PATRAN_模态分析

实验：装配的模态有限元分析
一. 问题描述
探究结合面的参数对装配体的模态有限元分析影响因素，做如下实验设计两块简单的平板，用两螺栓连接，模拟机床部件之间结合面的形式。

具体参数如下
1. 建立如下图所示的装配图
尺寸描述如下：
板长360mm 宽84MM 上板厚10mm 下板后 30mm
为了说明分析情况与实际相符，螺栓分布不对称距离中心分别为 140mm 和100mm 装配体分为上下两个板结构
上板为板1 下板为板2
材料铸铁铸铁
弹性模量 145e9 145e9
伯松比0.25 0.25
密度7.3G/CM 7.3G/CM
螺栓螺帽
材料碳钢碳钢
弹性模量 200E9 200E9
伯松比0.3 0.3
密度7.9 7.9
2 ．对装配体划分网格
为了计算准确有考虑计算机性能，选择二次单元，solid 8node 183 单元
划分完效果图如下：
可以看到这是自由网格划分的情况，用的是四面体单元 精度不如二次六面体单元
四面体单元和三角形单元混合的使用
下面进行求解自由模态
选择分析类型和设置约束之后求解得到结果
其中设置的是以板2下面约束所有自由度。

自由状态的模态分析结果。

与下面的约束方法做比较。

目录第一章 Patran基础知识 (2)第二章悬臂梁的有限元建模与变形分析 (12)第三章受热载荷作用的薄板的有限元建模与温度场求解 (20)第四章带孔平板的受力分析（平面） (23)第五章厚壁圆筒的受内压作用时的应力分析 (27)第六章受压力载荷作用时板的受力分析 (31)第七章板的模态分析 (34)第八章板的瞬态响应分析 (37)第九章板的频率响应分析 (40)第十章提取车架中性面的模态分析 (43)第一章 Patran 基础知识一．Patran 的用户界面介绍Patran 具有良好的用户界面，清晰、简单、易于使用且方便记忆，其用户界面如图1-1所示。

图1-1 patran 界面按照各部分的功能，可将Patran 界面划分为四个区域：菜单和工具栏区、操作面板区、图形编辑区、信息显示和命令行输入区。

下面，就分别对这几个区域进行介绍。

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

图1-2 菜单工具栏Patran 的菜单是该软件的重要组成部分，使用菜单项，可以完成多设置和操作。

本来，菜单与各种工具是配合使用的，两者是不能独立区分的。

这里对菜单栏进行简单的介绍，一般情况下，Patran 有九个主菜单项，如图1-2所示，文件菜单栏应用菜单按钮工具栏管理（File）菜单主要用于Patran数据库文件的打开/关闭，同时也用来从其他CAD系统输入模型；组（Group）菜单主要用于组的操作，作用类似CAD系统中的“层”；视窗管理（Viewport）菜单用于视窗设置；视图操作（Viewing）菜单用于图形显示设置，包括了工具栏中一些工具的功能；元素显示管理（Display）菜单用于设置各种元素的显示方式；参数设置（Preferences）菜单用于选择求解器，定制用户自己的环境等操作；工具选项（Tools）菜单中提供了许多非常有用的工具；在线帮助（Help）菜单为使用者提供在线帮助。

随机响应分析过程说明1、约束模态预分析在随机分析前应进行约束模态分析，确定前30阶的频率空间。

随机分析是在模态的频率响应分析基础上施加PSD加速度进行计算的，该分析方法是使用振型叠加法分析线性动态问题的，要保证在频率提取分析步中提取了足够数量的模态，其判断标准是在主要运动方向上的总有效质量要超过模型可运动质量的90%。

本模型中，其约束模态第一阶频率为2879.2Hz；第三十阶频率是26360Hz；分析频率响应频率范围在2000Hz—6000Hz。

2、在Patran上显示Utilities菜单，做随机响应分析Random正常情况下，用户界面上并不显示Utilities菜单，但这些功能已经随着软件一起安装了。

把该菜单调出来的方法是：Patran的安装目录下有个init.pcl文件，在该文件中增加一行“( 999, p3_home // "/shareware/msc/unsupported/utilities" )”，再启动Patran。

重新运行后，显示utilities功能模块，其中，包含Random分析模块。

3、创建模型4、创建网格以4mm为单元长度，生成网格5、为集中力创建一非空间场单击Fields应用工具按钮，Action〉Create，Object〉NonSpatial，Method〉Tabular Input，在Field Name里输入f1，在Active Independent Varialbles中选择Frequency（f）,单击Input Data 按钮，在弹出的对话框中输入下图数据，单击OK、Apply完成非空间场的创建。

6、定义材料属性杨氏模量2.1e5MPa,泊松比0.3，密度7.8E-9T/mm37、定义单元属性单击Properties应用工具按钮，在厚度里设置3mm(每次分析可修改厚度，但厚度设置一般不超过最短边长的1/5)。

8、创建载荷工况单击Load C…，在Load Case Name中输入f1,在Type中选择Time Dependent。

一、Patran/Nastran安装1、利用破解工具MSC_Calc_20160715生成license.dat文件2、安装证书msc_licensing_11.9_windows3264，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的license.dat3、安装MSC.Patran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat4、安装MSC.Nastran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat5、启动证书MSC.Licensing Utility，选择Start/Stop/Reread项，点击Start Server6、启动Patran注意：安装过程关闭windows防火墙，关闭管理员权限确认，关闭360二、导入模型1、将绘制好的模型保存成.x_t格式。

2、File→Import点击Parasolid xmt Options→Model Units，调整模型的显示单位为mm调整好后，选择绘制的.x_t格式模型导入三、划分有限元网格点击项Action:Create→Object:Mesh→Type:Solid(实体)→Elem Shape:Tet(选择单元形状为四面体，规则物体可选Wedge或者Hex)→Value：20(设置网格大小，此处应先取消Automatic Calculation项)→ApplyPatran划分有限元网格方式很多，此处介绍的是最简易的自动生成网格四、设置材料属性1、Nastran中各物理量无指定单位，只需要各物理量的单位统一点击项2、将设置好的材料赋予实体选择项，在Selecet Application Region项add赋予属性的实体五、添加边界条件1、选择项，添加运动类约束，在Selecet Application Region项add施加约束的区域取六、创建分析1、选择Ansys下的项，上述WT-Mass设为0.001是为了保证保证Nastran中单位统一封闭2、点击Apply后Patran会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口会自动关闭3、选择载入结果，结果文件为.xdb格式，操作过程如下图4、查看结果，选择Result下的项，一阶频率为295.4Hz（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。

一、Patran/Nastran安装1、利用破解工具MSC_Calc_20160715生成license.dat文件2、安装证书msc_licensing_11.9_windows3264，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的license.dat3、安装MSC.Patran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat4、安装MSC.Nastran.V2013，安装过程中需要载入license，指向第一步生成的文件license.dat5、启动证书MSC.Licensing Utility，选择Start/Stop/Reread项，点击Start Server6、启动Patran注意：安装过程关闭windows防火墙，关闭管理员权限确认，关闭360二、导入模型1、将绘制好的模型保存成.x_t格式。

2、File→Import点击Parasolid xmt Options→Model Units，调整模型的显示单位为mm调整好后，选择绘制的.x_t格式模型导入三、划分有限元网格点击项Action:Create→Object:Mesh→Type:Solid(实体)→Elem Shape:Tet(选择单元形状为四面体，规则物体可选Wedge或者Hex)→Value：20(设置网格大小，此处应先取消Automatic Calculation项)→ApplyPatran划分有限元网格方式很多，此处介绍的是最简易的自动生成网格四、设置材料属性1、Nastran中各物理量无指定单位，只需要各物理量的单位统一点击项2、将设置好的材料赋予实体选择项，在Selecet Application Region项add赋予属性的实体五、添加边界条件1、选择项，添加运动类约束，在Selecet Application Region项add施加约束的区域取六、创建分析1、选择Ansys下的项，上述WT-Mass设为0.001是为了保证保证Nastran中单位统一封闭2、点击Apply后Patran会把任务交给Nastran求解，此时会弹出DOS模式的窗口，运算完成后该窗口会自动关闭3、选择载入结果，结果文件为.xdb格式，操作过程如下图4、查看结果，选择Result下的项，一阶频率为295.4Hz。

目录一、软件介绍 (1)1.1 MSC.Patran介绍 (1)1.2 MSC.Nastran (2)二、翼板的模态分析 (3)2.1 建立几何模型的文件名 (4)2.2 创建几何模型 (4)2.3 划分有限元网格 (4)2.4 设置边界条件 (5)2.5定义材料属性 (5)2.6 定义单元属性 (6)2.7 进行分析 (7)2.8 查看分析结果 (7)2.8.1显示模态云图 (7)2.8.2显示模态变形图 (8)2.8.3同时显示模态云图及变形图 (8)三、平板颤振分析 (9)3.1结构建模 (10)3.2气动建模 (11)3.2.1设定气动参考坐标系 (11)3.2.2气动建模－网格划分 (11)3.3参数设置 (11)3.3.1参考弦长等参数设定 (11)3.3.2减缩频率等参数设定 (11)3.4耦合分析 (12)3.4.1生成样条 (12)3.4.2应用样条 (12)3.4.3设定工况、分析 (12)3.5结果分析 (13)四、总结 (14)五、参考文献 (14)一、软件介绍1.1 MSC.Patran介绍MSC.Patran(后称Patran)是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。

Patran最早由美国宇航局（NASA）倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统, 其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身, 构成一个完整的CAE集成环境。

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

Patran拥有良好的用户界面, 既容易使用又方便记忆。

Patran作为一个优秀的前后处理器, 具有高度的集成能力和良好的适用性, 具体表现在:1.模型处理智能化。

为了节约宝贵的时间, 减少重复建模, 消除由此带来的不必要的错误, Patran应用直接几何访问技术（DGA）, 能够使用户直接从一些世界先导的CAD/CAM系统中获取几何模型, 甚至参数和特征。

基于Patran和MSC Nastran的压电智能桁架结构振动模态分析作者：陈文英张兵志来源：《计算机辅助工程》2013年第03期摘要：用Patran和MSC Nastran分析压电智能桁架结构振动模态，验证基于有限元法建立的智能桁架结构机电耦合动力学模型的正确性和有效性.结果表明：采用Patran和MSC Nastran 针对2种典型压电智能桁架结构开展振动模态分析的结果，与采用基于有限元法建立的数学模型计算得到的模态频率及实验测试模态频率近似相等，验证基于有限元法模型的正确性和有效性，为开展主动振动控制器的设计提供模型和技术支持.关键词：智能桁架结构；振动模态；有限元法中图分类号：TB535文献标志码：B0引言航空、航天技术的飞速发展，对空间结构系统的性能提出新的要求[1].智能桁架结构是利用功能材料（如压电陶瓷等）制成的集传感元件和作动元件于一体的主动构件，并将主动构件配置于桁架结构的若干关键部位而形成的，不仅具有传感和控制功能，还能承受结构载荷.[2-3]由于采用压电陶瓷材料制造的智能主动构件体积小、重量轻、结构紧凑、精度高且具有自适应能力等特点，在航空航天领域的大型桁架结构中广泛应用.智能桁架结构在具有上述优点的同时，还具有结构复杂、柔性大、阻尼小、低频模态密集、模态耦合程度高以及其他多种不确定性和耦合等特点，难于建立精确的动力学模型，给振动主动控制带来很大的挑战.[4-6]因此，如何建立精确的能反映智能桁架结构动力学特性的数学模型是开展振动主动控制器设计的首要问题.针对北京航空航天大学的两种典型智能桁架结构，基于有限元法，建立压电智能桁架结构的机电耦合有限元方程；针对上述两种典型智能桁架结构采用Patran和MSC Nastran软件进行有限元分析计算；将基于Patran和MSC Nastran软件的模态分析计算结果、模态测试实验结果与基于有限元法建立的动力学模型计算结果进行对比分析，验证基于有限元法建立的压电智能桁架结构机电耦合动力学模型的正确性和有效性.1基于有限元法建立智能桁架结构的振动模态计算方程基于有限元法，考虑压电主动杆的机电耦合特性，建立智能桁架结构的运动方程[7-8]mu··（t）+cu·（t）+ku（t）=Fe（t）+BFc （t）（1）式中：m为质量矩阵；c为阻尼矩阵；k为刚度矩阵；Fe（t）为外部结点力矢量；Fc（t）为m×1的控制力矢量，m为主动杆的数目；B为主动杆的方向余弦矩阵.假定系统具有比例阻尼，没有外部作用力.采用模态展开u（t）=φq（t），其运动方程可表示为q··+Dq·+Ωq=φTBFc （2）式中：D=diag[2ξjwj]；Ω=diag[w2j]，j=1，2，…，n；φ=[φ1φ2…φn]；wj和ξj分别为第j阶固有频率和模态阻尼.2基于Patran和MSC Nastran的智能桁架结构振动模态分析2.1应用实例选用北京航空航天大学根据大型空间结构设计的四棱柱和三棱柱智能桁架结构为研究对象，见图1.四棱柱智能桁架结构结构根部立杆位置配置4个压电主动杆（1-5，2-6，3-7和4-8），三棱柱智能桁架结构根部立杆位置配置3个压电主动杆（1-4，2-5和3-6）.两种空间桁架结构均由铜制杆件和钢制连接件组成，同一高度的水平杆分别组成正方形（四棱柱智能桁架）和等边三角形（三棱柱智能桁架）.其中四棱柱桁架的各跨结构外轮廓为正方体，由立杆、水平杆和斜杆构成.立杆和水平杆长度相等，相对底平面上斜杆的方向不同，同一平面斜杆与直杆之间的夹角为45°；三棱柱智能桁架各跨结构外轮廓为三棱柱形状，与四棱柱桁架一样，由立杆、水平杆和斜杆构成，立杆和水平杆长度相等，每个侧面也有一根斜杆.相邻各跨同平面上的斜杆方向不同，同一平面斜杆与直杆之间的夹角为45°.在桁架杆件设计中，考虑到大柔度、低阻尼的要求以及装配的简易性，主杆设计为空心细杆，两端采用螺杆通过多面体接头进行连接，四棱柱智能桁架采用M5的螺杆，三棱柱智能桁架采用M3的螺杆.两个桁架结构基本参数见表1.2.2基于Patran和MSC Nastran软件的智能桁架结构振动模态分析为验证上述有限元建模方法的正确性，编写智能桁架结构有限元计算程序，分别对两种智能桁架结构进行有限元分析计算，并与北航实验测试的模态频率进行对比.四棱柱、三棱柱桁架结构有限元建模的节点编号见图1.表 1桁架结构基本参数表桁架结构结构尺寸/mm杆外径/mm杆内径/mm螺杆主杆数节点数跨数四棱柱320×320×320106M583286三棱柱260×260×26064M31023611在智能桁架结构的有限元计算中，结构中的所有杆件，包括主动杆和普通杆，均以等截面杆单元模拟，连接接头以节点质量代替.四棱柱智能桁架结构的有限元模型包括83个杆单元，28个节点，底部四个节点的自由度全部固定，以模拟悬臂的边界条件，整个模型共有72个自由度.各桁架结构杆单元的弹性模量为1.08×1011 N/m2，质量密度为8 940 kg/m3，各节点附有0.78 kg的集中质量.考虑到桁架结构中杆件的两端是通过两个螺杆与桁架中两连接件连接的，由轴向拉压刚度等效条件，得到简化后的普通直杆、普通斜杆和主动杆单元的等效截面积分别为3.257×10-5 m2，3.117×10-5 m2和1.45×10-5 m2.三棱柱桁架为顶部带配重的11层塔式复合桁架结构，包括102个杆单元（底部3个立杆为压电主动杆，压电堆尺寸为12×120 mm），36个节点.为模拟悬臂的边界条件，底部三个节点的所有自由度全部固定，模型共有99个自由度.各桁架结构杆单元的弹性模量为1.08×1011 N/m2，质量密度为8 940 kg/m3，各节点附有0.135 kg的集中质量，顶部配重为1.435 kg，简化后的普通直杆、普通斜杆和主动杆单元的等效截面积分别为1.516×10-5 m2和1.527×10-5 m2和6.337×10-5 m2.四棱柱智能桁架结构计算与实验模态频率对照见表2.三棱柱智能桁架结构计算与实验模态频率对照见表3.四棱柱智能桁架结构的前6阶模态振型见图2.三棱柱智能桁架结构的前6阶模态振型见图3.由表2和3可以看出，四棱柱智能桁架结构和三棱柱智能桁架结构前6阶模态频率计算值与实验值吻合很好，误差在5%之内，说明建立的智能桁架结构机电耦合有限元模型正确，能够真实地反映智能桁架结构的动力学特性.从四棱柱智能桁架结构和三棱柱智能桁架结构的固有频率分布上看，第1阶和第2阶模态及第4阶和第6阶模态是两两密频模态，分别代表一弯和二弯振型，第3阶模态是绕z轴的扭转模态.3结束语采用大型商业化结构分析软件Patran和MSC Nastran，对北京航空航天大学的四棱柱和三棱柱压电智能桁架进行模态分析计算，计算结果与基于有限元法建立的压电智能桁架结构机电耦合动力学模型的计算模态频率近似相等，与实验测试模态频率吻合，有效验证基于有限元法建立的压电智能桁架结构动力学模型的正确性和有效性，为进一步振动控制器的设计提供模型和技术支持.参考文献：[1]黄文虎，王心清. 航天柔性结构振动控制的若干新进展[J]. 力学进展， 1997， 27（1）： 5-18.[2]张景绘. 一体化振动控制：若干理论、技术问题引论[M]. 北京：科学出版社， 2005.[3]罗晓平，黄海. 自适应结构控制及其空间应用[J]. 航天控制， 2005， 23（2）： 47-53.[4]赵国伟，黄海，夏人伟. 柔性自适应桁架及其振动最优控制实验[J]. 北京航空航天大学学报， 2005， 31（4）： 434-438.[5]陈文英，阎绍泽，褚福磊. 免疫遗传算法在智能桁架结构振动主动控制系统优化设计中的应用[J]. 机械工程学报， 2008， 44： 196-200.[6]陈文英，褚福磊，阎绍泽. 智能桁架结构自适应模糊主动振动控制[J]. 清华大学学报：自然科学版， 2008， 48（5）： 816-819.[7]陈文英，阎绍泽，褚福磊. 免疫遗传算法在智能桁架结构振动主动控制系统优化设计中的应用[J]. 机械工程学报， 2008， 44（2）： 196-200.[8]CHEN Wenying， CHU Fulei， YAN Shaoze， et al. An interval parameter perturbation method for predicting the natural frequency bounds of intelligent truss structures with uncertain-but-bounded parameters[J]. Key Engineering Materials， 2007， 347： 569-574.（编辑武晓英）。

PATRAN模态分析PATRAN（全称为“Pattern Recognition, Analysis and Machine Intelligence”）是一种用于进行模态分析的软件工具。

它提供了一套强大的功能，可以帮助工程师和科学家分析和理解复杂系统的模态特性和行为。

在模态分析中，我们的目标是确定一个系统可能存在的自由振动模态。

这些振动模态在许多不同的领域都有应用，例如机械工程、航空航天、建筑和地震工程等。

通过了解系统的模态特性，我们可以更好地了解系统的动态行为，识别潜在的问题和风险，并进行优化和改进。

对于大型和复杂的系统，准确而有效的模态分析可能是一项挑战。

这就是Patran发挥作用的地方。

Patran是一款功能强大的前后处理软件，它与MSC Nastran等有限元软件紧密集成，可以帮助用户直观地建模、分析和可视化系统的振动模态。

在使用Patran进行模态分析时，我们需要进行以下步骤：1. 准备模型：首先，我们需要将待分析的系统建模。

Patran提供了各种建模工具，可以帮助用户创建几何模型、网格化模型，并为分析选择适当的材料属性和边界条件。

2.定义分析：根据模型的特性和要求，我们需要定义模态分析的类型和参数。

这些参数可能包括求解器选项、收敛准则、模态频率范围等。

3. 运行分析：一旦模型和分析定义完成，我们可以使用MSCNastran等有限元求解器来执行模态分析。

Patran将自动将模型和分析参数转化为Nastran认可的输入文件，并调用求解器进行计算。

4. 分析结果：当求解器完成计算后，Patran将帮助用户导入和可视化模态分析的结果。

这些结果可能包括模态频率、振型、参与因素等。

5. 结果解释：最后，我们需要解释和分析模态分析的结果。

Patran 提供了各种方式来可视化和解释模态分析结果，例如模态动画、频率响应图、模态贡献和应力分布等。

总的来说，Patran是一款功能强大的软件工具，可以帮助工程师和科学家进行模态分析。