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。

第二部分模态分析S3-1NAS122, Section 3, September 2008Copyright 2008 MSC.Software Corporation概述概●计算结构的固有频率和模态的原因是什么？●之所以计算结构的固有频率和模态，原因有多个。

一个原因就是，评估部件及其支撑结构之间的动态相互作用。

例如，如果要将旋转机械（如空调扇）安装到建筑物的顶上，那么，一定要确定旋转机械如安装到建筑物顶那定要确定旋转扇的运转频率是否接近建筑物的某个固有频率。

如果二者接近，则风扇在运转时可能会损坏建筑物的结构或使其坍塌。

●可以基于固有频率的分析结果做出动态分析（即，瞬态响应分析、频率响应分析、响应谱分析等）决定。

可以先求出重要模态，然后使用它们来选择要对运动方程进行积分的适当时间步长或频率步长。

同样，可以使用特征值的分析结果（固有频率和模态）来分析模态频率和模态瞬态响应分析（请参阅“频率响应分析”和“瞬态响应分析”）。

S3-2NAS122, Section 3, September 2008Copyright 2008 MSC.Software Corporation概述概(续)●有时会将动态分析结果与物理实验结果进行比较。

可以使用正则模态分析来指导实验在实验前的规划阶段，正则模态分析可用于指示加速计析来指导实验。

在实验前的规划阶段，正则模态分析可用于指示加速计的最佳位置。

在实验之后，可以使用正则模态分析将实验结果与分析结果进行关联。

●还可以通过使用固有频率和正则模态来评价设计变更。

特定的设计变更是否会导致动态响应增加？正则模态分析常常能够提供答案。

会模供●总之，可能会出于多种原因来计算结构的固有频率和模态。

所有这些原因都基于个事实那就是实数特征值分析是许多类型的动态响应分析因都基于一个事实，那就是实数特征值分析是许多类型的动态响应分析的基础。

因此，对于所有类型的动态分析来说，一定要全面了解正则模态分析，以及特定结构的固有频率和模态。

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。

第15卷增刊计算机辅助工程 V ol. 15 Supp1. 2006年9月COMPUTER AIDED ENGINEERING Sep. 2006 文章编号：1006-0871(2006)S1-0099-03MSC Patran在浮筏隔振装置模态分析中的应用杜向华，赵应龙，朱海潮（海军工程大学，湖北 武汉 430000）摘 要：基于MSC Patran建立浮筏隔振系统模型. 在对系统进行模态分析之前，把认为薄弱的环节划分为一组，并首先对该组进行模态分析，通过对模态参数的辨识，对整个系统的动态特性进行预估，指导系统结构的优化设计.关键词；MSC Patra n；浮筏隔振系统；模态分析；优化设计中图分类号：TP391.9；U661.44文献标志码：AApplication of MSC Patran in Modal Analysis ofBuoyant Raft Shock-resistant SystemDU Xianghua, ZHAO Yinglong, ZHU Haichao( Navy Univ. of Eng., Wuhan Hubei 430000, China )Abstract:The model of the buoyant raft shock-resistant system is built based on MSC Patran.Before the modes of the whole system is analyzed, some parts of the model is first picked out as a group for modal analysis to study its structure strength. The system dynamic characteristics can be estimated from the group modal parameters, which can guide the optimization design of the system structure.Key words:MSC Patran; buoyant raft shock-resistant system; modal analysis; optimization design0 引 言船舶机械的振动会对船舶的舒适性、安全性等造成很大伤害. 采用隔振装置衰减振动、降低结构噪声已经得到广泛应用. 浮筏隔振系统是将多个振动机械安装在1个公共筏架上，然后将这个公共的筏架弹性安装在基础结构上，属于多机组、多扰源的多层隔振系统. 浮筏隔振系统具有隔振效果好，可以减小附加质量并节省安装空间等优点.[1] 隔振系统的设计一般要满足结构紧凑、布局合理、隔振效果明显、达到各项技术设计的要求.在CAE领域中，MSC Software 公司的大型有限元软件MSC Patran和MSC Nastran广泛应用于船舶、航空航天、通用机械等行业. 在浮筏隔振系统的设计中，常常利用MSC Patran和MSC Nastran对系统进行静力学、动力学分析，评估系统设计的质量，指导系统设计. 其中模态分析是是动态特性分析的核心，也是结构振动分析的基础. 文中基于MSC Patran建立浮筏隔振系统模型. 在对系统进行模态分析之前，把认为薄弱的环节划分为一组，并对该组首先进行模态分析，通过对模态参数的辨识，对整个系统的动态特性进行预估，指导系统结构的优化设计. 这样可节省资源和时间，缩短设计周期.收稿日期：2006-06-23；修回日期：2006-07-20作者简介：杜向华(1980- )，男，湖南双峰人，在读硕士，研究方向为振动与噪声控制，(E-mail)******************.cn100 计算机辅助工程2006年1 浮筏隔振装置组成[2]浮筏隔振装置主要由3台冷却水泵、安装支座、上下层隔振器和中间筏体组成. 安装支座和中间筏体为钢板框架焊接结构，3台冷却水泵各通过4只BE-160型隔振器弹性安装在筏体上，浮筏隔振系统通过8只6JX-100型隔振器弹性固定在船体基座上，筏体和泵立式布置.2 有限元模型的建立采用MSC Nastran大型有限元分析软件的前后处理模块MSC Patran对浮筏系统进行有限元建模.在有限元建模时，根据参数等效原则，在保证冷却水泵的质量、质心以及外形尺寸一致的条件下，首先将冷却简化为均质的各向同性弹性体，然后用4节点的4面体单元对设备实体进行有限元网格划分.上下层隔振器的每个隔振器分别用3个一维弹簧单元和3个一维阻尼单元建模.安装支座和中间筏体，在保证质量、质心以及外形尺寸一致的条件下，采用板单元进行建模，对设计中的孔洞、加强筋等进行建模. 用3节点的三角形单元对其筏体进行有限元网格划分.由于冷却水泵的安装间隙有严格要求，冷却水泵的安装支座成为浮筏隔振系统中的设计难点. 本文把采用板单元建立的安装支座和体单元建立的冷却水泵划分为一组，图1是用两种设计方案建立该组的有限元模型.方案1 方案2图 1 组的有限元模型3 模态分析计算在对模型进行有限元划分、定义材料属性等等一些步骤之后，把该组模型首先提交给MSC Nastran进行自由模态分析. 得到两种设计方案的前6阶弹性模态的频率如表1：表1 组的模态分析结果模态频率/Hz阶数方案1方案2主要振型19 138. 39306. 2820 150. 91354. 5221 151. 74359. 5722 171. 14385. 8523 188. 54429. 9324 208. 77470. 75安装支架弯曲振动选取两个方案的第19阶模态如图2所示：方案1方案2图 2 组的第25阶模态从表1可以看出，虽然模态频率都避开设备产生的激励频率及其倍频，但同样是安装支座产生弯曲模态，模态频率方案2明显高于方案1. 另外筏体的弹性模态频率前3阶为105. 47 Hz，278. 01 Hz 和383. 66 Hz，浮筏隔振系统的设计希望系统在产生弹性模态时不仅要避开设备的激励频率及其倍频，同时也希望弹性模态频率尽量高一些. 这样的系统结构更加坚固和牢靠. 因此，方案2的设计显然优于方案1. 经过对两个方案系统模态的分析计算，得出方案2的弹性模态频率绝大部分在300 Hz 以上，方案1达不到如此要求. 另外，系统动态特性在以后进行动力学分析时，方案2也要优于方案1. 如在采用DDAM进行冲击设计计算时，设备采用方案2的安装支座，在X，Y，Z 3个方向产生的最大位移都没有超过0.05 m的技术指标（最大位移在Z向为0. 047 5 m），从而达到设计要求.4 结论通过前后处理器MSC Patran建立3台冷却水泵浮筏隔振装置的模型，对认为结构薄弱的冷却水泵增刊杜向华，等：MSC Patran在浮筏隔振装置模态分析中的应用101安装支座连同冷却水泵首先进行划分网格、定义属性进行模态分析. 通过计算发现其弹性模态频率过低，结构过“软”. 通过重新设计安装支座，进行有限元分析计算，发现浮筏隔振系统设计满足各项技术要求，最后反过来对开始设计的安装支座组成系统进行有限元分析，发现在冲击等分析计算时，系统很难满足要求的技术指标.灵活采用MSC Patran中组的概念，对关注部件划分成组进行分析，从而指导系统设计，达到节省资源和时间，缩短设计周期的效果.参考文献：[1] 朱石坚，何琳. 船舶机械振动控制[M]. 北京：国防工业出版社，2006.[2] 赵应龙，何琳，黄映云，等. 船舶浮筏隔振系统冲击响应的时域计算[J]. 噪声与振动控制, 2005, 25（2）: 14-17.（编辑 廖粤新）。