Patran與Dytran有限元分析標準教程

胡仁喜，現任河北工業職業技術大學教授，畢業於北京理工大學車輛工程專業。作為國內CAD/CAM/CAE領域的資深圖書作者和出版專家，長期專註於該領域的教學與科研工作。已發表學術論文35篇，其中包括SCI檢索6篇、EI檢索10篇，以及核心期刊及以上級別論文30篇。此外，還獲得國家發明專利3項，出版著作85部。

劉慶，畢業於西北工業大學，具有多年MSC Dytran軟件技術支持經驗，在爆炸、沖擊、火藥燃燒等仿真分析方面積累了豐富的工程技術經驗。已發表論文12篇，參與省部級科研項目9項，出版著作2部。

目 錄

第 1章　Patran、Dytran概述　1

1.1　Patran介紹　2

1.1.1　圖形用戶界面　2

1.1.2　CAD幾何模型的直接訪問　2

1.1.3　幾何造型功能　3

1.1.4　分析集成　3

1.1.5　有限元建模　4

1.1.6　結果交互式可視化後處理　5

1.1.7　高級用戶化工具　5

1.2　Dytran介紹　5

1.2.1　完整的單元庫　6

1.2.2　豐富的材料庫　6

1.2.3　接觸算法　6

1.2.4　面向行業的強大分析能力　7

1.2.5　獨特的仿真技術　7

1.2.6　提升效率　7

1.2.7　瞬態結構分析（碰撞或沖擊）　8

1.2.8　流固耦合　9

1.2.9　歐拉網格技術　9

1.2.10　多種求解方法　10

第 2章　Patran建模和Dytran

分析過程　11

2.1　有限元分析簡介　12

2.2　Patran建模和Dytran分析流程　12

2.2.1　Patran 2020 的用戶界面　13

2.2.2　Patran建模和Dytran分析的一般流程　15

第3章　創建幾何模型　17

3.1　直接創建幾何模型　18

3.1.1　創建點　18

3.1.2　創建曲線　22

3.1.3　創建曲面　29

3.1.4　創建三維實體　37

3.2　輔助建模　40

3.2.1　創建坐標系　41

3.2.2　創建平面　43

3.2.3　創建矢量　45

3.3　轉換創建的幾何模型　46

3.4　Patran的輸入接口與輸出接口　51

3.4.1　Patran的輸入接口　51

3.4.2　Patran的輸出接口　53

3.5　編輯幾何模型　53

3.5.1　編輯點　54

3.5.2　編輯曲線　54

3.5.3　編輯曲面　56

3.5.4　編輯實體　60

3.6　其他幾何操作　62

3.6.1　刪除功能　63

3.6.2　信息顯示　63

3.6.3　檢查幾何模型　63

3.6.4　關聯　64

3.6.5　反關聯　64

3.6.6　重新標號　64

3.7　圓頂凸臺建模實例　64

3.7.1　創建立方體　65

3.7.2　在實體表面中心創建點　65

3.7.3　顯示點的標號　66

3.7.4　在一個實體表面創建球面　67

3.7.5　進行布爾運算　67

3.8　實例——托架建模　68

3.8.1　創建數據庫模型　68

3.8.2　創建二維平面圖　68

3.8.3　創建三維實體　71

3.8.4　創建切割實體模型　72

3.8.5　創建底部圓孔　74

3.8.6　打印痕　75

第4章　劃分有限元網格　78

4.1　單元庫簡介　79

4.2　直接創建有限元網格　80

4.2.1　網格生成器的分類　80

4.2.2　幾何協調性和有限元協調性　82

4.2.3　自動生成網格　82

4.2.4　手動生成網格　82

4.2.5　創建多點約束　83

4.3　轉換創建的有限元網格　83

4.3.1　移動、旋轉和鏡像創建的節點或單元　84

4.3.2　拉伸、滑動創建的單元　85

4.4　修改有限元網格　85

4.4.1　修改網格　85

4.4.2　修改單元　86

4.4.3　修改梁/桿單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元　87

4.4.4　修改節點　87

4.4.5　修改網格種子　88

4.5　檢查有限元網格　88

4.5.1　有限元網格的檢查　88

4.5.2　檢查三角形單元的質量　89

4.5.3　檢查四邊形單元的質量　89

4.5.4　檢查四面體單元的質量　90

4.5.5　檢查五面體單元的質量　90

4.5.6　檢查六面體單元的質量　90

4.5.7　檢查節點　90

4.5.8　檢查中間節點　90

4.5.9　檢查超級單元　91

4.6　基於有限元網格模型的其他操作　91

4.6.1　重新標號　91

4.6.2　聯結　92

4.6.3　解除聯結　92

4.6.4　優化　92

4.6.5　顯示信息　92

4.6.6　刪除有限元元素　93

4.7　創建有限元網格實例　93

4.7.1　支架網格劃分實例　93

4.7.2　連桿網格劃分實例　96

4.8　實例——用拉格朗日法進行泰勒沖擊試驗的網格劃分　99

4.8.1　創建數據庫文件　99

4.8.2　創建幾何模型　100

4.8.3　網格劃分　102

第5章　單元屬性　104

5.1　單元屬性概述　105

5.2　拉格朗日單元　105

5.2.1　單元的定義　106

5.2.2　體單元　106

5.2.3　殼體單元　107

5.2.4　膜體單元　107

5.2.5　剛性結構　107

5.2.6　梁單元　109

5.2.7　桿單元　110

5.2.8　彈簧單元　110

5.2.9　阻尼器單元　112

5.2.10　集中質量　113

5.3　歐拉單元　113

5.4　材料模型中支持的單元　114

5.5　歐拉網格　117

5.5.1　正交網格　117

5.5.2　自動網格的生成　118

5.5.3　局部歐拉網格　119

5.5.4　歐拉子網格　119

5.5.5　不同疏密程度的網格　120

5.6　實例——更改網格物理特性及改變材料　121

5.6.1　保存副本數據庫　122

5.6.2　更改網格物理特性　123

5.6.3　改變材料　123

5.6.4　為歐拉形狀創建坐標系　124

第6章　約束和加載　126

6.1　約束和加載概述　127

6.2　單點約束　128

6.3　接觸面　129

6.3.1　一般接觸和分離　129

6.3.2　單面接觸　131

6.3.3　離散網格點　131

6.4　拉格朗日荷載　133

6.4.1　集中荷載和力矩　133

6.4.2　壓力載荷　134

6.4.3　強制運動　134

6.4.4　初始條件　135

6.5　歐拉荷載和約束　135

6.5.1　流動邊界　136

6.5.2　剛性墻　136

6.5.3　初始條件　136

6.5.4　燃燒　139

6.5.5　爆轟　139

6.5.6　歐拉黏性與表面摩擦　139

6.6　實例——用拉格朗日法進行泰勒沖擊試驗的約束和加載　139

6.6.1　創建網格物理特性　139

6.6.2　創建耦合面　140

6.6.3　歐拉網格的初始化　141

6.6.4　歐拉網格的定義　143

6.7　實例——用歐拉法進行泰勒沖擊試驗的約束和加載　144

6.7.1　為歐拉單元創建新的載荷工況　144

6.7.2　創建歐拉初始形狀　144

6.7.3　創建歐拉初始值　146

6.7.4　歐拉區域的定義　147

6.7.5　創建虛擬耦合　147

6.7.6　創建歐拉網格　148

第7章　流固耦合　150

7.1　一般耦合　151

7.2　封閉容積　151

7.3　孔隙率　152

7.3.1　速度法　153

7.3.2　壓力法　154

7.3.3　效率　154

7.4　多耦合面　155

7.4.1　使用Patran的Dytran首選項　155

7.4.2　耦合面失效　156

7.4.3　多孔耦合面　156

7.4.4　域之間的流動　156

7.4.5　初始化　157

7.4.6　輸出　157

7.4.7　停用　158

7.5　歐拉方程的流體和氣體求解器　158

7.6　模擬容器充液　159

7.6.1　上方氣體　159

7.6.2　熱灌裝　159

7.7　任意拉格朗日-歐拉耦合　160

7.8　自動耦合　160

7.8.1　以耦合面為屏障　161

7.8.2　T型接頭　166

7.8.3　自動耦合輸出　167

7.8.4　歐拉初始化　167

7.8.5　帶自動耦合運行　168

第8章　運行分析　169

8.1　運行分析概述　170

8.1.1　工具欄　170

8.1.2　分析順序　170

8.2　在Dytran中使用建模程序　170

8.2.1　網格點　171

8.2.2　單元　171

8.2.3　材料和屬性　172

8.2.4　約束條件　172

8.2.5　載荷　172

8.3　數據處理　172

8.3.1　編譯數據　172

8.3.2　檢查數據　173

8.4　執行Dytran　173

8.4.1　運行DMP作業　173

8.4.2　使用隊列或調度程序　175

8.4.3　運行Dytran　176

8.4.4　停止Dytran　176

8.5　由Dytran創建的文件　176

8.6　輸出結果　178

8.6.1　輸出規範　178

8.6.2　結果類型　180

8.7　重新啟動　183

8.7.1　重新啟動以前的分析　184

8.7.2　預應力分析　184

8.8　控制分析　185

8.8.1　修改時間步長　185

8.8.2　歐拉單元的混合　185

8.8.3　耦合子循環　185

8.8.4　單元子循環　185

8.8.5　限制　185

8.9　後處理　186

8.9.1　繪制結果的時間變化　186

8.9.2　繪制實際位移　186

8.9.3　繪制有效塑性應變　186

8.9.4　繪制速度場　186

8.9.5　動畫分析　186

8.10　實例——用拉格朗日法進行泰勒沖擊試驗的運行和分析　186

8.10.1　設置分析求解參數　187

8.10.2　定義組　188

8.10.3　提交運行　190

8.10.4　時間歷程　190

8.10.5　後處理　192

8.11　實例——用歐拉法進行泰勒沖擊試驗的運行和分析　194

8.11.1　設置分析求解參數　194

8.11.2　修改模型數據文件　195

8.11.3　提交運行　196

8.11.4　後處理　196

8.11.5　結果對比　198

第9章　水下爆炸分析實例　199

9.1　問題分析　200

9.2　創建幾何模型　200

9.2.1　創建數據庫文件　200

9.2.2　創建幾何模型　201

9.2.3　創建材料參數　201

9.3　約束和加載　203

9.3.1　創建網格物理特性　203

9.3.2　創建耦合面　203

9.3.3　定義歐拉網格的初始狀態　204

9.3.4　定義歐拉網格　207

9.4　分析設置　207

9.4.1　檢查工況　207

9.4.2　設置分析求解參數　208

9.4.3　修改模型數據文件　211

9.5　提交計算及後處理　215

9.5.1　提交計算　215

9.5.2　後處理　216

第 10章　地雷EFP成型射流穿甲分析實例　221

10.1　問題分析　222

10.2　創建幾何模型　222

10.2.1　創建數據庫文件　222

10.2.2　導入藥型罩模型　223

10.2.3　創建材料參數　224

10.3　約束和加載　227

10.3.1　修改網格物理特性　227

10.3.2　創建網格物理特性　227

10.3.3　創建耦合面　227

10.3.4　定義歐拉網格的初始狀態　228

10.3.5　定義歐拉網格　233

10.4　分析設置　233

10.4.1　檢查工況　233

10.4.2　設置分析求解參數　234

10.4.3　修改模型數據文件　238

10.5　提交計算及後處理　239

10.5.1　提交計算　239

10.5.2　後處理　240

第 11章　飛機加油軟管分析實例　250

11.1　問題分析　251

11.2　創建幾何模型　251

11.2.1　創建數據庫文件　251

11.2.2　導入幾何模型　252

11.2.3　網格劃分　252

11.3　約束和加載　254

11.3.1　創建材料參數　254

11.3.2　創建網格物理特性　256

11.3.3　創建耦合面　257

11.3.4　定義歐拉網格的初始狀態　259

11.3.5　定義歐拉網格　261

11.3.6　定義固定約束　263

11.4　分析設置　265

11.4.1　檢查工況　265

11.4.2　設置分析求解參數　265

11.4.3　修改模型數據文件　268

11.5　提交計算及後處理　270

11.5.1　提交計算　270

11.5.2　後處理　271

第 12章　結構抗暴分析實例一　275

12.1　問題分析　276

12.2　創建幾何模型　276

12.2.1　創建數據庫文件　276

12.2.2　導入有限元模型　276

12.2.3　創建幾何模型　278

12.2.4　創建材料參數　278

12.3　約束和加載　280

12.3.1　創建網格物理特性　280

12.3.2　修改網格物理特性　281

12.3.3　創建耦合面　282

12.3.4　定義歐拉網格　284

12.3.5　定義歐拉網格的初始狀態　287

12.3.6　定義地面剛體的固定約束　290

12.4　分析設置　290

12.4.1　檢查工況　290

12.4.2　設置分析求解參數　291

12.4.3　修改模型數據文件　293

12.5　提交計算及後處理　295

12.5.1　提交計算　295

12.5.2　後處理　296

第 13章　結構抗暴分析實例二　300

13.1　問題分析　301

13.2　創建幾何模型　301

13.2.1　創建數據庫文件　301

13.2.2　導入有限元模型　302

13.2.3　創建材料參數　302

13.3　約束和加載　304

13.3.1　創建網格物理特性　304

13.3.2　修改網格物理特性　304

13.3.3　創建耦合面　306

13.3.4　定義歐拉網格　306

13.3.5　定義歐拉網格的初始狀態　307

13.4　分析設置　310

13.4.1　檢查工況　310

13.4.2　設置分析求解參數　311

13.4.3　修改模型數據文件　313

13.5　提交計算及後處理　314

13.5.1　提交計算　314

13.5.2　後處理　314

第 14章　火藥密閉實驗分析及參數擬合實例　320

14.1　基本理論　321

14.2　問題分析　322

14.3　分析設置　323

14.3.1　創建數據庫文件　323

14.3.2　查看BDF文件　324

14.3.3　編輯DAT文件　324

14.4　提交計算及後處理　327

14.4.1　提交計算　327

14.4.2　後處理　328

第 15章　火藥作用下彈片運動分析實例　336

15.1　創建幾何模型　337

15.1.1　創建數據庫文件　337

15.1.2　創建彈片幾何模型　337

15.1.3　創建彈片結構有限元網格　338

15.1.4　創建材料參數　339

15.2　約束和加載　340

15.2.1　創建網格物理特性　340

15.2.2　創建耦合面　341

15.2.3　定義歐拉網格的初始狀態　342

15.2.4　定義歐拉網格　343

15.2.5　定義彈片固定約束　343

15.3　分析設置　344

15.3.1　檢查工況　344

15.3.2　設置分析求解參數　345

15.3.3　修改模型數據文件　349

15.4　提交計算及後處理　351

15.4.1　提交計算　351

15.4.2　後處理　351

附錄　工具圖標　358