MSC.Patran--集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统

随着市场竞争的日趋激烈,设计者和制造厂商越来越清楚地意识到CAE在其产品设计制造过程中的重要地位,由于产品性能仿真所涉及学科的多样性和CAD系统间各俱特色,迫切需要能够将多种CAE仿真集成在一个易学易用、统一完整的平台上。MSC.Patran正是从这一角度出发开发的有限元框架式平台上,设计者可以方便地根据自己的需求进行多学科的工程分析和数据交换。因此, MSC.Patran被广泛应用于航空、航天、汽车船舶、机械、制造、电子、教学研究等各个行业。

1 MSC.Patran的主要特点

1)符合CAE流程的用户界面,如下图,按导航器上的步骤就能完成整个分析任务,不用在不同的菜单中寻找菜单按钮

2)很好的兼容性、开放性

3)较强的客户化定制功能(PCL语言)

4)CAD模型的直接访问技术(DGA)

5)面网格剖分功能,可在复杂的带有缺陷的曲面上快速生成高质量的面网格,并提供方便的用户可控性

6)支持多种CAE求解器,支持Nastran,Marc,Dytran,Sinda,Abaqus,Ansys

7)复合材料建模工具LAMINATE MODELER

8)变量场技术

9)不同硬件平台和操作系统下数据库兼容,windows,linux和unix系统都支持

10)大模型快速图形操作

2 MSC.Patran的主要功能

2.1 开放式的几何访问及模型构造

1)CAD几何模型的直接访问

MSC.Patran打破了传统有限元分析的前后处理模式,其几何模型直接访问技术(Direct Geometry Access,简称DGA)为所有的CAD软件系统间的几何模型沟通及各类分析模型无缝连接提供了很好的集成环境。使用DGA技术,应用工程师可直接在MSC.Patran框架内访问现有CAD系统数据库,读取、转换、修改和操作正在设计的几何模型而无需复制,支持的CAD软件包括:CATIA、UG、Pro/E、Solidworks、SolidEdge等。MSC.Patran同时还支持各种几何标准格式的文件,包括Parasolid、ACIS、STEP、IGES等格式。

MSC.Patran读入的CAD信息包括:集合点、曲线、曲面和实体。对于UG,不但可读入特征,而且可在PATRAN中根据分析要求对特征进行更改和编辑,随后特征任可以返回UG共CAD设计修改使用。对于CATIA V5,支持属性的输入,包括特征名称、层信息、色彩和透明度等。STEP209格式还支持有限元信息的输入。全新的PATRAN支持Parasolid几何的自动特征识别,可以显示,编辑和删除这些特征。

全新的MSC.Patran的CAD接口不仅是企业标准的CAD系统数据接口,而且对接口的性能,速度和精确程度都有显著的提高。 改进使得MSC.Patran和CAD系统之间的数据传递更好,集成更加完善。

2)CAD几何造型功能

MSC.Patran不仅具有基础的几何造型功能,同时还提供了一系列的基于Parasolid的几何造型和编辑功能,如布尔运算、倒角、印痕、抽壳、抽中面以及参数化建模等。

引入新的参数化曲面创建功能

MSC.Patran的几何创建工具包得到进一步的扩展,包含了新的系列参数化曲面的创建,我们称为“P-shapes”。这些可以拓扑形式提供的曲面通常用于热分析如Sinda和MSC.Patran Thermal。热分析人员尤其在做设计研究的时候会需要这些形状的几何,每一种P-shapes都可以使用通用的工程参数来定义如半径,直径,旋转轴,旋转角等。而且,P-shapes可以快速地利用Patran的全套面网格划分器进行网格划分,同时支持硬点,硬线的功能,即使出现很小的网格控制。

智能化模型处理

MSC.Patran允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、材料和单元特性,并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息,以较大限度地减少设计过程的时间消耗。

2.2有限元建模

MSC.Patran提供了功能全面、方便灵活的可满足各种分析精度要求的复杂有限元的建模能力。

较好的映射网格划分

MSC.Patran映射网格划分技术,可以高效地对具有参数化特性的各种几何生成各种类型的单元。MSC.Patran具有从低阶单元映射生成高阶单元的功能,同时还具备多种类似种子点、硬点、硬线等映射网格控制功能。

快速、准确自动的网格划分

MSC.Patran对从CAD系统读入的曲面和实体同样具有自动网格划分的功能,在自动划分的过程中同样可以使用种子点、硬点、硬线等功能,局部加密关心区域的网格。

全新的曲面网格划分选项简化了在复杂几何上的单元创建

有经验的分析人员都知道,输入、修改和整理CAD的几何信息使它适应网格划分在整个虚拟产品仿真的过程中是一件相当繁琐的工作。MSC.Patran引入了ASM II的功能。ASM II提供了快速将CAD几何转换成适合网格划分几何的完整设置工具,以下列出的ASM II的新的工具选项

创建曲面选项:

快速地创建初始网格

识别和缝合自由边界

自动生成规则的曲面

便捷地修补几何:

自动在边界之间选择gaps

自动缝合选择的缝隙

匹配和收缩几何角点从而协调几何

便捷地编辑几何:

自动合并间隙

填充开孔和细长的缝隙

插入角点和删除几何点

删除和割裂曲面

分解曲线

编辑/合并曲面来合并表面

全新的螺栓建模工具用于快速创建装配模型:

螺栓连接在实际的应用中十分广泛,在Patran中创建螺栓连接非常方便,在Tools菜单下有全新的创建螺栓预紧力和相关的MPC的菜单

定义螺栓的MPC可以通过以下三种方法创建:基于几何,基于矢量和基于单元。

变量场:

为了能够方便的定义有限元分析模型建立时所遇到的各种变化的物理量的定义,MSC.Patran提供了各种定义变量的方法,在MSC.Patran的界面中可以便捷地定义随空间、时间、温度等变化的材料特性、动力学特性等,以及总体到局部计算的数据条件交换和不同类型分析之间的数据转换,同时也可以通过PCL语言的二次开发直接从外部的测试数据形成变化的物理场。

2.3 分析集成

MSC.Patran的分析管理器给客户提供了各种分析类型的统一集成控制平台。分析者可根据不同的分析要求选择分析软件接口(包括MSC公司提供的有限元应用分析软件和第三方的分析软件),从而设置不同的分析环境。这样,工程分析人员就不需要掌握不同的前后处理软件,对于不同类型的分析也不需要重复建立模型。

MSC.Patran和各种分析软件都有完整的结合,支持各种不同软件的单元库的定义、材料本构模型的输入以及各种边界条件的定义。MSC.Patran通过测试支持的分析软件包括:MD Nastran,MSC Nastran,Marc,Dytran,Flightloads,Thermal,Fatigue,MSC Sinda,LS-DYNA3D,ABAQUS,ANSYS。

2.4 结果交互式可视化后处理

MSC.Patran提供了多种常规的计算分析结可视化工具,如云纹图、变形图、曲线表格、动画、矢量张量图等,帮组工程师灵活、快速地了解结构在载荷作用下复杂的行为,如结构受力、变形、温度场、疲劳寿命、流体流动等。

MSC.Patran提供了对不同有限元计算结果进行重新组合和显示的技术,适合于同一种工况计算结果的组合,也适合于不同工况计算结果的组合。对于各种后处理显示模式,为了便于调用,MSC.Patran还可以存成相应的模板。使用MSC.Patran作后处理工具,无论是热结构分析中的应力的显示,还是非线性分析中变形的显示,或是动力学分析中动态结果的动画处理,都会变得更加方便。

MSC.Patran同时还提供了特殊的工具进行内部结果的后处理显示,如等值面、等直线、动态结果的切片显示等,这些透视工具的选用可以实时地观测到实体的内部结果。

全新的结果色谱支持256色,结果后处理已经支持256色的彩色云纹图,这就便于得到更为精准的色彩梯度变化和满意的云纹后处理结果。

2.5 PCL语言二次开发

PCL语言是MSC.Patran的客户化工具,是模块化结构的编程语言。用户可根据自己的需要用PCL语言编写特定的用户界面、图标等,尤其是创建专业分析所要求的流程和功能。读写Patran命令流,通过PCL语言,其它商品化或自编分析程序可被集成到MSC.Patran软件系统中。大多数的分析仿真软件均利用PCL工具,建立了与Patran的直接集成关系。CCS中国船级社利用Patran的PCL语言开发了“海虹之彩”。