具体描述
内容简介
本书介绍了Patran2014软件的基本操作以及Nastran2014的求解分析，全书共分为19章。第1章简介MSC公司以及Patran和Nastran的基本功能；第2章简介使用Patran建模和Nastran分析的过程；第3章介绍使用Patran建立几何模型；第4章介绍使用Patran进行有限元网格划分；第5章介绍材料属性；第6章单元属性；第7章介绍工况及边界条件；第8章介绍了如何进行分析控制；第9章介绍分析结果后处理。第10章至19章是实例章，涵盖了使用Nastran分析的主要分析类型，其中第10章介绍基本使用实例；第11章介绍静力学分析；第12章介绍屈曲分析；第13章介绍模态分析；第14章介绍瞬态响应分析；第15章介绍频率响应分析；第16章介绍随机响应分析；第17章介绍非线性分析；第18章介绍结构拓扑优化；第19章介绍热传导分析。对所有实例的操作步骤都提供了详细的文字和图例说明，以便于读者学习掌握。本书适合于高等院校研究生作为计算机辅助有限元分析软件自学教材，也可以作为各科研院所研究人员的研究参考资料。
目录
前言
第1章 概述1
1.1 MSC公司及其产品介绍1
1.2 Patran介绍2
1.2.1 图形用户界面3
1.2.2 CAD几何模型的直接访问3
1.2.3 几何造型功能4
1.2.4 分析集成4
1.2.5 有限元建模5
1.2.6 结果交互式可视化后处理6
1.2.7 高级用户化工具7
1.3 Nastran软件功能介绍7
1.3.1 静力分析8
1.3.2 屈曲分析8
1.3.3 动力学分析8
1.3.4 热分析8
1.3.5 空气动力弹性及颤振分析9
1.3.6 流固耦合分析10
1.3.7 多级超单元分析10
1.3.8 高级对称分析11
1.3.9 设计灵敏度及优化分析11
1.3.10 转子动力学特性分析12
1.3.11 概率有限元分析12
1.3.12 与ADAMS进行刚/柔性多体动力学分析12
1.3.13 Nastran的并行求解方法13
1.3.14 多种求解方法13
1.3.15 用户化开发工具DAMP语言13
第2章 Patran建模和Nastran分析过程14
2.1 有限元分析简介14
2.2 Patran 建模和Nastran分析流程15
2.2.1 Patran 2014 的用户界面介绍15
2.2.2 Patran建模和Nastran分析的一般流程20
2.2.3 Patran和Nastran 的主要相关文件21
2.2.4 单位制介绍22
2.3 实例入门——支撑结构受力变形分析23
2.3.1 前处理24
2.3.2 提交分析27
2.3.3 后处理28
第3章 创建几何模型30
3.1 直接创建几何模型30
3.1.1 创建点30
3.1.2 创建曲线35
3.1.3 创建曲面43
3.1.4 创建三维实体51
3.1.5 创建坐标系54
3.1.6 创建平面56
3.1.7 创建矢量58
3.2 转化创建几何模型58
3.3 Patran的输入输出接口63
3.3.1 Patran输入接口63
3.3.2 Patran输出接口64
3.4 编辑几何模型65
3.4.1 编辑点65
3.4.2 编辑曲线66
3.4.3 编辑曲面68
3.4.4 编辑实体72
3.5 其他几何操作73
3.5.1 删除功能73
3.5.2 信息显示73
3.5.3 检查几何模型74
3.5.4 关联75
3.5.5 反关联75
3.5.6 重新标号75
3.6 应用实例75
3.6.1 圆顶凸台建模实例75
3.6.2 叉架建模实例78
3.7 托架线性静力分析全程实例——建模85
3.7.1 创建数据库模型85
3.7.2 创建二维平面图85
3.7.3 创建三维实体87
3.7.4 创建切割实体模型88
3.7.5 创建底部圆孔90
3.7.6 打印痕91
第4章 划分有限元网格93
4.1 单元库简介93
4.2 直接创建有限元网格（Create）95
4.2.1 网格生成器的分类95
4.2.2 几何协调性和有限元协调性97
4.2.3 自动生成网格（mesh）97
4.2.4 手动生成网格98
4.2.5 创建多点约束（MPC）98
4.3 转化创建有限元网格99
4.3.1 移动、旋转和镜像创建节点/单元99
4.3.2 拉伸、滑动创建单元100
4.4 修改有限元网格模型101
4.4.1 修改网格（mesh）101
4.4.2 修改单元102
4.4.3 修改梁/杆、三角形、四边形、四面体单元102
4.4.4 修改节点103
4.4.5 修改网格种子104
4.5 检查有限元网格104
4.5.1 有限元网格检查（Verify）104
4.5.2 检查三角形单元的质量105
4.5.3 检查四边形单元的质量105
4.5.4 检查四面体单元的质量105
4.5.5 检查五面体单元的质量106
4.5.6 检查六面体单元的质量106
4.5.7 检查节点106
4.5.8 检查中间节点106
4.5.9 检查超级单元107
4.6 基于有限元网格模型的其他操作107
4.6.1 重新标号107
4.6.2 联结（Associate）108
4.6.3 解除联结（Disassociate）108
4.6.4 优化（Optimize）108
4.6.5 显示信息109
4.6.6 删除有限元元素（Delete）109
4.7 创建有限元网格实例109
4.7.1 卷簧网格划分实例109
4.7.2 支架网格划分实例112
4.7.3 连杆网格划分实例114
4.8 托架线性静力分析全程实例——网格划分117
第5章 材料属性118
5.1 概述118
5.2 创建材料模型120
5.2.1 材料模型的分类120
5.2.2 创建材料模型的方法122
5.3 显示材料模型123
5.4 工程实例123
5.4.1 各向同性材料模型实例123
5.4.2 九层复合材料模型实例125
5.4.3 温度相关材料模型实例126
5.5 托架线性静力分析全程实例——定义材料本构关系127
第6章 单元属性128
6.1 概述128
6.2 创建单元属性129
6.2.1 0D单元属性129
6.2.2 1D单元属性130
6.2.3 2D单元属性135
6.2.4 3D单元属性137
6.3 梁的显示139
6.4 显示检查单元属性139
6.5 托架线性静力分析全程实例——定义单元属性139
第7章 工况及边界条件142
7.1 概述142
7.2 载荷/边界条件的创建、显示、修改、删除143
7.2.1 创建载荷/边界条件的步骤145
7.2.2 显示、检查边界条件145
7.2.3 修改、删除边界条件146
7.3 应用实例146
7.3.1 创建平板位移边界条件实例146
7.3.2 创建径向载荷实例147
7.3.3 施加变化的载荷实例148
7.4 托架线性静力分析全程实例——定义边界条件149
7.4.1 定义位移边界条件149
7.4.2 定义载荷边界条件151
第8章 分析控制153
8.1 概述153
8.2 设定分析环境并提交计算154
8.2.1 转换参数设置154
8.2.2 分析类型的设置155
8.2.3 Subcases的定义156
8.2.4 Subcase Select157
8.3 读取分析结果157
8.3.1 读取分析结果157
8.3.2 将计算结果与Patran相关联158
8.4 优化分析158
8.4.1 问题描述159
8.4.2 创建设计变量159
8.4.3 创建目标函数161
8.4.4 创建约束条件161
8.4.5 分析设置162
8.4.6 分析求解162
8.5 托架线性静力分析全程实例——提交分析作业163
第9章 结果后处理164
9.1 概述164
9.2 后处理的一般步骤165
9.3 分析结果快速显示166
9.4 显示变形图168
9.5 显示云图169
9.6 图形符号显示170
9.7 创建X-Y坐标曲线170
9.8 生成报告172
9.9 其他操作174
9.10 托架线性静力分析全程实例——结果后处理175
第10章 Patran和Nastran基本使用实例178
10.1 活塞受压分析实例178
10.1.1 问题描述178
10.1.2 创建数据库模型并导入模型178
10.1.3 网格划分180
10.1.4 定义材料本构关系181
10.1.5 定义单元属性182
10.1.6 定义位移边界条件183
10.1.7 定义压力载荷边界条件185
10.1.8 提交分析作业186
10.1.9 查看结果187
10.2 组和列表定义实例189
10.2.1 创建数据库模型189
10.2.2 创建几何模型189
10.2.3 网格划分191
10.2.4 定义材料本构关系194
10.2.5 定义表194
10.2.6 定义单元属性195
10.2.7 定义温度边界条件197
10.2.8 定义厚度场集合198
10.2.9 定义温度场集合200
10.2.10 定义组201
10.3 基于二维壳单元的梁分析实例203
10.3.1 创建数据库模型203
10.3.2 创建几何模型203
10.3.3 网格划分203
10.3.4 定义载荷204
10.3.5 定义位移边界条件205
10.3.6 定义材料本构关系206
10.3.7 定义单元属性207
10.3.8 提交分析作业208
10.3.9 查看结果208
10.4 基于一维梁单元的梁分析实例210
10.4.1 创建数据库模型210
10.4.2 创建网格模型211
10.4.3 定义位移边界条件212
10.4.4 定义载荷边界条件213
10.4.5 定义材料215
10.4.6 定义单元属性215
10.4.7 提交分析作业218
10.4.8 查看结果218
第11章 静力学分析220
11.1 弹性力学的基本方程和变分原理220
11.1.1 弹性力学基本方程的矩阵形式220
11.1.2 弹性力学基本方程的张量形式223
11.2 平板受力分析224
11.2.1 创建一个数据文件224
11.2.2 创建几何模型224
11.2.3 划分有限元网格225
11.2.4 设置边界条件及施加载荷225
11.2.5 定义材料属性227
11.2.6 定义单元属性227
11.2.7 进行分析228
11.2.8 查看分析结果228
11.3 铰接桁架的受力分析229
11.3.1 创建一个数据文件229
11.3.2 划分有限元网格229
11.3.3 设置边界条件及施加载荷231
11.3.4 定义材料属性234
11.3.5 定义单元属性236
11.3.6 分析模型237
11.3.7 查看分析结果237
11.4 厚壁圆筒静力分析238
11.4.1 建立一个数据文件238
11.4.2 创建厚壁圆筒的一个纵截面238
11.4.3 旋转截面生成三维实体239
11.4.4 删除临时创建的截面240
11.4.5 划分网格240
11.4.6 定义材料属性241
11.4.7 定义单元属性241
11.4.8 施加边界条件，对各截面的法向位移进行约束242
11.4.9 施加压强242
11.4.10 分析模型244
11.4.11 查看分析结果244
11.5 箱体的静力分析实例245
11.5.1 创建数据库模型245
11.5.2 创建新组245
11.5.3 抽取中面245
11.5.4 几何清理246
11.5.5 删除多余的面248
11.5.6 自由网格划分248
11.5.7 定义载荷边界条件249
11.5.8 定义位移边界条件249
11.5.9 定义材料本构关系250
11.5.10 定义单元属性252
11.5.11 提交分析作业252
11.5.12 结果后处理253
11.6 面与加强筋模型254
11.6.1 创建数据库模型255
11.6.2 创建几何模型255
11.6.3 网格划分260
11.6.4 定义载荷边界条件261
11.6.5 定义位移边界条件264
11.6.6 定义材料本构关系265
11.6.7 定义单元属性266
11.6.8 提交分析作业269
11.6.9 结果后处理269
11.7 装配体网格划分和模型分析271
11.7.1 创建数据库模型271
11.7.2 创建几何模型271
11.7.3 自由网格划分274
11.7.4 定义位移边界条件276
11.7.5 定义载荷边界条件278
11.7.6 定义材料本构关系278
11.7.7 定义单元属性279
11.7.8 提交分析作业279
11.7.9 结果后处理280
11.8 手柄静力分析实例281
11.8.1 创建数据库模型282
11.8.2 创建新组281
11.8.3 创建新几何实体281
11.8.4 分割几何实体283
11.8.5 创建新几何实体287
11.8.6 创建局部坐标系与网格划分289
11.8.7 定义压力边界条件291
11.8.8 定义位移边界条件292
11.8.9 定义材料本构关系293
11.8.10 定义单元属性294
11.8.11 提交分析作业295
11.8.12 结果后处理295
第12章 屈曲分析299
12.1 屈曲分析的步骤299
12.2 薄壁圆筒屈曲分析299
12.2.1 创建一个数据文件299
12.2.2 创建几何模型300
12.2.3 划分有限元网格300
12.2.4 设置边界条件及载荷301
12.2.5 定义材料属性302
12.2.6 定义单元属性302
12.2.7 进行分析302
12.2.8 查看分析结果303
12.3 板屈曲分析实例305
12.3.1 创建数据库模型305
12.3.2 创建几何与网格模型305
12.3.3 定义材料本构关系305
12.3.4 定义单元属性307
12.3.5 定义位移边界条件308
12.3.6 定义载荷边界条件309
12.3.7 提交分析作业310
12.3.8 结果后处理310
第13章 模态分析313
13.1 模态分析及其步骤313
13.2 翼板的模态分析313
13.2.1 建立模型的文件名314
13.2.2 建立模型314
13.2.3 划分有限元网格315
13.2.4 设置边界条件315
13.2.5 定义材料属性316
13.2.6 定义单元属性316
13.2.7 进行分析316
13.2.8 查看分析结果316
13.3 有预应力竖板的模态分析317
13.3.1 创建一个数据文件317
前言/序言
随着市场竞争的日趋激烈，制造厂商们对CAE在产品设计制造过程的重要作用认识得越来越清楚。CAD技术着重解决的是产品的设计质量问题（如造型、装配和出图等），CAM技术着重解决的是产品的加工质量问题，而CAE技术着重解决的是产品的性能问题。一方面由于CAD/CAM系统间各具特色，另一方面由于产品性能仿真所涉及的内容及学科多样性、合作对象的多元化，因此设计和制造厂商对于能够将各种设计、分析、制造、测试软件紧密有效地集成为一个易学易用的完整框架系统的需求也就变得更加迫切，从而最大限度地降低开发成本、加快产品投放市场和缩短设计周期。
MSC.Software Corporation（简称 MSC.Software）创建于1963 年，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件（CAE，Computer Aided Engineering）供应商。
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，便于用户学习和使用。
Nastran是美国国家航空航天局（简称NASA）为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。这个系统称作NASA Structural Analysis System，命名为Nastran。为了迎合企业准确充分地模拟产品的真实性能的需求，结合当今计算方法、计算机技术的最新发展，从2001年以来，MSC.Software投入了大量的研发力量进行MD技术研发，在2006年成功发布了新一代的多学科仿真工具Nastran，在继承原有Nastran强大功能的基础上，陆续集成了Marc、Dytran、Sinda、Dyna和Actran等著名软件的先进技术，大大增强了高级非线性、显式非线性、热分析、外噪声分析等功能。
本书介绍了Patran 2014软件的基本操作以及Nastran 2014的求解分析，全书共分为19章。第1章介绍了MSC公司以及Patran和Nastran的基本功能；第2章介绍了使用Patran建模和Nastran 分析的过程；第3章介绍了使用Patran建立几何模型；第4章介绍了使用Patran 进行有限元网格划分；第5章介绍了材料属性；第6章介绍了单元属性；第7章介绍了工况及边界条件；第8章介绍了如何进行分析控制；第9章介绍了分析结果后处理。第10章至19章是实例，涵盖了使用Nastran分析的主要分析类型，其中第10章介绍了基本使用实例；第11章介绍了静力学分析；第12章介绍了屈曲分析；第13章介绍了模态分析；第14章介绍了瞬态响应分析；第15章介绍了频率响应分析；第16章介绍了随机响应分析；第17章介绍了非线性分析；第18章介绍了结构拓扑优化；第19章介绍了热传导分析。同时对所有实例的操作步骤都提供了详细的文字和图例说明，以便于读者学习掌握。
随书多媒体光盘包含全书所有实例源文件和操作过程录屏AVI文件。可以帮助读者更加形象直观地学习本书内容。
本书由三维书屋工作室总策划，参加编写的有胡仁喜、刘昌丽、龙凯、董伟、周冰、张俊生、王兵学、李瑞、王玮、王敏、王义发、王玉秋、王培合、闫聪聪、张日晶、路纯红、康士廷、王艳池、卢园、万金环、杨雪静、辛文彤、孟培。
由于编者水平有限，时间仓促，所以难免在内容选材和叙述上有欠缺之处。
编 者
用户评价
拿到这本书，我的第一感觉是内容非常全面，而且排版很清晰，这一点我非常看重。作为一名刚接触有限元分析的学生，面对Patran和Nastran这样专业的软件，最初的印象往往是复杂和难以入手。然而，这本书从最基础的软件界面介绍，到网格划分的各种技巧，再到不同类型载荷和边界条件的设置，都讲解得非常细致。我尤其喜欢它在讲解过程中穿插的各种示例，这些示例不仅仅是理论的堆砌，而是贴近实际工程问题的，这让我更容易理解软件的功能和应用场景。例如，在讲解梁结构的建模时，作者不仅展示了如何创建几何模型，还详细说明了如何选择合适的单元来模拟梁的受力特性，以及如何施加集中载荷和分布载荷。这些细节对于我这样初学者来说至关重要，能够帮助我避免走弯路，快速建立起正确的分析思路。而且，书中的插图非常丰富，很多关键步骤都有清晰的截图，这极大地降低了学习的门槛，让我能够跟着书本一步步地操作，而不是仅仅停留在理论层面。
评分这本书的价值在于其系统性和深度。我是一名研究生的助理，平时需要处理一些科研项目中的仿真计算，之前接触过一些有限元软件，但总是觉得在理论深度和实践应用之间存在断层。这本书在这方面做得尤为突出。它从Patran软件的预处理功能，到Nastran求解器的各种分析类型（如线性静态分析、模态分析、瞬态动力学分析），再到后处理的解读，都进行了非常系统和深入的讲解。我尤其对书中关于非线性分析的章节印象深刻，它详细阐述了材料非线性和几何非线性是如何在Nastran中实现的，以及在实际应用中需要注意的关键参数。这对于我目前正在进行的一些涉及到大变形和材料屈服的课题非常有帮助。此外，书中还提供了很多实用技巧，比如如何通过Python脚本来自动化一些重复性的操作，以及如何进行参数化建模以方便进行设计优化。这些高级的应用，让我看到了Patran/Nastran在工程设计和优化中的巨大潜力，也为我今后的研究方向提供了新的思路。
评分这本书的封面设计倒是挺吸引我的，尤其是那个渐变的蓝色调，给人的感觉既专业又充满科技感。我当时在书店里翻看的时候，就被它“从入门到精通”的字样深深吸引了。我从事结构分析工作已经有几年了，平时也接触一些有限元软件，但总觉得基础不够扎实，一些复杂的模型和分析总会遇到瓶颈。我对Patran和Nastran这两款软件都略有耳闻，知道它们在工程领域应用非常广泛，但自己真正能够熟练运用起来的程度还远远不够。看到这本书的标题，我脑海里立刻浮现出许多我遇到的实际问题，比如如何准确地建模，如何设置合理的单元类型和网格密度，以及如何理解和解读复杂的分析结果。我希望这本书能够像一位经验丰富的前辈一样，耐心细致地指导我，从最基本的概念讲起，逐步深入到更高级的应用。我期待它能够提供清晰的步骤、丰富的案例，让我能够通过实践来巩固和提升自己的技能。毕竟，理论知识和实际操作之间总是有一定差距的，而我急切地需要弥合这个差距，真正地“精通”这两款软件。
评分读完这本书，我最大的感受是它真的能够帮助我从“知其然”走向“知其所以然”。在我看来，很多技术书籍往往侧重于教你“怎么做”，而这本书则在“怎么做”的基础上，花了大量的篇幅去解释“为什么这么做”。比如，在讨论网格收敛性分析时，它不仅仅给出了一套步骤，而是深入分析了网格密度对计算结果精度的影响，以及如何通过网格收敛性分析来确定最佳的网格尺寸。这种对原理的深入剖析，让我能够真正理解每一次操作背后的逻辑，而不是盲目地套用公式或者步骤。这对于我这样的工程师来说，是非常宝贵的。此外，关于后处理和结果解读的部分，也给了我很多启发。我常常会发现自己能够成功得到一个分析结果，但却很难判断这个结果是否可靠，或者如何从中提取有用的信息。这本书提供了很多实用的技巧和经验，比如如何利用不同的云图展示方式来观察应力分布，如何进行变形放大以更直观地观察结构变形，以及如何提取特定点的位移和应力值。这些都极大地提升了我分析问题的能力。
评分这本书给我的感觉就像一位经验丰富的工程师在手把手教我。我之前在学习有限元分析时，常常会觉得理论知识和实际操作之间存在一道鸿沟，即使掌握了理论，在软件上实践时也常常感到无从下手。这本书在这方面做得非常出色，它不仅仅讲解了Patran和Nastran的基本操作，更深入地探讨了如何将有限元理论有效地应用于实际工程问题。比如，在讲解材料属性的定义时，作者并没有止步于输入数值，而是详细解释了不同材料模型（如线弹性、塑性）的适用范围以及在Patran/Nastran中的具体实现方法。此外，关于接触分析的章节，也给了我很大的启发，它不仅讲解了不同接触类型（如点接触、面接触）的设置，还分析了接触算法的选择对计算结果的影响。这些内容对于处理复杂装配体的仿真至关重要，我之前的很多分析都因为接触处理不当而出现结果异常。这本书的详尽讲解，让我对这些难点有了更深入的理解，也为我今后处理更复杂的工程问题打下了坚实的基础。
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