PATRAN 模态分析
patran装配体有限元分析教程
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。
patran培训教材(有限元分析).doc
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。
PATRAN_模态分析
● 所以 ● 对于第二个质量： 对于第 个质量
● 所以
NAS122, Section 3, September 2008 Copyright 2008 MSC.Software Corporation S3-6
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 装配两个方程到矩阵形式
● 未知量为 2 和一对振幅
S3-12
使用矩阵方法解决相同问题（续） 使用矩阵方 解决相同 题 续
● 用矩阵形式表达运动方程 ● 代入
这意味着有一个正则模态, {} , 它随 着时间和频率成正弦变化, t.
● 和 ● 然后 ● 所以
这意味着有一个正则模态 这意味着有 个正则模态, {}, } 并且相 对于频率, 能够被计算, 当惯性与弹 簧平衡的时候
使用Create/Element/Edit在Patran下创建拓扑为Bar2的弹簧单元
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S3-18
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态 自 度模 则模
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S3-7
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 使用上述行列式的方程进行求解，代入
2 =
● 算得方程的两个根，1和2.
● 这些根被叫做特征值
● 使用Patran P t 和MD Nastran N t 创建模型
K DOF: 1 M 2 K M 3 K 4
● 可以给上面的模型添加任意长度，然后直接输入节点和弹簧
PATRAN模态分析
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。
patran求解动力学问题培训资料
（续）
BEGIN BULK PARAM, COUPMASS, 1 PARAM, WTMASS, 0.00259 $ SPECIFY STRUCTURAL DAMPING PARAM, G, 0.06 PARAM, W3, 1571. $ APPLY EDGE CONSTRAINTS $ SPC1, 200, 12456, 1, 12, 23, 34, 45 $ $ PLACE BIG FOUNDATION MASS (BFM) AT BASE $ CMASS2, 100, 1000., 23, 3 $ $ RBE MASS TO REMAINING BASE POINTS $ RBE2, 101, 23, 3, 1, 12, 34, 45 $ $ APPLY LOADING TO FOUNDATION MASS $ TLOAD2, 500, 600, , 0, 0.0, 0.004, 250., -90. $ DAREA, 600, 23, 3, 2.588 $ $ SPECIFY INTEGRATION TIME STEPS $ TSTEP, 100, 200, 2.0E-4, 1 ENDDATA
动力学培训内容介绍
1.模态分析 2.瞬态响应分析 3.频率响应分析 4.强迫运动 5.随机响应分析
结构动力学分析
一、模态分析 求解器：103 质量矩阵形式：MSC认为耦合质量比集中质量更精确，在 动力分析里出于对计算速度的考虑，更倾向于使用集中质 量。 使用方法：用PARAM，COUPMASS，1选择耦合质量； 缺省为集中质量。 求解方法：推荐的Lanczos方法。 EIGRL卡片
（续）
TLOAD2
载荷作用的起止时间
使用Patran创建随机响应分析过程说明
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。
patran2013模态分析详解Word版
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!）。
patran2013模态分析详解
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。
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CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的bdf文件将包含CONM2单元, 每个质量点都将 生成一个。
$ Elements and Element Properties for region : m1
CONM2 4
2
20.
$ Elements and Element Properties for region : m2
通过属性定义菜单定义MD Nastran质 量类型 ： Create/0D/Mass 输入名称 输入属性20和40质量单位 选择集中质量选项 选取点单元
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S3-22
S3-14
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 代入数值到方程中做以评估
● 令k = 1000 力/长度单位 ● 令m = 20 质量单位
● 然后
● 注意将radians/sec转换为cycles/sec (Hertz)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 将频率代入运动方程后计算得到振幅。 ● 但是，只能计算出振幅比。
● 在正则模态计算时这点非常重要，及振幅的绝对值是无法 确定的，只有振幅相对于另一个振幅的比值才能确定。
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分析类型定义为Normal Modes (SOL103) 设置分析参数: Mass Calculation, Lumped Wt. Mass Conversion, 1.0
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S3-10
使用矩阵方法解决相同问题
● 现在，考虑使用矩阵方法计算该系统
● 单个单元的刚度矩阵[K1],[K2]和[K3]分别是：
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S3-11
使用矩阵方法解决相同问题（续）
CONM2 5
3
40.
ID
Grid
Mass
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S3-23
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
创建两个约束集: ‘fixed’: 约束端点 所有自由度
在自由度上的集中质量
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 用矩阵形式表达运动方程
● 代入
●和 ● 然后
● 所以
这意味着有一个正则模态, {} , 它随 着时间和频率成正弦变化, t.
这意味着有一个正则模态, {}, 并且相 对于频率, 能够被计算, 当惯性与弹
簧平衡的时候
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‘make_1d’: 约束 除节点2和3的x项 自由度之外的所 有自由度。
‘make_1d’
‘fixed’
GRID: 1
2
3
4
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S3-24
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
PID
Stiffness
$ Elements and Element Properties for region : spring_stiff
PELAS 1
1000.
$ Pset: "spring_stiff" will be imported as: "pelas.1"
CELAS1 1
1
1
1
2
1
CELAS1 2
S3-16
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
使用Create/Node/Edit创建节点
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S3-17
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
1
2
1
3
1
CELAS1 3
1
3
1
4
1
ID
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PID End A DOF End B DOF
Grid
Grid
S3-21
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
S3-6
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
● 装配两个方程到矩阵形式
● 未知量为 2 和一对振幅
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S3-7
采用工程方法创建2自由度的运动方程(续)
S3-13
特征值问题
使用矩阵方法解决相同问题（续）
● 所以在
, 运动被定义为:
● 在第一次共振或固有频率处平衡
● 并且在
,运动被定义为:
● 在第二次共振或固有频率处平衡
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S3-25
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的.bdf文件将包含求解序列和递交的重力质量转 换和集中质量等参数的定义。
第二部分 模态分析
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S3-1
概述
● 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。
● 假设x1和x2的运动是谐波，所以
这意味着他们在相同的频率上振动，但有不同 的振幅A1 和A2.
● 目标是求解频率和振幅。
● 现在
● 将这些方程代入到自由体图得到的方程中，得到如下内容
● 对于第一个质量：
● 所以
● 对于第二个质量：
● 所以
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● 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。
● 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。
● 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”）。
S3-15
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● 使用Patran和MD Nastran创建模型
K
M
K
M
K
DOF: 1
2
3
4
● 可以给上面的模型添加任意长度，然后直接输入节点和弹簧 及质量单元到Patran。
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S3-3
概述 (续)
● 前面章节考虑的是质量弹簧系统的单点自由度问题。
● 本章将侧重于如何使用Patran和MD Nastran定义多自由度问 题的模态分析。
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S3-20
CASE STUDY 1 – 2自由度模型的正则模态
● MD Nastran的.bdf文件将包含CELAS单元的连接关系和 PELAS属性定义
● 使用上述行列式的方程进行求解，代入
2 = ● 算得方程的两个根，1和2.