【Patran+Nastran静态分析实战指南】：实例演示+技巧分享，让分析更轻松


# 摘要
本文全面介绍了Patran和Nastran软件在静态分析领域的应用，从模型的构建到静态分析的执行和结果验证，再到进阶应用与疑难问题解决的各个方面。首先概述了软件的基本功能及静态分析的基础，然后详细阐述了建立模型的关键步骤，包括几何构建、材料与属性定义以及网格划分技术。接着，本文深入探讨了边界条件和载荷施加的策略，并介绍了分析工况的设置。在执行分析和结果验证部分，本文提供了分析执行流程、结果数据提取以及验证评估方法。最后，针对静态分析的进阶应用和问题解决提供了深入见解，并对未来静态分析技术的趋势进行了展望。

# 关键字
Patran+Nastran；静态分析；几何建模；网格划分；边界条件；载荷施加；结果验证；参数化优化；多物理场耦合

参考资源链接：[郄彦辉分享：Patran+Nastran结构静力与模态分析实例教程](https://wenku.csdn.net/doc/7j5i1zqehv?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Patran+Nastran简介与静态分析基础

## 1.1 Patran+Nastran概述

Patran+Nastran 是一种广泛应用于工程领域的先进分析软件组合，它以高度集成的方式为用户提供了一套完整的分析工具。Patran 作为前处理工具，负责创建和编辑有限元模型，而 Nastran 则作为后处理器，执行模型的求解和结果处理。该软件组合特别适用于航空航天、汽车、船舶和其他多种行业的静态分析。

## 1.2 静态分析的重要性

静态分析是结构分析的基础，主要用来计算结构在外力作用下产生的位移、应力、应变等参数。在产品设计阶段，通过静态分析可以评估结构的强度和刚度，确保设计的安全性与可靠性。对于工程师来说，掌握静态分析是至关重要的，它有助于减少设计缺陷和避免后期的结构失败。

## 1.3 静态分析流程概览

进行静态分析时，首先需要建立结构模型并进行几何构建，接着定义材料属性和网格划分，然后施加边界条件和载荷，最后执行分析并验证结果。本章将详细介绍上述步骤，并指导读者如何运用Patran+Nastran进行静态分析。

graph LR;
A[建立静态分析模型] --> B[定义材料属性]
B --> C[网格划分技术]
C --> D[边界条件与载荷施加]
D --> E[执行静态分析]
E --> F[结果验证与评估]

请注意，以上代码块中的流程图是一个简化的静态分析流程，便于读者快速掌握整体步骤。在后续章节中，我们将深入探讨每一个步骤的具体操作和注意事项。

# 2. 建立静态分析模型

## 2.1 模型的几何构建

### 2.1.1 几何建模基础

在进行静态分析之前，建立一个准确的几何模型是至关重要的一步。这一节将探讨如何通过Patran建立模型，并介绍相关的基础概念。

在Patran中，几何建模是通过创建节点、线、面和体等基础元素完成的。初始的几何形状可以通过构建简单元素手动完成，也可以通过导入CAD模型数据来实现。值得注意的是，模型的准确性直接影响到后续分析的可靠性，因此设计者需要密切关注几何元素之间的连接关系。

创建几何模型通常涉及以下步骤：

1. 确定分析的工程背景和需求，以便设计出符合工程要求的模型。
2. 使用Patran提供的绘图工具或导入现有的CAD数据。
3. 创建基本的几何形状，比如线、面和体。
4. 对几何模型进行布尔运算，包括合并、切割等操作，以形成复杂的结构。
5. 检查模型的质量，确保没有错误，如悬挂节点、重叠的面等。

举例来说，如果我们要模拟一个简单的三维梁结构，我们可以通过创建若干个线元素来表示梁的中心线，然后通过Patran的截面功能赋予其截面属性。在模型建立阶段，设计者应当着重于结构的关键特征，同时忽略那些对于分析结果影响不大的细节，以节省计算资源和时间。

### 2.1.2 组件创建和编辑技巧

在Patran中，组件是具有相同属性或处于相同分析状态的几何元素的集合。创建和编辑组件可以简化后续的材料赋予、网格划分和边界条件的施加等步骤。

组件创建的技巧主要包括：

- **使用选择集（Selection Sets）**：通过选择集可以方便地对特定的元素进行操作，比如选择一组特定的节点或单元进行编辑。
- **智能选择器**：Patran提供智能选择器来帮助快速选择具有某些特征的元素，例如选择所有边界线或所有内部体。
- **组件的分组与合并**：可以将具有相似属性的组件组合起来进行统一处理，或者根据需要将多个组件合并成一个大组件。
- **层次结构管理**：在Patran中，组件可以按照层次结构进行管理，通过树状结构可以直观地看到组件之间的父子关系，方便进行操作。

例如，假设我们需要为一个包含多个支撑的框架结构进行分析。我们可以创建一个名为“支撑”的组件，然后通过选择集将所有的支撑线元素选中，赋予一个统一的支撑属性。当需要施加支撑约束条件时，我们只需对“支撑”组件进行操作即可。

此外，组件创建还包括了对模型的细化与简化。在实际操作中，设计者应根据分析目的合理地创建组件，避免过度简化导致结果失真，或者过度复杂化导致处理时间过长。

## 2.2 材料和属性的定义

### 2.2.1 材料属性的设定

在Patran中定义材料属性是进行静态分析的重要步骤。正确地为模型赋予材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等，才能确保后续分析的正确性。在本小节中，我们将介绍如何在Patran中定义这些材料属性。

在材料属性的设定过程中，主要分为以下几个步骤：

1. **选择材料模型**：首先根据工程需求选择合适的材料模型。Patran提供了多种材料模型，例如各向同性材料、正交异性材料、非线性材料等。
2. **输入材料参数**：输入对应材料模型需要的参数，如弹性模量、泊松比、屈服强度、热膨胀系数等。
3. **考虑温度效应**：在某些分析中，材料属性可能会随温度变化而改变。此时需要定义温度依赖性材料参数。
4. **材料属性的验证**：输入完毕后，检查材料属性是否符合预期，比如弹性模量是否在合理的范围内。

例如，假设我们正在分析一个钢结构的承受力，我们可以选择各向同性的线弹性材料模型，并赋予材料的弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。如果分析温度范围跨度很大，还需要考虑温度对材料属性的影响，并输入相应的温度依赖数据。

### 2.2.2 属性类型和应用

在Patran中，属性是与模型几何元素相关联的物理特性，它们可以用来定义材料属性、单元类型、截面特性等。本小节将详细讨论属性的类型及其在静态分析中的应用。

属性的类型主要包括：

- **材料属性**：用于定义材料的力学性质，如前所述。
- **截面属性**：对于杆系、梁、壳体等单元，需要定义截面特性，如截面面积、惯性矩、截面形状等。
- **单元属性**：不同类型的单元（如四面体单元、六面体单元等）拥有不同的属性设置，这些属性定义了单元的行为和特性。

属性的应用通常需要遵循以下步骤：

1. **创建属性**：在Patran中创建对应的属性。比如，在分析过程中，可以根据不同部分的需要创建不同的截面属性。
2. **关联属性与几何元素**：将创建好的属性与相应的几何元素关联起来。比如，将截面属性分配给梁单元。
3. **检查属性分配**：确保属性正确地分配给了所有的相关几何元素。错误的属性分配可能导致分析结果不准确。

例如，对于一个简单的框架结构，我们可以创建一个截面属性，代表I型钢梁，然后将这个截面属性分配给所有的梁单元。此外，还可以创建不同的材料属性来模拟不同类型的结构元件，比如混凝土和钢材，然后将这些材料属性应用到相应的几何模型上。

## 2.3 网格划分技术

### 2.3.1 网格类型和选择

网格划分是将连续的几何模型离散化为有限元素模型的过程，对于保证分析结果的准确性和计算效率至关重要。本小节将探讨网格划分中的一些基本概念，如网格类型，以及如何根据分析需求选择合适的网格类型。

网格类型主要包括：

- **线性单元与非线性单元**：线性单元在每个节点上只存储一次变量值，而非线性单元（如二次单元）则可以存储更多数据，允许更复杂的形状。
- **实体单元与壳单元**：实体单元用于三维实体模型，而壳单元用于模拟薄板结构。
- **一维、二维和三维单元**：按照单元的维度进行分类，适用于不同类型和复杂程度的结构。

选择合适的网格类型应该考虑的因素有：

1. **结构的几何特征**：例如，对于曲面结构，可能需要更多的曲面单元（如三角形或四边形）来确保形状的准确性。
2. **分析的精度要求**：高精度分析可能需要更精细的网格划分，尤其是关注应力集中的区域。
3. **计算资源**：更密集的网格意味着更多的计算量，因此需要根据可用的计算资源进行适当的网格划分。

例如，在一个复杂三维结构的静态分析中，需要对结构的关键部分（如应力集中区）使用更细密的网格划分以提高分析精度，而在对结构刚度影响较小的部分，可以使用较稀疏的网格以节省计算资源。

### 2.3.2 网格细化和质量控制

网格细化和质量控制是网格划分过程中不可分割的两个方面。本小节将深入探讨如何对网格进行细化以及如何检查网格质量，以确保模型的分析准确性。

网格细化的过程通常涉及以下几个步骤：

1. **初步网格划分**：首先进行一个基本的网格划分。
2. **局部细化**：在需要提高精度的区域进行局部细化。
3. **迭代优化**：根据分析结果和实际需求反复优化网格，直至满足条件。

网格质量控制包括以下几个方面：

- **尺寸一致性**：检查网格尺寸是否连续一致，避免出现尺寸突变。
- **角度检验**：单元的角度应接近最佳值，避免产生过度扭曲的单元。
- **雅可比检查**：确保单元的雅可比值在可接受范围内，避免计算误差。
- **网格密度分布**：确保网格密度在关键区域足够高，而在非关键区域适当降低。

例如，对于一个含有细长杆件的框架结构，我们可以在杆件端部和连接处进行局部细化，以确保这些区域的应力分布计算得更精确。同时，我们可以通过软件提供的网格质量检测工具，如角度、长宽比、雅可比比值等指标，对整体网格质量进行评估和优化。