Boolean:通过布尔运算,可以对在“Create”中创建的列表进行整合,产生新的列

表,单击“Boolean”子菜单项,打开如图 13-86 所示的面板。对于在【Create List】中输出到【List A】和【List B】中的列表结果,在这里可进行布尔运算,产生新的列表结果,新的列表结果将显示在“ ’List C’ contents”中。可以用按钮 或

打开相应的面板,将布尔运算之后的列表结果加入到组中或从组中删

除。也可以单击 或 用“’List C’ contents”中的结果替换【List A】或【List B】中的结果。

Page 675: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

675

图 13-86 对实体列表进行布尔运算

13.7.2 计算质量属性(Mass Properties)

单击【Tools】菜单中的“Mass Properties”菜单项,可以打开如图 13-87所示的面板,用于计算模型中任何部分的质量属性。Patran同时支持 FEM和几何实体,以满足各类分析的需要,包括 2D轴对称问题、平面应力问题、平面应变问题,以及普通 3D问题。在用户指定的区域,Patran 能够产生一组完整的质量属性并输出所有的数据,包括质量、体积、重心、相对于坐标原点的惯性张量、相对于重心的惯性张量、相对于重心的主惯量、相对于重心的主

惯量的回转半径、惯性张量的主方向等。

Page 676: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

676

图 13-87 计算质量属性

如果指定显示单个单元的质量属性,则处过质量属性之外,还可以输出单元的板厚、板

曲面的面积、杆的截面积、杆的长度、单元的类型等等。质量等属性的输出除了用表格显示

之外,还可以报告文件(Report File)的形式输出。缺省情况下,用于计算质量属性的密度、壳的厚度、梁的截面积、非结构质量、集中质量等值都来源于单元属性的定义。但可以人为

的改变这种缺省设置。 在图 13-87中的“Dimension”的下拉式按钮菜单中可以看到有四个选项,“3D”分析类

型是缺省的选项,其是唯一一种不会依据维数排除任何实体的方法选项,即其分析时可以包

括 0D~3D的任何实体。其也是唯一支持对单个组、单个实体进行质量属性分析的方法选项。“2D Axisymmetric”分析方法是针对 3D实体的轴对称情况设置的,仅可包含 0D~2D的实体。

Page 677: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

677

“2D Plane Stress”和“2D Plane Strain”分别用于分析平面应力模型和平面应变模型,2D实体将被假设在厚度方向上为单位长度。 使用时,先在“Dimension”中选择质量属性分析方法,例如“3D”,再单击按钮

打开如图 13-88所示面板,选择要计算质量属性的实体。在“Region”中可以选择“Group”、“All”或“Selected”,以确定用哪种方法选择对象,在“Include”中可以选择“Geometry”、“FEM”或“Both”,以确定选择哪种类型的实体。图中是用有限元组来选择实体。在“Display Method”中选择结果显示的方法。

图 13-88 选择实体

选定了质量属性分析的实体,在图 13-87的“Relative to Coordinate Frame”中输入计算质量属性的参考坐标系。在“Density/Concentrated Mass”中设定密度、集中质量的计算方法,可以选择使用单元属性的定义(Use Element Properties),或者对所有的单元使用统一的单位

Page 678: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

678

值(1.0/0.0),即密度取 1.0,集中质量取 0.0。在“Thicknesses/Areas/NSM”中设置厚度、面积、非结构质量的计算方法,选择“Use Element Properties”将使用单元属性中的定义,选择“1.0/1.0/0.0”将取单位值。选择“Plot Principal Axies at CG”项将显示重心处的惯性主轴,选择“Create Princ. Coord. Frame”项将根据惯性主轴创建坐标系,选择“Write to Report File”项,则会将质量属性的计算结果输出到报告文件中。单击 按钮,将打

开【Mass Properties Display】面板,显示模型的质量属性,如图 13-89所示。在图中的“Mass Property Display Option”选项区域中选择显示那种类型的质量属性。

图 13-89 模型质量属性显示

13.7.3 定义梁截面(Beam Library)

在众多的单元类型中,梁单元的使用是比较广泛的,但其截面的变化也是非常之多的,

所以,其截面的定义也就比较重要,在【Tools】菜单中,用“Beam Library”菜单项可以定义梁单元的截面。这里的定义与单元属性中的定义是一致的,可参见 6.2.2节中的图 6-11及相关内容。

13.7.4 定义变量(Model Variables)

变量(Model Variables)是在 Patran中进行设计优化(Design Study,参见 13.7.5节)的基础,也是场的定义要用到的。通过【Tools】菜单中的“Model Variables”菜单项,即可创

Page 679: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

679

变量与设计优化概念相结合,为模型的设计提供了很大的便利。当一个变量被创建时,

缺省情况下会同时创建一个相应的场,其是变量的一个线性函数,可用于模型属性的定义,

对变量的修改即可改变相应的场,从而改变模型的定义,方便的完成对模型的修改。

建变量。具体定义过程参见 11.2.1节。 通过变量定义,可以在模型中指定一些量,改变这些量的值就可以改变模型的属性,从

而提供了一种快速修改模型的途径和方法。这种改变既可以通过手工输入新的值来实现,也

可以调用 Nastran的设计优化自动的搜索优化设计值。

13.7.5 设计优化(Design Study)

在【Tools】菜单中选择“Design Study”菜单项,打开如图 13-90所示的面板,可用于模型设计的优化。以在 13.7.4节中定义的变量作为设计参数,再加上约束条件,选择目标函数,即可对模型进行优化。

Page 680: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

680

图 13-90 模型设计优化

在进行优化之前,首先必须创建“Design Study”以参数化模型,即定义一些量,用它们来表示模型,其在搜索最优解的过程中可以变化。例如对于工字梁单元,可以将其缘条和腹

板的厚度设置为可变量,而将截面高度设置为定值。在图 13-90 中,可以创建、设置、删除“Design Study”。 在图 13-90 中,“Create”项所对应的下拉式按钮菜单中有四项,“Create”项用于创建

Page 681: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

681

“Design Study”,“Set Current”可以设置当前“Design Study”,“Summary”可以给出其总结信息,“Delete”用于删除“Design Study”。当前“Design Study”将显示在“Current Design Study”中。 要创建一个“Design Study”,先在“Design Study Name”中输入其名称,在“Description”

中输入一些描述信息,如果选中“Make Current”项,则新建的“Design Study”将被置为当前选项。 在“ Design Study Setup”选项区域,进行所有与优化相关的设置。单击

按钮打开【Define Design Variables】面板,列出设计变量。在该面板中,可以初始化设计变量、设定边界、设定每个优化循环中的变化率等。缺省情况下,在【Model Variables】中定义的变量都将成为设计变量。 单击 按钮可以打开【Design Objective】面板,用于选择优化的目

标,目前,系统支持的目标函数只有全局质量(Total_Weight),即以质量最小为优化目标。 单击 按钮,打开如图 13-91所示的面板【Design Constraints】,用

于定义约束条件。在该面板中,可以定义(Create)和删除(Delete)约束条件。约束条件所对应的分析类型(Solution)较多,比如线性静态(Linear Static)、正则模态(Normal Modes)等。约束的类型(Response)也比较全,例如位移(Displacement)、应力(Stress)、应变(Strain)、单元力(Force)、合成应力(Comp. Stress)、合成应变(Comp. Strain)等。

Page 682: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

682

图 13-91 定义约束条件

图 13-91所示的是定义位移约束,在“Constraint Name”中输入约束的名称,在“Constraint Region”中输入约束应用的区域类型(几何或有限元),在这里只能选择“FEM”项。在“Select Node”中输入或选择施加约束的节点,在“Displacement Component”中选择要约束的位移分量,“T”表示移动分量,“R”表示转动分量,在“Upper Bound” 和“Lower Bound”中输入约束的上下界。其它类型约束的定义基本相同,可参照进行。 创建了“Design Study”之后,在分析的时候,在【Analysis】面板中,会看到有“Study”

Page 683: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

683

项出现,即在分析的过程中,将进行结构优化。

13.7.6 ABAQUS的“Rebar”定义(Rebar Definition)

在新版本的 Patran中,增加了对ABAQUS的“Rebar”定义的支持。在【Tools】菜单中选择“Rebar Definition”项,打开如图 13-92所示的面板,用于定义“Rebar”。

图 13-92 定义 Rebar

13.7.7 调用 MSC.Fatigue应用模块(MSC.Fatigue)

在【Tools】菜单中选择“MSC.Fatigue”项,将打开疲劳分析应用模块的主界面,如图13-93所示。关于疲劳模块的具体使用,这里不作具体介绍,可参考相关资料。

Page 684: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

684

图 13-93 Fatigue应用模块

13.7.8 层合板设计(Laminate Modeler)

用【Tools】菜单中“Laminate Modeler”菜单项,可以打开MSC.Laminate Modeler,其是 Patran的一个模块,专门用于层合板复合材料结构的设计、分析与制造,其一个重要的特点是可以模拟结构的加工过程,存储所有的材料数据并对材料数据进行管理。“Laminate

Page 685: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

685

Modeler”菜单项又有两个子菜单项,“Draping”和“Analysis”分别用于层合板结构的设计和分析,如图 13-94所示的【Draping】面板。

图 13-94 层合板结构设计

MSC.Laminate Modeler也是一个完整而复杂的模块,所以这里就不详加叙述,要了解具体使用方法,可参考相关手册。

Page 686: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

686

13.7.9 分析管理器(Analysis Manager)

在【Tools】菜单中选择“Analysis Manager”项,可以打开 Patran 的分析管理器的主面板(如果该项已经安装的话),可以对所有的分析过程进行管理个跟踪。在分析管理器“Analysis Manager”中,可以提交一个分析工作,也可以对分析过程进行设置、监视,或者终止一个分析工作。

13.7.10 关于网格划分等的补充功能(Pre Release)

在【Tools】菜单中,可以看到“Pre Release”项,其又有多个子菜单项,提供了高级网格划分、ANSYS/ABAQUS 文件输入、频率响应分析等新功能,这些功能还未整合到 Patran的整体布局中去,在以后的版本中也许会做得更完善。“Pre Release”菜单的子菜单项如图13-95所示。

图 13-95 “Pre Release”菜单的子菜单项

• Mesh on Mesh:网格划分都是基于几何进行的,但现在,不需要几何定义,在有限元网格定义的曲面上,即可创建新的网格划分区域。在新的网格划分区域中,可以用不同的

网格类型和不同的网格密度重新划分网格。这样可以对网格进行局部优化和细化,如图 13-96所示。

Page 687: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

687

图 13-96 在网格中划分网格

网格重分的可用单元类型有两种,“Quad4”和“Tri3”。并且,通过硬节点“Hard Node”、硬杆“Hard Bar”、软杆“Soft Bar”等对网格划分进行控制。“Hard Node”所在的节点将在网

Page 688: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

688

格重划分中被保留,“Hard Bar”将只允许在其两端建立节点,“Soft Bar”则作为内边界。 图 13-96中,在“Node List”和“Element List”中分别列出了当前模型中的节点数和单

元数。选定“Delete Elements”项,则在细化单元时删除输入单元;选定“Iso Mesh”项,则用“Isomesh”在四边形区域用四节点单元化分网格;选中“Feature Recognition”项,则根据输入单元自动定义特征线。在“Feature Angle”的“Edge”和“Vertex”中分别定义单元角点的角度临界值。在“ElType”中选择单元类型,在“Seed”中选择网格种子的产生/使用形式,“Uniform”表示根据输入的“Mesh Size”定义的尺度创建新的边界节点,“Use Existing Boundary”将保留输入单元中的边界。在“Select Boundary Seeds”中选择边界节点,在“Select Hard Nodes”中选择硬节点,在“Select Hard Bars”中选择硬杆,在“Select Soft Bars”中选择软杆,在“Select 2D Elements”中选择要输入的单元。所有的参数都设置好之后,单击

,则被选中的单元将被重新划分网格。 • Sheetbody Mesh:“Sheetbody Mesh”也是一种区域网格划分方法,其允许在多个相

互连接的一组曲面上划分网格而不考虑曲面间连接边界线的限制。可以选择将整个模型的相

连接的曲面一次化分网格,也可以只选择一部分曲面。用这种方法,可以避免长条状单元的

出现,提高单元的质量。用“Sheetbody Mesh”子菜单项打开如图 13-97 所示的面板,在其中选定了目标曲面,确定了单元尺寸和边界约束条件,即可对所选定的曲面划分网格。

Page 689: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

689

图 13-97 同时划分多个曲面的网格

• Midplane Mesh:“Midplane Mesh”方法可以在较薄的实体中面划分平面形式的网格,用平面的网格来分析在一个方向上厚度很小的实体。这种方法可以直接在实体上划分平面的

网格,而不必再建实体的几何中面模型。例如,许多汽车上的结构都是较薄的实体金属板,

可以用这种方法来划分网格。

Page 690: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

690

图 13-98 在薄实体中面划分平面网格

但是,这种方法对薄实体的选择有一定的要求,例如,“T”字形截面的薄实体结构就不能直接划分网格,可以将这些截面的实体分成若干个部分,然后再划分网格。

Interactive Nastran:交互式频率响应分析(sol 111)。单击“Interactive Nastran”,可以激活 Nastran的交互式频率响应分析的面板(要激活该项功能,必须先在 Settings.pcl文件中将逻辑变量“INTERACTIVE_NASTRAN”设置为“TRUE”),即在【Analysis】面板中增加“Create/Interactive”项,通过将 Patran用户界面环境与 Nastran的运算分析环境相结合,从而在 Patran中近于实现实时的频率响应分析功能,从而可以减少运算时间,提高速度。

在【Tools】菜单中单击“Interactive Nastran”子菜单项,可以在【Analysis】面板中增加新的项目,如图 13-99所示。

Page 691: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

691

图 13-99 交互式频率响应分析

这里的频率响应分析,实质上模态分析数据的后处理,所以,进行交互式频率响应分析,

其步骤如下: (1) 运行正则模态分析(sol 103); (2) 将Nastran的正则模态分析数据存储到其数据库文件(.DBALL)中; (3) 定义频率响应分析; (4) 由.DBALL中的模态分析结果计算频率响应;

Page 692: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

692

• (5) 根据要求重新定义频率响应。

STL File Import:STL文件输入,类似于【File】菜单中的输入。

13.8 在线帮助(Help)

帮助是 Patran的重要组成部分,对软件的使用能力,很重要的就体现在对帮助的使用上。在 Patran的主界面上,单击【Help】菜单,可以看到所有的帮助菜单项,如图 13-100所示。

图 13-100 【Help】菜单的菜单项

各菜单项有不同的用途,简单介绍如下: •

• • •

On Help:“On Help”项是对整个帮助的介绍,即如何使用帮助以及使用帮助浏览器时的一些技巧,还介绍了 Patran的面板中涉及到的各种术语。

On Keys:“On Keys”项介绍了 Patran操作中的键盘使用,例如各种快捷键的使用。 On Mouse:“On Mouse”项介绍了鼠标的使用。 Screen Picking:“Screen Picking”项介绍了如何用鼠标在屏幕上选择实体,以及选择

菜单的使用。 Guided Tour:“Guided Tour”项是为初次使用者准备的,介绍了使用 Patran的基本过

程和基本步骤。 Navigating through Help:“Navigating through Help”与“On Help”项的内容基本相

Page 693: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

693

• •

• •

同。 Glossary:“Glossary”中给出了 Patran中所有的术语。 Technical Support:在“Technical Support”中可以找到与技术之相关的内容,例如

Patran的各种书籍的目录、MSC的网址等。 What’s New in MSC.Patran:在“What’s New in MSC.Patran”中给出新版本中所具有

的新功能。 Document Library:“Document Library”中给出了所有的文档,可供查阅。 About MSC.Patran:在“About MSC.Patran”中给出了 Patran的版本及授权情况等信

息。 Via WWW:在“via WWW”项的各子项,可以直接通过 Internet网连接到MSC的

各网站,了解新的动态,获取帮助。

13.9 本章小结

本章介绍了 Patran的菜单的使用。Patran的菜单包含的众多的功能,例如文件操作、环境设置、实体显示、模块调用等等,都通过菜单来实现。同时,在建模、分析过程中,只有

将各功能面板与菜单项紧密结合,才能较好的使用 Patran,发挥其应有的功能,才能使建模、分析过程变得得心应手,轻松愉快。

Page 694: MSC PATRAN从入门到精通

第 14章 应用实例

前面各章节介绍了 Patran的基本使用方法,在本章中,给出几个应用的实例,说明各种模型分析的不同方法。本章的主要内容如下:

Τ

694

• • • • • •

静力分析 模态分析 复合材料结构分析 非线性分析 热分析 疲劳分析

14.1 静力分析

静力分析是最基本的工程分析,也是应用最多的分析类型,本节就以一个平板的静力分

析为例,说明静力分析的一般过程。为了简明起见,直接将个工具、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→model1, 。Analysis Code→MSC.Nastran,Analysis Type→Structural, 。

(2)创建几何模型, 。 1)创建几何点:Action→Create,Object →Point,Method →XYZ,Point 1→[0 0 0],

,Point 2→[100 0 0] , ,Point 3→[100 50 0] , ,Point 4→[0 50 0] , 。

Page 695: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

695

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, ;Curve 2,Starting Point List→point 3,Ending Point List→point 4, 。

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, 。 创建的曲面如图 14-1所示。

图 14-1 创建的曲面(平面)

注:【Display】→Geometry→Point Label,可以显示出几何点的标签(标号),几何线和面也类似。如果要调节图形视窗的背景色,则【Display】→Color Palette,在打开的面板中调节各配色游标,直到满意为止。要改变模型的显示方式,可用工具 。

(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, 。

Page 696: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

696

划分了网格的板如图 14-2所示,板边缘上的小圆是网格种子。

图 14-2 对板进行网格划分

(4)施加边界条件, 。 1)施加固定约束:Action→Create,Object→Displacement,Type→Nodal,New Set Name

→dis1, ,Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >,Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>, , ,FEM,Select Nodes→Node 1:56:11, ,

, ,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,

,Force<F1 F2 F3>→<10 0 0>,Moment<M1 M2 M3>→<0 0 0>,, ,FEM,Select Nodes→Node 11:66:11, ,

, ,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 14-3所示。

Page 697: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

697

图 14-3 给平板模型施加边界条件

(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_iso_SI_mm, ,Constitutive Model→Linear Elastic,Elastic Modulus→70000,Poisson Ratio→0.3, , 。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→pro,

Option(s) →Homogeneous、Standard Formulation, ,Material Name→aluminium_iso_SI_mm(在Material Property Sets中选择),Thickness→3.0, ,Select Members→surface 1, , 。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 , , Data Output → OP2 and Print , ,

Page 698: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

698

,Solution Type→LINEAR STATIC, , 。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→Read Output2,Object→Result Entities,Method→Translate,,文件名→plate_static.op2, , 。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,。此时,平板模型的位移云纹图就显示出来,如图 14-4所示。

平板的位移情况

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, 。此时,

平板模型的 von Mises应力云纹图就显示出来,如图 14-5所示。从图中可以看出,应力的梯

Page 699: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

699

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 14-5 平板的应力云纹图

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。

14.2 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 14.1节中的平板结构为例,说明模态分析的过程。

(1)删除 14.1节结构中的载荷, 。

1)删除载荷:Action→Delete,Object→Force,Existing Sets→force1, 。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

Page 700: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

700

以,这里将施加的载荷去掉。

(2)进行模态分析, 。 1)进行分析:Action→Analyze,Object→Entire Model,Type→Full Run,Job Name→

plate_static , , Data Output → OP2 and Print , ,

,Solution Type→NOMAL MODES, , 。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→Read Output2,Object→Result Entities,Method→Translate,,文件名→plate_static.op2, , 。读入分析结果,

以待后置处理之用。

(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 14-6所示。

图 14-6 平板结构的各阶频率

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, 。则会显示出平板结构的位

移变形和变形的云纹图,如图 14-7所示。

Page 701: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

701

图 14-7 结构的三阶模态

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, 。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 14-8所示。

Page 702: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

702

图 14-8 结构的四阶模态

14.3 复合材料结构分析

复合材料是一种新型材料,由于它的诸多优点而在近些年得到的飞速发展和广泛应用,

其也是一类典型而复杂的各向异性材料。Patran中支持层合板复合材料模型、连续纤维模型、短切纤维模型的多种复合材料模型。本节就以层合板复合材料的一个“T”型结构为例,说明各向异性材料结构的建模和分析。 (1)创建一个新数据库文件,【File】。 1)创建新文件:【File】→New,文件名→composite, 。Analysis Code→

MSC.Nastran,Analysis Type→Structural, 。

(2)创建几何模型, 。 1)创建几何点:Action→Create,Object →Point,Method →XYZ,Point 1→[0 0 0],

,Point 2→[100 0 0] , ,Point 3→[100 30 0] , ,Point 4→[0 30

Page 703: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

703

0] , ,Point 5→[0 0 50] , ,Point 6→[100 0 50] , 。 2)创建曲线:Action→Create,Object→Curve,Method→Point,Option→2 Point,Auto

Execute,Curve 1,Starting Point List→point 1,Ending Point List→point 2;Curve 2,Starting Point List→point 3,Ending Point List→point 4;Curve 3,Starting Point List→point 5,Ending Point List→point 6。

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;Surface 2,Starting Curve List→Curve 1,Ending Curve List→Curve 3。

4)拷贝曲面:Action→Transform,Object→Surface,Method→Translate,Translation Vector→<0 –30 0>,Auto Execute,Surface List→surface 1。

5)创建局部坐标系 coord 1:Action→Create,Object→Coord,Method→3Point,Type→Rectangular,Refer. Coordinate Frame→Coord 0,Origin→[0 0 0],Point on Axis 3→[0 –1 0],Point on Plane 1-3→[1 0 0], 。由于复合材料是各向异性的,所以当结构的方向有变

化时,就要使用局部坐标,使材料的性能与结构的方向保持一致。 6)删除用过的点和线:Action→Delete,Object→Point,Point List→point 1:6, ;

Action→Delete,Object→Curve,Curve List→curve 1:3, 。 创建的曲面如图 14-9所示。

Page 704: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

704

图 14-9 “T”型板结构

(3)划分网格单元, 。 1)建立网格种子:Action→Create,Object→Mesh Seed,Type→Uniform,Number of

Element,Number→3,Auto Execute,Curve List→surface 1.3,Curve List→surface 3.3;Number→5,Curve List→surface 2.3;Number→10,Curve List→surface 1.2,Curve List→surface 2.4,Curve List→surface 3.4,Curve List→surface 2.2。

2)划分网格:Action→Create,Object→Mesh,Type→Surface,Elem Shape→Quad,Mesher→Isomesh,Topology→Quad4,Surface List→Surface 1:3, 。划分网格之后的模型

如图 14-10所示。

Page 705: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

705

图 14-10 划分网格

3)删除重复节点:Action→Equivalence,Object→All,Method→Tolerance Cube, 。

在划分网格时,在结构的非自由边上会产生重复的节点,应该将其删除,这样结构在物理上

才是连续的,才能够进行正确的分析。

(4)施加边界条件, 。 1)施加固定约束:Action→Create,Object→Displacement,Type→Nodal,New Set Name

→dis1, ,Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >,Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>, , ,FEM,Select Nodes→Node34:44 111:121,

, , ,即在“T”字型板结构的两条对称边施加固定约束。 2)施加载荷:Action→Create,Object→Force,Type→Nodal,New Set Name→Force1,

,Force<F1 F2 F3>→<0 0 50>,Moment<M1 M2 M3>→<0 0 0>,, ,FEM,Select Nodes→Node 100:110, ,

, ,即在结构上施加 Z向的单向拉伸载荷。施加了边界条件的模型如图14-11所示。

Page 706: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

706

图 14-11 施加约束和载荷

(5)定义材料, 。 1)输入单层板的性能:这里,取 T300/QY8911单向层压板,直接输入其性能参数。Action

→Create,Object→2D Orthotropic,Method→Manual Input,Material Name→T300_QY8911,,Constitutive Model→Linear Elastic,Elastic Modulus 11→135000,

Elastic Modulus 22→8800,Poisson Ratio→0.33,Shear Modulus 12→4500, ,

。 2)创建层合板:这里,取层合板的铺层为[0/45/-45/0/90/0]s,单层厚度取 0.15。Action

→Create,Object→Composite,Method→Laminate,Material Name→lam, Stacking Sequence Convention→Symmetric,Existing Materials→T300_QY8911(重复六次),Thickness,Thickness For All Layers of T300_QY8911→0.15,回车,Orientations,Overwrite Orientations→0,

,Overwrite Orientations→45, ,Overwrite Orientations → -45 , , Overwrite Orientations → 0 ,

,Overwrite Orientations→90, ,Overwrite

Page 707: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

707

Orientations→0, , 。层合板材料创建完成,铺层情况如图

14-12所示。

图 14-12 层合板的铺层情况

(6)定义单元属性, 。 1)定义“T”字型上部两个平面的单元属性:Action→Create,Object→2D,Type→Shell,

Property Set Name → pro_13 , Options → Laminate 、 Standard Formulation ,,Material Name→lam(Material Property Sets),Material Orientation

→coord 0, ,Select Members→surface 1 3, , 。至此,两个平

面内的单元属性已定义成功,材料的参考坐标系为 coord 0,即材料的性能数据参考 coord 0的 XY平面,厚度为 0.15×6×2=1.8。

2)定义“T”字型下部平面的单元属性:Action→Create,Object→2D,Type→Shell,Property Set Name→pro_2,Options→Laminate、Standard Formulation, ,Material Name→lam(Material Property Sets),Material Orientation→coord 1, ,Select Members→surface 2, , 。这里,材料性能的参考坐标系为 coord 1。

3)察看单元属性的定义情况:Action→Show,Select Property-Existing Properties→Orientation Angle,Display Method→Vector Plot,Select Group→default_group, 。则

可以显示出定义的材料的方向,如图 14-13所示。

Page 708: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

708

图 14-13 显示单元属性

(7)进行分析, 。 1)进行分析:Action→Analyze,Object→Entire Model,Type→Full Run,Job Name→

composite , , Data Output → OP2 and Print , ,

,Solution Type→LINEAR STATIC, , 。此时,

Patran会将模型提交 Nastran运算。 2)读入分析结果:Action→Read Output2,Object→Result Entities,Method→Translate,

,文件名→composite.op2, , 。

(8)结果的后处理, 。 1)应力分布云纹图:Action→Create,Object→Quick Plot,Select Result Cases→Default

Static Subcase,Select Fringe Result→Displacement Translational,Quantity→Magnitude,。此时,模型的位移云纹图就显示出来,如图 14-14所示。

Page 709: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

709

图 14-14 结构的位移分布云纹图

2)结构的应力/变形图:Action→Create,Object→Quick Plot,Select Result Cases→Default Static Subcase,Select Fringe Result→Stress Tensor,Quantity→von Mises,Select Deformation Result→Displacements Translational, 。此时,模型的 von Mises应力云纹图和结构变形图就显示出来,如图 14-15 所示。图中的色彩显示了应力的分布,变形显示了模型在载荷作用下的变形趋势,当然,在显示时作了放大。

Page 710: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

710

图 14-15 结构的应力与变形

14.4 非线性分析

非线性分析是一类比较复杂的问题,涉及的范围较广,例如几何非线性、材料的非线性

等,在这里,就以一弹塑性梁的分析过程为例,来说明非线性问题的分析过程和基本思路。

取一个长度为 30的工字截面梁,一端固定,一端加垂直于梁的载荷,其材料为弹塑性材料。 (1)创建一个新数据库文件,【File】。 1)创建新文件:【File】→New,文件名→elastic_plastic, 。Analysis Code→

MSC.Nastran,Analysis Type→Structural, 。

(2)创建几何模型, 。 1)创建一线段:对于梁模型,一般是用一条线来代表,然后定义其截面。Action→Create,

Object→Curve,Method→Point,Option→2 Point,Starting Point List→[0 0 0],Ending Point List→[30 0 0], 。

Page 711: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

711

(3)划分网格, 。 1)Action→Create,Object→Mesh,Type→Curve,Topology→Bar2,Curve List→curve 1,

Global Edge Length-Value→3.0, 。 在划分网格阶段,梁单元与杆单元是没有分别的,两者的根本区别在于截

面的定义。

(4)施加边界标件, 。

1)施加固定约束:Action→Create,Object→Displacement,Type→Nodal,New Set Name→dis1, ,Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >,Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>, , ,FEM,Select Nodes→Node 1, ,

, ,即在梁的一端施加固定约束。

2)施加载荷:Action→Create,Object→Force,Type→Nodal,New Set Name→Force1,,Force<F1 F2 F3>→<0 -200 0>,Moment<M1 M2 M3>→<0 0 0>,

, ,FEM,Select Nodes→Node 11, , ,

,即在结构上施加 Z向载荷。

(5)定义弹塑性材料, 。

1)定义材料的弹性部分:Action→Create,Object→Isotropic,Method→Manual Input,Material Name→E_P_material, ,Constitutive Model→Linear Elastic,Elastic Modulus→200000,Poisson Ratio→0.27, , 。这里,先定义了材

料的弹性部分。

2)定义材料屈服后的性能: ,Constitutive Model→elastoplastic,Nonlinear Data Input→Hardening Slope,Yield Function→von Mises,Hardening Rule→Isotropic,

Page 712: MSC PATRAN从入门到精通

Hardening Slope→1700,Yield Point→208, , 。这里,定义了材料的屈

服之后的变化规律,这样即完成了材料的定义。

(6)单元属性定义, 。

1)定义梁截面形状:【Tools】→Beam Library,Action→Create,Object→Standard Shape,

Method→NASTRAN Standard, ,New Section Name→I-shaped,截面各部分的尺寸数据如图 14-16所示。

图 14-16 梁截面的定义

2)定义单元属性:Action→Create,Object→1D,Type→Beam,Property Set Name→pro_beam,Option(s) →General Section、Standard Formulation, ,Material Name→E_P_material(Material Property Sets),Section Name→I-shaped(Beam Sections),Bar Orientation→<0 1 0>, ,Select Members→Curve 1, , 。这里,

Bar Orientation指定的是梁截面抗弯能力最强的方向。

Τ

712

Page 713: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

713

3)显示定义好的梁:【Display】→Load/BC/Elem. Props,Beam Display→3D:Full Span,,则梁的全貌会显示出来,如图 14-17所示。

图 14-17 定义好的梁

(7)定义工况, 。

1)定义工况 1:弹塑性材料的特性就是其对加载历史有记忆功能,材料当前的特性与其之前所受的载荷有关,所以,需要多个载荷情况,才能体现出它的特性来,这里,通过工况

定义中的载荷放大因子,将施加的一个载荷变化为四个。Action→Create,Load Case Name→case1,Load Case Type→Static, ,Select Individual Load/BCs→Displ_dis1、Force_force1, , 。

2)定义工况 2:Load Case Name→case2,Scale Factor(force1),Input Scale Factor→1.1,回车, , 。这次操作是在前一次操作的基础上进行的,因为前一次操作

的数据还都保留着,在其上边进行改动即可。原来施加的载荷大小是 200,经过放大之后,

Page 714: MSC PATRAN从入门到精通

其大小变为 200×1.1=220,这样,就相当于又施加了一个载荷。

3)定义工况 3:Load Case Name→case3,Scale Factor(force1),Input Scale Factor→1.2,回车, , 。

4)定义工况 4:Load Case Name→case4,Scale Factor(force1),Input Scale Factor→1.3,回车, , 。

(8)进行分析, 。

1)提交分析:Action→Analyze,Object→Entire Model,Type→Full Run,Job Name→elatic_plastic, , Data Output→ OP2 and Print, ,

, Solution Type → NONLINEAR STATIC , ,

,Subcases Selected→case1、case2、case3、case4, , 。

此时,Patran会将模型提交 Nastran运算。

2)读入分析结果:Action→Read Output2,Object→Result Entities,Method→Translate,,文件名→elastic_plastic.op2, , 。

(9)后处理, 。

1)显示梁截面的最大应力分布:在 Select Result Case(s)中,会有四个工况的结果显示,选中其一,显示应力分布。Action→Create,Object→Fringe,Select Result Case(s) →Caes4 PW Linear:400.% of Load,Select Fringe Result→Bar Stresses Maximum Combined, ,这

时,梁的应力云纹图会显示出来。

2)制作位移曲线图:Action→Create,Object→Graph,Method→Y vs X,Select Result Case(s) →Case4 PW Linear:400.% of Load,Y→Result,Select Y Result→Displacements Translational,

Τ

714

Page 715: MSC PATRAN从入门到精通

Quantity→Magnitude,X→Coordinate,Select Coordinate Axis→coord 0.1, ,Target Entity

→Nodes,Select Nodes→Node 1:11, 。此时,沿X方向的位移变化将以平面曲线

图的形式显示出来,如图 14-18所示。如果要对曲线的显示进行更详尽的设置,可在 中

进行。

图 14-18 梁的位移曲线

14.5 热应力分析

由于温度的变化,在结构中引起应力和变形,这也是工程中关心的一类问题。本节,就

以粘在一起的两种不同材料的金属板在温度影响作用下产生的应力情况。两块金属片分别以

两个实体来表示,两者贴在一起,一块为金属Ge,一块是焊接材料,两块板两边的温度差别很大,一边为-30℃,一边为 70℃,这样的温度差会引起很大的应力和变形。分析过程可分为两个阶段,第一阶段先求温度的分布,第二阶段再求温度引起的应力分布。

Τ

715

Page 716: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

716

1)创建新文件:【File】→New,文件名→bi_metal,(1)创建新的数据库文件,【File】。

。Analysis Code→MSC.Nastran,Analysis Type→Thermal, 。

(2)创建几何模型, 。 1)创建一曲面:Action→Create,Object→Surface,Method→XYZ,Vector Coordinates List

→<1 1 0>,Origin Coordinates List→[0 0 0], 。

2)创建实体 1:Action→Create,Object→Solid,Method→Extrude, ,Translation Vector

→<0 0 0.05>,Surface List→surface 1, 。 3)创建实体 2:Translation Vector→<0 0 -0.025>, 。 4)删除用过的曲面:Action→Delete,Object→Surface,Surface List→surface 1, 。

这样,就创建了由两个实体组成的模型。

(3)划分网格, 。 1)划分网格:Action→Create,Object→Mesh,Type→Solid,Elem Shape→Hex,Mesher

→Isomesh,Topology→Hex8,Solid List→Solid 1 2,Global Edge Length→0.1, 。 2)删除重复节点:Action→Equivalence,Object→All,Method→Tolerance Cube, 。

创建的模型如图 14-19所示。

Page 717: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

717

图 14-19 双实体模型

(4)定义热性能材料, 。 1)定义Ge材料:Action→Create,Object→Isotropic,Method→Manual Input,Material Name

→Ge, ,Constitutive Model→Solid Properties,Thermal Conductivity→1.524, , 。

2)定义焊接材料:Material Name→solder, , Thermal Conductivity→1.27, , 。

(5)定义单元属性, 。 1)定义Ge板的属性:Action→Create,Object→3D,Type→Solid,Property Set Name→

pro_Ge, ,Material Name→Ge(Material Property Sets), ,

Select Members→Solid 2, , 。 2)定义焊接板的属性:Property Set Name→pro_solder, ,Material

Name→solder(Material Property Sets), ,Select Members→Solid 1, ,

Page 718: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

718

(6)定义温度边界条件, 。 1)定义Ge板外表面的边界条件:Action→Create,Object→Temp(Thermal),Type→Nodal,

New Set Name→temp_Ge, ,Boundary Temperature→-30, ,

,Geometry Filter→Geometry,Select Geometry Entities→Solid 2.6,, , 。两块金属板粘在一起,两板的外表面分别对应不同的温

度,Ge板的外表面是-30℃。 2)定义焊接材料板的边界条件:New Set Name→temp_solder, ,

Boundary Temperature→70, , , Select Geometry Entities→Solid 1.6, , , 。此时,定义的温度边界条件会显示出来。

(7)进行热分析: 。 1)提交分析:Action→Analyze,Object→Entire Model,Method→Full Run,Job Name→

bi_matel, ,Data Output→XDB Only, , 。 2)连接结果数据库,Action→attach XDB,Object→Result Entities,Method→Local,

,文件名→bi_matel.xdb, , 。

(8)显示热分析结果, 。 1)温度分布:Action→Create,Object→Quick Plot,Select Result Cases→Default PW

Linear:100.% of Load,Select Fringe Result→Temperatures, 。结构的温度分布如图

14-20所示。

Page 719: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

719

图 14-20 结构的温度分布

(9)定义温度场, 。 1)即根据结果中显示的温度,定义一个连续的温度分布场,用以求解温度引起的应力。

Action→Create,Object→Spetial,Method→FEM,Field Name→T_load,FEM Field Definition→Continuous,Field Type→Scalar,Select Group→default_group, 。

(10)改变分析类型,将目前的热分析转变为结构分析,【Preferences】。 1)【Preferences】→Analysis,Analysis→Structural, 。

(11)定义结构分析时的材料属性, 。 1)定义Ge材料:Action→Create,Object→Isotropic,Method→Manual Input,Material Name

→Ge_st, ,Constitutive Model→Linear Static,Elastic Modulus→1.885e7,Shear Modulus→9.33e6,Thermal Expan. Coeff.→5.8e-6,Reference Temperature→-30,

, 。 2)定义焊接材料:Action→Create,Object→Isotropic,Method→Manual Input,Material

Page 720: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

720

Name→solder_st, ,Constitutive Model→Linear Static,Elastic Modulus→1.3e7,Poisson Ratio→0.4,Thermal Expan. Coeff.→2.47e-5,Reference Temperature→-30,

, 。

(12)定义单元属性, 。 1)定义Ge板的单元属性:Action→Create,Object→3D,Type→Solid,Property Set Name

→pro_Ge_st, ,Material Name→Ge_st(Material Property Sets),,Select Members→Solid 2, , 。此时,会弹出一个单元属性

重新定义的提示面板,确认即可,因为前面已经定义过实体的属性,所以这里会给出提示,

以免误操作。 2)定义焊接板的属性:Property Set Name→pro_solder_st, ,

Material Name→solder_st(Material Property Sets), ,Select Members→Solid 1,, 。此时,也会弹出一个单元属性重新定义的提示面板,确认即可。

(13)定义一个新的工况, 。 1)热分析的各种边界条件都是在 default 工况中定义的,为了不冲突,这里就另外定义

一个工况,用于结构分析。Action→Create,Load Case Name→loadcase_struct,Make Current,Load Case Type→Static, 。这里定义的工况,实际上是一个“空”的,其内容要在

边界条件中定义。

(14)定义温度载荷与约束条件, 。 1)Action→ Create,Object→ Temperature, Type→Nodal, Current Load Case→

loadcase_struct, New Set Name→ temp_load, , Temperature→T_load(Spatial Fields), , ,Geometry Filter→Geometry,Select Geometry Entities→solid 1 2, , , 。这样,温度载荷施加到结

构上了。 2)在结构的四个角施加约束:Action→Create,Object→Displacement,Type→Nodal,

New Set Name→fix_x, ,Translations<T1 T2 T3>→<0, , >, ,

Page 721: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

721

,Geometry Filter→FEM,Select Nodes→node 364 374,即在令一个角上施加X方向固定的约束。New Set Name→fix_y, ,Translations<T1 T2 T3>→< ,0, >, , , Select Nodes→node 484,即在另一个角上施加 Y 方向固定的约束。New Set Name→ fix_z, ,

Translations<T1 T2 T3>→< , ,0>, , , Select Nodes→node 364 374 474 484 ,即在四个角上都施加 Z方向固定的约束。施加了约束的模型如图 14-21所示。

图 14-21 施加约束

(15)进行结构分析, 。 1)Action→Analyze,Object→Entire Model,Type→Full Run,Job Name→bi_metal,

,Data Output→XDB Only, , ,

Solution Type→LINEAR STATIC, , ,Subcases Selected→loadcase_struct, , 。

2)连接结果数据库文件:Action→attach XDB,Object→Result Entities,Method→Local,

Page 722: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

722

,文件名→bi_matel.xdb, , 。

(16)显示计算结果, 。 1)显示应力云纹图:Action→Create,Object→Quick Plot,Select Result Cases→

loadcase_struct Static Subcase,Select Fringe Result→Stress Tensor,Quantity→von Mises,。则结构的由于温度引起的应力分布就显示出来,如图 14-22所示,应力在板的厚

度方向变化很明显。

图 14-22 温度引起的应力

2)位移的云纹图:Select Fringe Result→Displacements Translational,Quantity→Magnitude,。位移的云纹图如图 14-23所示,板的中间部位位移最大。

Page 723: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

723

图 14-23 位移云纹图

14.6 优化分析

Patran 也支持优化分析,这里,举一个三杆结构的例子。以结构的重量最小化为优化目标,同时,使结构的 1阶频率在 1500~1550Hz之间,也即约束条件。 (1)创建新的数据库文件,【File】。 1)创建新文件:【File】→New,文件名→bi_metal, 。Analysis Code→

MSC.Nastran,Analysis Type→Thermal, 。

(2)直接创建有限元模型, 。 1)定义节点:Action→Create,Object→Node,Method→Edit,Node Location List→[-10 0

0], ;Node Location List→[0 0 0], ;Node Location List→[10 0 0],;Node Location List→[0 -10 0], 。这里,用直接输入坐标值的方法直接

定义了四个节点。

Page 724: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

724

2)创建单元:Action→Create,Object→Element, Method→Edit,Shape→Bar,Topology→Bar2,Pattern→Standard,Node 1→Node 1,Node 2→Node 4, ;Node 1→Node 2,Node 2→Node 4, ;Node 1→Node 3,Node 2→Node 4, 。这样,就创建

了三个杆单元。定义的模型如图 14-24所示。

图 14-24 创建的三杆模型

(3)定义材料, 。 1)Action→Create,Object→Isotropic,Method→Manual Input,Material Name→alum,

,Constitutive Model→Linear Elastic,Elastic Modulus→1e7,Poisson Ratio→0.33,Density→0.1, , 。

(4)定义单元属性, 。 1)定义单元 1和 3的属性:Action→Create,Object→1D,Type→Rod,Property Set Name

→pro1,Option(s) →General Section、Standard Formulation, ,Material Name→alum(Material Property Set),Area→1, ,Select Members→element 1 3,

, 。 2)定义单元 2的属性:Property Set Name→pro2, ,Material Name

Page 725: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

725

→alum(Material Property Set),Area→2, ,Select Members→element 2, ,

。定义杆的初始截面积分别为 1和 2。

(5)定义节点约束, 。 1)定义 1:3节点的约束:Action→Create,Object→Displacement,Type→Nodal,New Set

Name→dis1, ,Translations<T1 T2 T3>→<0 0 0 >,Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>, , ,FEM,Select Nodes→Node 1:3, ,

, ,即对杆结构上边的三个节点施加固定约束。 2)定义节点 4的约束:New Set Name→dis2, ,Translations<T1 T2

T3>→< , ,0 >,Rotations<R1 R2 R3>→<0 0 0>, , ,FEM,Select Nodes→Node 4, , , ,即杆结构的最下边的节点可以

在 XY平面内移动。 (6)定义变量、设置优化参数,【Tools】。 1)定义变量:【Tools】→Model Varibles,Action→Create,Object→Variable,Method→

Property,Dimension→1D,Type→Rod,Select Property Set→pro1,Select Property Name→Area,;Select Property Set→pro1,Select Property Name→Area, 。

2)设置优化参数:【Tools】→Design Study,Action→Create,Object→Design Study,Design Study Name→opt1,Make Current, ,Lower Bound(pro1_Area),Input New Value→0.1,回车,Input New Value→0.1,回车。Upper Bound(pro1_Area),Input New Value→100,回车,Input New Value→100,回车, ; ,Existing Objectives→Total_Weight,Min/Max→Minimize, ; ,Action→Create,Solution→Normal Modes,Response→Frequency,Frequency Mode Number→1,Lower Bounds→1500,Upper Bounds→1550, , , 。

(7)进行分析, 。 1)提交分析:Action→Optimize,Object→Entire Model,Method→ Full Run,

,Data Output→OP2 and Print, , ,

Mass Caculation→Coupled,Wt. Mass Contertion→0.00259,Maximum Number of Standard

Page 726: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

726

Design Cycle(DESMAX)→ 30, ,Solution Type→ 103 NORMAL MODES,Subcease Name→case1,Constraints in Current Case→FREQ_1, ,

,Solution Type→103 NORMAL MODES,Subcases Selected→case1(103 case1), , ,提交运算。

2)读入分析结果:Action→Read Output2,Object→Result Entities,Method→Translate,,文件名→optimize.op2, , 。

(8)显示优化过程曲线, 。

1)显示杆截面积的变化:Action→Post,Object→XYWindow,Select Current XYWindow→Design Variable History,Post/Unpost XYWindow→Design Variable History,则会显示出杆截面变化的曲线,如图 14-25所示。

图 14-25 杆的截面变化

2)显示最大约束的变化:Action→Post,Object→XYWindow,Select Current XYWindow

Page 727: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

727

→Maximum Constraint History,Post/Unpost XYWindow→Maximum Constraint History,则会显示出约束变化的曲线,如图 14-26所示。

图 14-26 约束的变化

3)显示目标函数的变化:Action→Post,Object→XYWindow,Select Current XYWindow→Objective Function History,Post/Unpost XYWindow→Objective Function History,则会显示出目标函数,也就是结构重量变化的曲线,如图 14-27所示。

Page 728: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

728

图 14-27 目标函数的变化

14.7 本章小节

本章通过所举的若干个例子,分别介绍了利用 Patran求解各种问题的方法,从最常用的静态分析,到动态的模态分析,还有非线性分析、复合材料结构的分析、热分析、优化等。

这些例子虽然简单,但都具有一定的代表性,并且体现出了 Patran应用中的一些特点和技巧,所以,非常有用。在参考这些例子时,最好能和前边的内容相结合,这样就能前后协调,理

解例子中的每步操作的含义,真正掌握 Patran的使用。

Page 729: MSC PATRAN从入门到精通

附录 A MSC.Patran中数据的输入方

在对 Patran的操作过程中,用户和系统之间要进行频繁的数据交互,所以,能方便的输入数据就显得非常重要。在 Patran中,绝大多数数据是通过叫做“Select Databox”的文本框来实现的,如图A-1所示,其是一个典型的数据输入文本框。在数据输入文本框 Select Databox中,数据输入的方法一般有两种,即通过交互式鼠标拾取(Mouse Picking)方式和按语法直接从键板输入(Keyboard Input)方式。

图 A-1 数据输入文本框

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,这是,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

Τ

729

Page 730: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

730

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. 按语法从键盘直接输入

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、solid。 点的输入:例如要输入一个点,可用键盘输入“point 8”(表示输入标号为 8的点),

“point 3 7 9”(表示输入标号为 3、7、9的点),“point 3:7”(表示输入标号从 3到 7的点),“point 5:18:2”(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⋯⋯17的点),“curve 3.2”(输入标号为 3的曲线的第 2个点),“surface 7.2.2”(输入标号为 7的曲面的第 2条边的第 2个点),“solid 5.3.2.1”(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“curve 3”(输入标号为 3的曲线),“surface 3.1”(输入标号为 3的曲面的第 1条边),“solid 7.2.2”(输入标号为 7的实体

Page 731: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

731

的第 2个曲面的第 2条边)等。 曲面的输入:可直接键入“surface 7”(输入标号为 7的区面),“solid 5.1”(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。

2.2 FEM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“node 3”,“node 1 7 11”,

“node 3:10”,“node 1:18:3”等。 单元的输入:例如“element 3”,“element 3:9”,“element 3:9:2”,“element 3,7 12:18”

(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“[ ]”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]”,“[0.3 18.29 -17.0]”,“[yp7 yn8 0.3]”(表示该点的 x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“<7 0 5>”。

2.5 坐标轴的输入

在 Patran中,用大括号“{ }”表示坐标轴,例如“{[10 3 10] [3 7 0]}”(表示以点[10 3 10] 和[3 7 0]为矢量方向的坐标轴),“{point 3 [8 5 8]}”(表示以标号为 3的点和[8 5 8]点为矢量方向的坐标轴)。 使用键盘输入应该注意以下几个问题: 可以使用通配符

Patran中识别的通配符如表 A-1所示。 表 A-1 Patran中的通配符

Page 732: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

732

符 号 意 义

# 最大标号

s, p 曲面

n 节点

c,l 曲线

t thru

pt,g 几何点

el 单元

例如,s1:#表示标号从 1到最大的所有曲面,n18t300表示从标号为 18到标号为 300的所有节点。

屏幕选择时使用 Select Menu(选择菜单) • Select Menu是一个屏幕选择过滤器,其位于图形编辑区的右侧,而且,根据所要输入对

象类型的不同,其会自动作相应的变化,如图A-2所示,其是输入对象类型是几何点时的状态,从上到下,各项的意义分别是:任何点,几何点,FEM节点,曲线的交点,曲线上一点,曲面的顶点,曲线和曲面的交点,曲面上任意一点,输入点的坐标或在屏幕上任意拾取一点。

图 A-2 输入类型为几何点时的选择菜单

可根据实际操作的需要,选用过滤器不同的功能,以方便操作。

Page 733: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

733

Page 734: MSC PATRAN从入门到精通

附录 B Patran工具栏各工具功能列表

表 B-1 Patran工具栏各工具功能列表

工具图标 工具名称 功 能 介 绍

File New 建立一个新的 Patran数据库文件。

File Open 打开一个已经存在的 Patran数据库文件。

File Save 保存一个正在编辑的模型到一个数据库

文件。

Print 打印当前编辑区的图形。

Copy to

Clipboard 将选定内容拷贝到剪切板。

Undo 取消上一次操作。

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

graphics 显示设置复位。

Refresh

graphics 刷新当前屏幕内容。

Mouse

rotate XY 中键操作(本工具和下面三个工具都是针

对三键鼠标的),选中该工具,可用鼠标中键

在编辑区内托动模型沿任意轴转动。

Τ

734

Page 735: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

735

Mouse

rotate Z 中键操作,选中该工具,可用鼠标中键在

编辑区内托动模型以 Z坐标轴为轴转动。

Mouse

traslate XY 中键操作,选中该工具,可用鼠标中键在

编辑区内托动模型在 XY平面内平移。

Mouse

zoom 中键操作,选中该工具,可用鼠标中键在

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)。

Page 736: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

736

续表 B-1 Patran工具栏各工具功能列表

工具图标 工具名称 功 能 介 绍

View

corners 显示局部内容,当需要对模型的某一局部

仔细观察而要放大时,选中该工具,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。

Fit view 模型显示归位,当由于局部放大、旋转、

平移等操作而使模型不能全部显示时,单击该

工具,可是模型回到编辑区的中心位置,同时

自动调节其大小,使其显示适当。

View

center 以编辑区中心点和鼠标单击点形成的矢

量(根据其大小和方向)平移模型。 Ratation

center 选择一个点作为模型旋转的中心点,这些

点可以是几何点、节点、空间点。

Moled

center 选择一个点,使其所在的位置处于视窗的

中心位置来显示。

Zoom out 缩小图形。

Zoom in 放大图形。

Wire

frame 以线框形式显示实体,不做消隐处理。

Hidden

line 以线框形式显示实体,但要做消隐处理,

被遮挡的部分将不会被显示出来。

Smooth

shaded 以光滑的实体形式显示实体,接近于真实

世界人眼所看到的情况。

Page 737: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

737

Show

labels 显示元素的标号。

Hide

labels 隐藏元素的标号。

Front

view 前视图。

Rear

view 后视图。

Top view 俯视图。

Page 738: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

738

续表 B-1 Patran工具栏各工具功能列表

工具图标 工具名称 功 能 介 绍

Bottom

view 仰视图。

Left side

view 左侧视图。

Right side

view 由侧视图。

Iso 1 view ISO 1视图。

Iso 2 view ISO 2视图。

Iso 3 view ISO 3视图。

Iso 4 view ISO 4视图。

Plot/Erase

form 图形显示管理。

Label

control 出现一个面板,用以控制被选定实体的标

签的显示。

Point size 以小点的形式显示点/以小园圈的形式显

示点。

Node size 以小点的形式显示节点/以小园圈的形式

显示节点。

Display

lines 显示曲面内部的曲线。

Page 739: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

739

MSC

Resources Services

打开网络浏览器,时实连接MSC公司的在线技术支持网站。

状态标志 静止表示等待用户输入,转动表示正在运

行。

Geometry 打开【Geomnetry】操作面板,进行几何操作。

Elements 打开【Elements】操作面板,进行网格划分。

Loads/BCs 打开【Loads/BCs】操作面板,定义载荷和边界条件。

Materials 打开【Materials】操作面板,定义材料。

Properties 打开【Properties】操作面板,给单元附加属性。

Load cases 打开【Load cases】操作面板,定义工况。

Fields 打开【Fields】操作面板,定义场。

Analysis 打开【Analysis】操作面板,进行分析计算。

Results 打开【Results】操作面板,显示分析结果。

Insight 打开【Insight】操作面板,进行分析结果处理

Page 740: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

740

XY Plot 打开【XY Plot】操作面板,进行曲线/图形处理。

Page 741: MSC PATRAN从入门到精通

附录 C Patran中的单位制

在 Patran 和 Nastran 中,单位制由用户自己确定,只要使用一套自封闭的单位制系统即可。例如,全部使用国际单位制:m、s、kg、N、Pa、kg/m3、m/s、m/s2 等。在输入各种参

数时,用户按照自己确定的单位制,将参数换算成该单位制下的相应数值,直接输入,而不

必连带单位。 但是,当存在惯性力,进行动力或模态分析时,由于加速度的存在,单位的使用一定要

注意,不要因为单位制产生错误。 如果一定要使用非封闭单位制,例如长度用 mm,而其它均采用国际单位,那么,可以

用 Nastran 的参数“WTMASS”来调节。具体到这里,要取 WTMASS=103。如果只做静力分析,那么,mm、N、MPa正好是封闭的,可以使用。

Τ

741

Page 742: MSC PATRAN从入门到精通

附录 D MSC的工具集 Utilities

为了进一步完善 Patran的功能,使它的使用更加方便灵活,MSC免费赠送了一个工具集“Utilities”,自中包含了众多的内容和操作,使得用户能够更加得心应手。安装完 Patran 之后,在目录“~\msc\patran2001\shareware\msc\unsupported\utillities”下,可以找到一个名称为“p3epilog.pcl”的文件,将其复制到“~\msc\patran2001”目录下,改名为“p3patran.pcl”,在启动 Patran,则在 Patran界面的菜单区会增加一个菜单 ,其就是“Utilities”工具箱,如图 E-1所示。

图 E-1 【Utilities】菜单项

Τ

742

Page 743: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

743

从图 E-1 中可以看到,“Utilities”工具涉及到了众多方面,包括文件操作、组、显示设置、几何模型、有限元模型、分析及结果处理等等多个方面。是一个不错的工具集。但是,

【Utilities】中的有些菜单项没有经过严格的测试,只是试用,所以,使用时可能会存在问题。

Page 744: MSC PATRAN从入门到精通

附录 E Patran、Nastran中的坐标系

在 Patran和 Nastran中,为了表达和使用的方便,存在/可以定义许多坐标系。这些坐标系本质上都是相通的,但不同的坐标系,有着不同的用途,在特定条件下,某个(类)坐标

系却是最好的。 根据坐标系使用和应用对象的不同,可以将坐标系大致分为以下几类:

Τ

744

全局坐标系(Global System):即 Patran的全局坐标系或是缺省的笛卡尔坐标系,其与 Nastran中的基本坐标系相同。许多其它坐标系都以其为参考。

局部坐标系(Local System):局部坐标系用来特指在 Patran中由用户自己定义的坐标系。它们可以是直角坐标系,也可以是柱坐标系和球坐标系。它们与 Nastran 中的全局坐标系一样。不要在术语上混淆,只要记住,用户在 Patran中建立的坐标系叫局部坐标系,用户在 Nastran 中建立的坐标系叫全局坐标系,Patran 中的缺省坐标系叫全局坐标系,Nastran中的缺省坐标系叫基本坐标系。

参考坐标系(Reference System):参考坐标系可以是全局坐标系,也可以是局部坐标系,在其中定义几何。例如,有限元节点的位置就是定义在参考坐标系中的。

分析坐标系(Analysis System):分析坐标系是局部坐标系,解算器基于有限元节点的分析计算就在分析坐标系中进行。节点可以在一个坐标系中定义(参考坐标系),但是结果

计算可以在另一个坐标系中进行(分析坐标系)。通常,当节点结果输入到 Patran 的数据库中的时候,其将记录在分析坐标系中。

单元坐标系(Element System):单元坐标系是基于每一个特定单元的坐标系,Patran中有多种类型的单元坐标系。当单元被存储到数据库中的时候,相应的单元坐标系也相应的

存储,不同单元的单元坐标系一般不相同,计算时,也是根据单元坐标系计算单元结果。这

给计算结果的图形显示带来了困难,所以,将会把计算结果通过坐标变换转换到统一的坐标

系中。 全局投影坐标系(Projected System):该坐标系用于将基于板壳单元的的数据进行变

Page 745: MSC PATRAN从入门到精通

Τ

745

换和显示,这些数据存储在单元坐标系中。 材料坐标系(Material System):材料坐标系是基于材料定义和角度的单元坐标系,

只存在于四边形单元和三角形单元。 参数坐标系(Parametric System):参数坐标系是基于几何体的,每一个几何体都有

其参数坐标系。参数坐标系的维数与几何体的维数相同,其坐标值的范围是 0.0~1.0,这与几何体的实际尺寸无关。例如一个长方体,以一个顶点为原点,以从该顶点出发的三条边为坐

标方向,即为其参数坐标系。参数坐标在几何中通常用字母ξ1、ξ2、ξ3表示,而在 Patran的用户界面中通常用 u、v、w表示。如果想显示几何的参数坐标方向,可参见 13.5.4节。

Page 746: MSC PATRAN从入门到精通

声 明

本资料只能作为个人使用,不得有任何商业行为,如有侵权行为,将依法予以追究!

作者特此声明

2002.05.12

Τ

746