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patrannastran有限元软件进行分析

结构分析的计算机算法作业

学院＿机械自动化学院＿＿

专业＿机械设计及理论＿

学号＿＿＿＿

学生姓名＿＿

日期＿＿

《结构分析的计算机算法》作业

——patran&nastran有限元软件进行分析

一、问题的描述

1.结构分析的对象：

此次结构分析的对象为一圆形截面的标准拉伸试件，其机构如图1所示。

图1拉伸试件示意图

其中D1=8mm，D2=20mm，L0=80mm，L1=100mm，L2=180mm，R=6mm。

设定拉杆材料为Q235。

2.工作载荷：

拉杆的左右端面上施加轴向对称载荷p，且p=10000N。

3.边界条件：

考虑拉杆的受力情况，拉杆在整个受拉过程中不发生扭转，中心平面处应不发生轴向位移，故在拉杆的对称中心平面上应施加轴对称约束。

4.分析的目的及内容：

本次有限元分析为静力分析，目的是求解出拉杆在载荷作用下的受力与变性情况，进而对拉杆进行强度校核与刚度分析。

二、分析模型

由拉杆的几何机构可以看出，模型是上下左右对称的，可以对拉杆的八分之一进行建模，再进行有限元网格的划分，再通过镜像得到整个模型和网格。

在横截面上用映射网格划分模式划分四边形网格，然后将四边形网格拉伸成六面体网格，连接大截面和小截面的连接处，可以用旋转生成六面体的方法画网格；在六边形处，可以在一个面上画出四分之一的网格，然后进行拉伸。

从拉杆的受力与结构来看，拉杆受对称载荷作用，且不产生扭转。

所以应在中间节点处施加X方向的约束，固定沿拉杆轴向的自由度；而在拉杆的两端分别施加Y方向与Z方向的约束，固定拉杆径向自由度。

施加约束的各节点同时约束三个方向的扭转。

由于拉杆所受应力为对称拉应力，故左右两端节点施加拉应力，因p=10000N，拉杆端面直径D2=20mm，所以拉杆两端受到压强为P=31.847Mpa。

采用MD.Patran2008作为前后处理器，MD.Nastran作为求解器。

三、模型创建过程

通过前面的分析，现在可以使用patran&nastran对拉杆进行有限元分析。

1.在Patran中建立几何实体模型

1.1安装Patran和Nastran有限元分析软件

软件安装完成后，桌面上显示Patran和Nastran的快捷图标。

首先设置工作目录：

在D盘中新建文件夹“patranfile”，鼠标右击桌面Patran图标，在弹出的快捷菜单中点击“属性”，在“起始位置”处填上“D:

\patranfiles\lagan”。

1.2建立几何模型前的准备工作

启动Patran，在Patran界面下点击File下拉菜单，选择New，在弹出如图2所示的对话框时，在“文件名”一栏中填写“lagan.db”，然后单击“OK”按钮。

进入到Patran的主界面，如图2所示。

图3应用工具栏中的“ModelDimension”一栏中填入模型的最大尺寸180，单击“OK”按钮（此处为设定模型的大致范围）。

图2新建文件夹对话框图3MDPatran2008应用程序主界面

修改Patran单位：

在主界面下拉菜单栏中点击“Preference”菜单，再点击“Geometry”项，在应用工具设置弹出如图4所示界面。

在图4所示界面的“GeometryScaleFactor”复选框中选择“1000.0（Millimeter）”将单位设置为mm，然后单击“Apply”按钮，再点击“Cancel”，退出单位设置界面。

1.3创建部分几何点

单击Patran主界面中的应用工具栏里面的“Geometry按钮，在应用工具设置栏弹出如图5所示的几何操作界面。

”

在图5所示的界面中，选择“Creat/Point/XYZ”方式创建点。

首先去点“AutoExecute”前面的勾，在“PointCoordinatesList”一栏中填入“[000]”，然后单击“Apply”按钮。

单击主界面的“Display”下拉菜单中的“Geometry”一栏，弹出如图6所示的对话框，然后将“PointSize”拨动到11，并点击“ShowAllGeometryLabels”按钮，

图4修改Patran单位操作界面图5创建几何操作界面

然后单击“Apply”按钮，再单击“Cancel”（此处的设置是将创建点的编号显示出来，并调整点显示的大小）。

在图5所示界面中，在“PointCoordinatesList”一栏中填入“[0-100]”，然后单击“Apply”按钮，生成“Point2”。

一次在“PointCoordinatesList”一栏中填入“[40-100]”、“[46-40]”、“[50-40]”、“[5000]”。

并且依次单击“Apply”按钮，生成6个点如图8所示。

6几何显示选项操作界面

图8通过点命令创建的6个点

1.4创建部分直线

单击图5几何操作界面中的“Action：

”复选框，选择“Create”，单击“Object：

”，选择“Curve”，单击“Method：

”，选择“Point”，设置如图9所示，并去掉“AutoExecute”前面的勾，在“StartPointList”一栏中输入“Point1”（或通过鼠标左键在图形区域中选择“Point1”，此时“Point1”也会显示在“StartPointList”中），同理，在“EndPointList”一栏中输入“Point2”（或用鼠标拾取），在点击“Apply”，就会生成如图10所示的“Curve1”。

按照同样的方法，依次在“StartPointList”和“EndPointList”栏中填入“Point2”和“Point3”、“Point4”和“Point5”、“Point5”和“Point6”、“Point6”和“Point1”，并依次点击“Apply”，就生成如图11所示的5条直线。

图9创建几何直线操作界面

图10连接1号点和2号点创建1号直线

图11直线命令创建的5条直线

1.5创建圆弧曲线

在图9所示的界面中，单击“Auction：

”复选框，选择“Creat”，单击“Object：

”，选择“Curve”，单击“Method：

”，选择“2DArc2Point”，弹出如图12所示界面，去掉“AutoExecute”前面的勾，单击“Option：

”复选框，选择“Radius”，在“ConstructionPlaneList”一栏中填写“Coord0.3”，在“ArcRadius”一栏中填写“6”，“StartPointList”和“EndPointList”分别输入“Point4”和“Point3”，然后单击“Apply”，生成如图13所示的圆弧曲线。

图12创建圆弧曲线操作界面图13利用圆弧命令生成的圆弧曲线

1.6创建圆弧曲面

在图12所示的界面中，单击“Auction：

”复选框，选择“Creat”，单击“Object：

”，选择“Surface”，单击“Method：

”，选择“Trimmed”，弹出如图14所示界面，在“OuterLoopList”一栏中填写“Curve1:

6”（或按住“Shift”键用鼠标拾取或框选），然后单击“Apply”，弹出如图15所示的操作界面，单击“Yes”，生成如图16所示的曲面。

说明：

单击“Yes”按钮后，需要点击标准工具按钮栏里面的“SmoothShaded”即“

”按钮，才能显示图16所示的内容。

图14曲面创建操作界面

图15删除原始曲线确认对话框

图16生成的曲面

1.7创建圆弧部分的1/8实体

在图14所示的界面中，单击“Auction：

”复选框，选择“Creat”，单击“Object：

”，选择“Solid”，单击“Method：

”，选择“Revolve”弹出图17所示界面，在“Axis”一栏中填写“Coord0.1”，在“TotalAngle”一栏中填写“90.0”，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“SurfaceList”一栏中选择图16所创建的曲面“Surface1”（或通过鼠标拾取“Surface1”），单击“Apply”，生成如图18所示几何实体。

图17旋转生成几何体操作界面

图18通过旋转生成的实体几何模型

1.8创建其余点

2.在拉杆1/8几何实体上创建网格模型

2.1建立工作平面

在图17所示界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Create”，单击“Object：

”，选择“Plane”，单击“Method：

”，选择“Point-Vector”，弹出如图19所示界面，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“PointList”一栏中填入“[0-60]”，在“VectorList”一栏中用鼠标单击一下，输入“Coord0.2”，然后单击“Apply”，生成的工作平面如图20所示。

按照同样的方法，依次在“PointList”和“VectorList”中填入“Point4”（或用鼠标拾取）和“Coord0.1”，单击“Apply”，以及填入“Point6”（或用鼠标拾取），和“Coord0.1”，单击“Apply”，创建过4号点垂直于X坐标轴和过6号点垂直于X坐标轴的两个工作平面。

图19建立工作平面操作界面

图20在坐标[0-60]处建立处置Y轴的1号工作平面

在图19所示的界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Transform”，单击“Object：

”，选择“Plane”，单击“Method：

”，选择“Translate”，在“DirectionVector”一栏中用鼠标单击一下，输入“<-100>”，在“VectorMagnitude”中输入“10”，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“PlaneList”中输入“Plane2”（或用鼠标拾取），设置完成之后如图21所示，单击“Apply”。

再在“VectorMagnitude”中输入“15”，在“PlaneList”中选择“Plane4”，单击“Apply”（此处为借助于2号工作平面，沿负X轴方向平移10mm，生成4号工作平面，再通过4号工作平面，沿负X轴方向平移15mm生成5号工作平面）。

最后生成的几个工作平面如图22所示。

2.2在几何实体界面上创立圆弧曲线

为了很好地划分网格，必须将几何实体的几个截面切开。

为了切面，除了建立工作平面外，还必须在模型两端创立两条圆弧曲线。

在图21所示的界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Create”，单击“Object：

”，选择“Curve”，单击“Method：

”，选择“2DArc2Point”，弹出如图23所示

界面，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“Construction图21平移工作平面操作界面

PlaneList”一栏中填入“Coord0.1”，在“CenterPoint

List”一栏中填写“[000]”，在“StartingPointList”和“EndingPointList”中分别

图22创建工作平面

填写“[0-60]”和“[00-6]”，然后单击“Apply”，在左端面生成一个1/4圆弧，生成圆弧曲线如图24所示。

通过平移创立模型右端的一条圆弧曲线，在图23所示的界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Transform”，单击“Object：

”，选择“Curve”，单击“Method：

”，选择“Translate”，弹出如图25所示的界面，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“Refer.CoordinateFrame”一栏中填入“Coord0”，在“DirectionVector”一栏中用鼠标单击一下，输入“<100>”，在“VectorMagnitude”一栏中填入“165”，在“CurveList”一栏中填写“Curve1”，单击“Apply”，此处利用1号圆弧生成2号圆弧，生成的2号圆弧如图26所示。

图23创建圆弧曲线的操作界面

图24模型左端面生成的圆弧曲线1

2.3切割曲线

2.3.1切割实体的两个端面

在图25所示界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Edit”，单击“Object：

”，选择“Surface”，单击“Method：

”，选择“Break”，出现如图27所示的界面，在“Option：

”选项中选择“Curve”，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“SurfaceList”一栏中单击一下，移动鼠标到图形区域，利用鼠标左键选择模型的左端面，此时“SurfaceList”一栏中就会出现“Solid1.2”，并在“BreakCurveList”一栏中单击一下，移动鼠标到图像区域，利用鼠标左键单击模型左端面上的曲线（或者直接填写Curve1），然后单击“Apply”，完成曲线1对左端面的切割。

同理，在“SurfaceList”一栏中单击一下，然后在图形区域选择模型的右端面，并在“BreakCurveList”一栏中填写“Curve2”（或用鼠标拾取），单击“Apply”，完成曲线2对右端面的切割。

图25曲线的平移操作

图26利用平移生成的圆弧曲线2

2.3.2切割实体的中心纵截面

在图27所示的界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Edit”，单击“Object：

”，选择“Surface”，单击“Method：

”，选择“Break”，出现如图28所示界面，在“Option：

”选项中选择“Plane”，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“SurfaceList”一栏中单击一下鼠标左键，并在图形区域选择模型的前表面，即“Surface1”，在“BreakPlaneList”一栏中选择“Plane2”，单击“Apply”，弹出如图29所示的对话框，单击“YesForAll”，生成“Surface6”和“Surface7”。

再在“SurfaceList”一栏中填入“Surface6”（或用鼠标在图形区域中拾取），在“BreakPlaneList”一栏中选择“Plane5”，单击“Apply”，生产“Surface8”和“Surface9”。

再在“SurfaceList”一栏中选择“Surface9”，在“BreakPlaneList”一栏中选择“Plane1”，单击“Apply”，生成“Surface10”和“Surface11”。

再在“SurfaceList”一栏中选择“Surface10”，在“BreakPlaneList”

图27利用曲线切割曲面的操作界面图28利用工作平面切割曲面的操作界面

图29删除原始曲线

一栏中选择“Plane4”，单击“Apply”，生成“Surface12”和“Surface13”。

最后切割好的曲面如图30所示。

此处需要注意工作平面的切割顺序，否则切出来的平面区域组成将与图30有所不同，后续网格的划分也会有所不同。

图30切割完成后的曲面

2.3.3删除用过的圆弧曲线和工作平面

在图28所示界面中，单击“Action：

”复选框，选择“Delete”，单击“Object：

”，选择“Curve”，弹出如图31所示的界面，在“CurveList”一栏中填入“Curve1:

2”，单击“Apply”，即将“Curve1”和“Curve2”删除。

单击“Object：

”，选择“Plane”，弹出如图32所示界面，在“PlaneList”一栏中填入“Plane245”，单击“Apply”，即将“Plane2”、“Plane4”和“Plane5”删除，留下的“Plane1”和“Plane3”为以后切割平面和镜像网格与实体时使用。

图31删除圆弧曲线操作界面图32删除工作平面操作界面

2.4画模型上的网格面

2.4.1画模型左端面的网格

单击主界面上面应用工具栏里面的“Element”按钮，在应用工具设置栏弹出单元操作界面，在复选框“Action：

”中选择“Create”，在“Object：

”中选择“Meshseed”，在“Type：

”中选择“Uniform”。

在“ElementEdgeLengthDate”中选择“NumberofElement”，在“Number”中填入“6”，在“CurveList”一栏中选择左端面的分割圆弧，系统将自动执行圆弧线网格种子点的创建，结果如图34所示。

然后在“Number”中填入“5”，在“CurveList”一栏中选择左端面包含圆弧线的小三角形区域的两个直线，系统将自动执行网格种子点的创建，会后生成的网格种子如图35所示。

图33创建网格种子操作界面

图34左端面切割弧线处创建的网格种子点

图35左端面上三角形区域各边上创建的网格种子点

在图33所示的界面中，单击复选框“Action：

”，选择“Create”，在“Object：

”中选择“Mesh”，在“Type：

”中选择“Surface”。

弹出如图36所示界面，在“ElemShape”中选择“Quad”，在“Mesher”中选择“IsoMesh”，在“Topology”中选择“Quad4”，在“SurfaceList”一栏中选择左端面上三角形面，单击“Apply”，完成左端面三角形区域网格的划分，结果如图37所示。

2.4.2画模型右端面的网格

按住鼠标中间并移动鼠标，调整图形区域内模型的位置，到图38所示位置，建立网格种子，在图33所示界面中，点击“Action：

”复选框，选择“Create”，在“Object：

”中选择“MeshSeed”，在“Type：

”中选择“Uniform”，在“ElementEdgeLengthDate”中选择“NumberofElement”，在“Number”中填入“6”，在“CurveList”中选择5号面的上弧形线，系统自动执行；再点击下弧线面，系统自动执行。

然后在“Number”中填入“2”，在“CurveList”中一次选择5号面剩余的两条直线，系统自动执行。

网格种子的划分如图38所示。

图37左端面三角形区域划分网格

图38创建5号面的网格种子点图36划分网格

开始画网格，在图33所示的界面中，单击复选框“Action：

”，选择“Create”，在“Object：

”中选择“Mesh”，在“Type：

”中选择“Surface”，弹出如图36所示的界面，在“ElemShape”中选择“Quad”，在“Mesher”中选择“IsoMesh”，在“Topology”中选择“Quad4”，在“SurfaceList”一栏中选择图形区域中的5号面，单击“Apply”，完成5号面网格的划分。

5号面网格的划分如图39所示。

图39对5号面进行网格划分

2.5由面网格生成体网格

2.5.1右端面网格拉伸成体网格

有3号面表面网格通过拉伸生成体网格。

在图33所示界面中，单击复选框“Action：

”，选择“Sweep”，在“Object：

”中选择“Element”，在“Method：

”中选择“Extrude”。

弹出如图40所示的界面，在“DeleteOriginalElements”前打勾。

单击“MeshControl”，弹出如图41所示的操作界面，在“MeshControlData”中选择“ElementLength”，在“Number”中填入“5”，单击“OK”，返回原界面，在“DirectionVector”一栏中填入“<100>”，在“ExtrudeDistance”一栏中输入“165”，在“BaseEntityList”一栏中选择图37所示的左端面小三角形区域内的所有单元（可通过按住“Shift”键，单击鼠标左键不放，将备选单元框住的方法拾取），单击“Apply”，生成如图42所示的体网格。

图40面网格拉伸操作界面

将5号面上的面网格拉伸成体网格。

在图40所示界面中，单击复选框“Action：

”，选择“Sweep”，在“Object：

”中选择“Element”，在“Method：

”中选择“Extrude”，在“DeleteOriginalElements”前打勾。

单击“MeshControl”，在“MeshControlData”中选择“ElementLength”，在“Number”中填入“5”，单击“OK”，返回原界面，在“DirectionVector”一栏中填入“<-100>”，在“ExtrudeDistance”一栏中输入“75”，在“BaseEntityList”一栏中选择5号面上的所用单元，单击“Apply”，生成如图43所示的体网格。

图41拉伸方向单元长度设置操作界面

图42将3号面网格拉伸成体网格

2.5.2模型中间连接面处的网格划分

单击应用工具栏中的“Geometry”按钮，在应用工具设置栏处弹出如图14所示界面，单击“Action：

”复选框，选择“Edit”，单击“Object：

”选择“Surface”，单击“Method”，选择“Break”，弹出如图28所示界面，在“Option：

”中选择“Plane”，去掉“AutoExecute”前面的勾，在“SurfaceList”一栏中选择图43所示的8号面，在“BreakList”中选择“Plane1”，单击“Apply”，弹出图29所示对话框，单击“YesForAll”，生成“Surface14”和“Surface15”，如图44所示。

图43将5号面网格拉伸成体网格

图44利用1号工作平面对8号面进行切割

建立网格种子，单击主界面上的应用工具栏中的“Elements”按钮，在应用工具设置栏弹出单元操作界面，在复选框“Action：

”中选择“Create”，在“Object：

”中选择“MeshSeed”，在“Type：

”中选择“Uniform”。

在“ElementEdgeLengthDate”中选择“NumberofElement”，在“Number”中填入“2”，在“CurveList”中依次选择图44中所示13号面的左、右、上边直线和下边圆弧。

网格种子划分结果如图45所示。

图45创建13号面网格种子点

对13号面划分网格，单击复选框“Action：

”，选择“Create”，在“Object：

”中选择“Mesh”，在“Type：

”中选择“Surface”，弹出如图36所示的界面，在“ElemShape”中选择“Quad”，在“Mesher”中选择“IsoMesh”，在“Topology”中选择“Quad4”，在“SurfaceList”一栏中选择图形区域中如图45所示的13号面，单击“Apply”，完

图4613号面网格划分完成

成“Surface13”的面网格划分。

“Surface13”的面网格划分结果如图46所示。

在复选框“Action：

”中选择“Create”，在“Object：

”