基于 MSC Patran/Nastran 的有限元分析流程详解

概述

MSC Patran/Nastran 是业界最广泛使用的前/后处理软件之一，支持包括ANSYS、Nastran、Abaqus、LSDYNA 等在内的多种求解器，广泛应用于工程领域，如航空航天、汽车制造、土木工程、生物力学等，为产品设计提供全面的仿真分析能力。Patran 是由美国MSC公司推出的有限元分析软件，与Nastran 结合，具备强大的建模与分析能力。

建立数据库文件




1. 初始化：启动 Patran 软件，执行 File > New 操作，创建数据库文件，并在弹出的窗口中设置存储分析文件的文件夹及合适的数据库文件名。

2. 参数设置：选择 Preferences 选项，进入 Analysis Preference 面板。在 Analysis Parameters 区域，手动设置 Analysis Code 为 Nastran、Analysis Type 为 Structural，以指定分析类型，点击 OK 完成设置。

导入几何模型

1. 导入模型：使用 File > Import 进行模型导入，将三维模型文件，如来自 SolidWorks 的几何模型，指定为对象 Model，在 Source 中选择模型来源。

2. 单位设置：打开 SolidWorks options 并设置 model unit 为 1000 millimeters，确保单位与模型需求相匹配。

3. 模型加载：在左侧的文件浏览中选择并加载选定的三维模型文件，点击 Apply 完成导入。

有限元网格划分

1. 网格产生：进入 Meshing 界面，选取 meshers 中的 solid 图标，设置 mesh 类型为 solid，并手动操作以创建三维实体网格。

2. 单元尺寸控制：在 input list 中选择对应的实体，并在尺寸控制选项中取消自动计算单元尺寸，输入适当单元尺寸值，以满足精度需求，最后点击 Apply 确定。

施加约束与载荷

1. 定义约束：通过 Load/Boundary Conditions 面板，选择 Nodal，新建 displacement constraint，为其分配预设的自由度和约束类型。

2. 应用区域选择：设置 select applicationregion 为 geometry，通过选择几何实体（点、线、面或体）来指定约束应用区域，并完成 Add 、OK、Apply 的相关步骤。

3. 定义载荷：创建 total load，设置 target element type 为 3D，并输入相应的载荷参数，然后选择承载面来确保载荷正确施加。

设置材料特性与属性定义

1. 创建已知材料：在 properties 面板中，针对材料特性，使用 isotropic 栅格，选择 manual input 进行材料属性如密度、弹性模量、泊松比、线膨胀系数、热导率的数据输入。

2. 应用材料至实体：在 3D properties 界面中，定义 solid 类别的属性，选择现有的 property set，并通过 select material 从已定义的材料中选择所需材料，最后完成参数配置。

求解

1. 发起计算：返回至 analysis 面板，指定整个模型进行分析，并选择适当的求解方法（full run）和求解策略（例如，使用合适的工作流程），指定文件名 job name 及工况名 subcase，确保能够有效执行求解任务。

后处理

1. 读取结果：在 Patran 中调用 XDB 工具，将 Nastran 生成的分析结果文件作为 XDB 附带数据读入，方便后续处理。

2. 位移云图显示：利用 result 工具，创建 fringes/deformation 视图，直接观察位移云图，了解结构变形状况。

3. 应力云图分析：同样使用 result 工具，设置类似 fringes/deformation 的操作步骤，但针对 stresstensor 和 vonmises 应力量，创建显示应力云图，综合评估结构的应力状态。

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