隨著市場競爭的日趨激烈,設(shè)計者和制造廠商越來越清楚地意識到CAE在其產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的重要地位,由于產(chǎn)品性能仿真所涉及學科的多樣性和CAD系統(tǒng)間各俱特色,迫切需要能夠?qū)⒍喾NCAE仿真集成在一個易學易用、統(tǒng)一完整的平臺上。MSC.Patran正是從這一角度出發(fā)開發(fā)的有限元框架式平臺上,設(shè)計者可以方便地根據(jù)自己的需求進行多學科的工程分析和數(shù)據(jù)交換。因此, MSC.Patran被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車船舶、機械、制造、電子、教學研究等各個行業(yè)。

1 MSC.Patran的主要特點

1)符合CAE流程的用戶界面,如下圖,按導航器上的步驟就能完成整個分析任務(wù),不用在不同的菜單中尋找菜單按鈕

2)很好的兼容性、開放性

3)較強的客戶化定制功能(PCL語言)

4)CAD模型的直接訪問技術(shù)(DGA)

5)面網(wǎng)格剖分功能,可在復雜的帶有缺陷的曲面上快速生成高質(zhì)量的面網(wǎng)格,并提供方便的用戶可控性

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

7)復合材料建模工具LAMINATE MODELER

8)變量場技術(shù)

9)不同硬件平臺和操作系統(tǒng)下數(shù)據(jù)庫兼容,windows,linux和unix系統(tǒng)都支持

10)大模型快速圖形操作

2 MSC.Patran的主要功能

2.1 開放式的幾何訪問及模型構(gòu)造

1)CAD幾何模型的直接訪問

MSC.Patran打破了傳統(tǒng)有限元分析的前后處理模式,其幾何模型直接訪問技術(shù)(Direct Geometry Access,簡稱DGA)為所有的CAD軟件系統(tǒng)間的幾何模型溝通及各類分析模型無縫連接提供了很好的集成環(huán)境。使用DGA技術(shù),應(yīng)用工程師可直接在MSC.Patran框架內(nèi)訪問現(xiàn)有CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,讀取、轉(zhuǎn)換、修改和操作正在設(shè)計的幾何模型而無需復制,支持的CAD軟件包括:CATIA、UG、Pro/E、Solidworks、SolidEdge等。MSC.Patran同時還支持各種幾何標準格式的文件,包括Parasolid、ACIS、STEP、IGES等格式。

MSC.Patran讀入的CAD信息包括:集合點、曲線、曲面和實體。對于UG,不但可讀入特征,而且可在PATRAN中根據(jù)分析要求對特征進行更改和編輯,隨后特征任可以返回UG共CAD設(shè)計修改使用。對于CATIA V5,支持屬性的輸入,包括特征名稱、層信息、色彩和透明度等。STEP209格式還支持有限元信息的輸入。全新的PATRAN支持Parasolid幾何的自動特征識別,可以顯示,編輯和刪除這些特征。

全新的MSC.Patran的CAD接口不僅是企業(yè)標準的CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口,而且對接口的性能,速度和精確程度都有顯著的提高。 改進使得MSC.Patran和CAD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞更好,集成更加完善。

2)CAD幾何造型功能

MSC.Patran不僅具有基礎(chǔ)的幾何造型功能,同時還提供了一系列的基于Parasolid的幾何造型和編輯功能,如布爾運算、倒角、印痕、抽殼、抽中面以及參數(shù)化建模等。

引入新的參數(shù)化曲面創(chuàng)建功能

MSC.Patran的幾何創(chuàng)建工具包得到進一步的擴展,包含了新的系列參數(shù)化曲面的創(chuàng)建,我們稱為“P-shapes”。這些可以拓撲形式提供的曲面通常用于熱分析如Sinda和MSC.Patran Thermal。熱分析人員尤其在做設(shè)計研究的時候會需要這些形狀的幾何,每一種P-shapes都可以使用通用的工程參數(shù)來定義如半徑,直徑,旋轉(zhuǎn)軸,旋轉(zhuǎn)角等。而且,P-shapes可以快速地利用Patran的全套面網(wǎng)格劃分器進行網(wǎng)格劃分,同時支持硬點,硬線的功能,即使出現(xiàn)很小的網(wǎng)格控制。

智能化模型處理

MSC.Patran允許用戶直接在幾何模型上設(shè)定載荷、邊界條件、材料和單元特性,并將這些信息自動地轉(zhuǎn)換成相關(guān)的有限元信息,以較大限度地減少設(shè)計過程的時間消耗。

2.2有限元建模

MSC.Patran提供了功能全面、方便靈活的可滿足各種分析精度要求的復雜有限元的建模能力。

較好的映射網(wǎng)格劃分

MSC.Patran映射網(wǎng)格劃分技術(shù),可以高效地對具有參數(shù)化特性的各種幾何生成各種類型的單元。MSC.Patran具有從低階單元映射生成高階單元的功能,同時還具備多種類似種子點、硬點、硬線等映射網(wǎng)格控制功能。

快速、準確自動的網(wǎng)格劃分

MSC.Patran對從CAD系統(tǒng)讀入的曲面和實體同樣具有自動網(wǎng)格劃分的功能,在自動劃分的過程中同樣可以使用種子點、硬點、硬線等功能,局部加密關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格。

全新的曲面網(wǎng)格劃分選項簡化了在復雜幾何上的單元創(chuàng)建

有經(jīng)驗的分析人員都知道,輸入、修改和整理CAD的幾何信息使它適應(yīng)網(wǎng)格劃分在整個虛擬產(chǎn)品仿真的過程中是一件相當繁瑣的工作。MSC.Patran引入了ASM II的功能。ASM II提供了快速將CAD幾何轉(zhuǎn)換成適合網(wǎng)格劃分幾何的完整設(shè)置工具,以下列出的ASM II的新的工具選項

創(chuàng)建曲面選項:

快速地創(chuàng)建初始網(wǎng)格

識別和縫合自由邊界

自動生成規(guī)則的曲面

便捷地修補幾何:

自動在邊界之間選擇gaps

自動縫合選擇的縫隙

匹配和收縮幾何角點從而協(xié)調(diào)幾何

便捷地編輯幾何:

自動合并間隙

填充開孔和細長的縫隙

插入角點和刪除幾何點

刪除和割裂曲面

分解曲線

編輯/合并曲面來合并表面

全新的螺栓建模工具用于快速創(chuàng)建裝配模型:

螺栓連接在實際的應(yīng)用中十分廣泛,在Patran中創(chuàng)建螺栓連接非常方便,在Tools菜單下有全新的創(chuàng)建螺栓預緊力和相關(guān)的MPC的菜單

定義螺栓的MPC可以通過以下三種方法創(chuàng)建:基于幾何,基于矢量和基于單元。

變量場:

為了能夠方便的定義有限元分析模型建立時所遇到的各種變化的物理量的定義,MSC.Patran提供了各種定義變量的方法,在MSC.Patran的界面中可以便捷地定義隨空間、時間、溫度等變化的材料特性、動力學特性等,以及總體到局部計算的數(shù)據(jù)條件交換和不同類型分析之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,同時也可以通過PCL語言的二次開發(fā)直接從外部的測試數(shù)據(jù)形成變化的物理場。

2.3 分析集成

MSC.Patran的分析管理器給客戶提供了各種分析類型的統(tǒng)一集成控制平臺。分析者可根據(jù)不同的分析要求選擇分析軟件接口(包括MSC公司提供的有限元應(yīng)用分析軟件和第三方的分析軟件),從而設(shè)置不同的分析環(huán)境。這樣,工程分析人員就不需要掌握不同的前后處理軟件,對于不同類型的分析也不需要重復建立模型。

MSC.Patran和各種分析軟件都有完整的結(jié)合,支持各種不同軟件的單元庫的定義、材料本構(gòu)模型的輸入以及各種邊界條件的定義。MSC.Patran通過測試支持的分析軟件包括:MD Nastran,MSC Nastran,Marc,Dytran,Flightloads,Thermal,Fatigue,MSC Sinda,LS-DYNA3D,ABAQUS,ANSYS。

2.4 結(jié)果交互式可視化后處理

MSC.Patran提供了多種常規(guī)的計算分析結(jié)可視化工具,如云紋圖、變形圖、曲線表格、動畫、矢量張量圖等,幫組工程師靈活、快速地了解結(jié)構(gòu)在載荷作用下復雜的行為,如結(jié)構(gòu)受力、變形、溫度場、疲勞壽命、流體流動等。

MSC.Patran提供了對不同有限元計算結(jié)果進行重新組合和顯示的技術(shù),適合于同一種工況計算結(jié)果的組合,也適合于不同工況計算結(jié)果的組合。對于各種后處理顯示模式,為了便于調(diào)用,MSC.Patran還可以存成相應(yīng)的模板。使用MSC.Patran作后處理工具,無論是熱結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)力的顯示,還是非線性分析中變形的顯示,或是動力學分析中動態(tài)結(jié)果的動畫處理,都會變得更加方便。

MSC.Patran同時還提供了特殊的工具進行內(nèi)部結(jié)果的后處理顯示,如等值面、等直線、動態(tài)結(jié)果的切片顯示等,這些透視工具的選用可以實時地觀測到實體的內(nèi)部結(jié)果。

全新的結(jié)果色譜支持256色,結(jié)果后處理已經(jīng)支持256色的彩色云紋圖,這就便于得到更為精準的色彩梯度變化和滿意的云紋后處理結(jié)果。

2.5 PCL語言二次開發(fā)

PCL語言是MSC.Patran的客戶化工具,是模塊化結(jié)構(gòu)的編程語言。用戶可根據(jù)自己的需要用PCL語言編寫特定的用戶界面、圖標等,尤其是創(chuàng)建專業(yè)分析所要求的流程和功能。讀寫Patran命令流,通過PCL語言,其它商品化或自編分析程序可被集成到MSC.Patran軟件系統(tǒng)中。大多數(shù)的分析仿真軟件均利用PCL工具,建立了與Patran的直接集成關(guān)系。CCS中國船級社利用Patran的PCL語言開發(fā)了“海虹之彩”。