书名：Patran与Dytran有限元分析标准教程
ISBN：978-7-115-63536-5
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著 胡仁喜 刘 庆
责任编辑 蒋 艳
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本书介绍Patran 2020的基本操作以及Dytran 2020的求解分析。全书共15章，前8章分别介绍MSC Software公司及其产品Patran和Dytran的基本功能、Patran建模和Dytran分析过程、创建几何模型、划分有限元网格、单元属性、约束和加载、流固耦合、运行分析；第9章至第15章涵盖Dytran对应的主要分析类型，分别介绍水下爆炸分析实例、地雷EFP成型射流穿甲分析实例、飞机加油软管分析实例、两个结构抗暴分析实例、火药密闭试验分析及参数拟合实例以及火药作用下弹片运动分析实例。书中所有实例的操作步骤都提供了详细的文字和图例说明，便于读者学习与掌握。
本书可以作为高等院校研究生自学计算机辅助有限元分析软件的教材，也可以作为各科研院所研究人员的研究参考资料。
Dytran用于仿真冲击、碰撞等类型的瞬时事件，并可分析在此类事件期间结构的复杂非线性行为，专门用于高速瞬态非线性动力问题、瞬态流固耦合问题的数值仿真。该软件采用显式积分法并能模拟各种材料及非线性几何，特别适合用来分析涉及大变形、高度非线性和复杂的动态边界条件的短暂的动力学过程。该软件提供拉格朗日求解器与欧拉求解器，所以既能模拟结构又能模拟流体。拉格朗日网格与欧拉网格之间可以进行耦合，从而可以分析流体与结构之间的相互作用，形成精确、独特的流固耦合技术。该软件自带丰富的材料模型，能够模拟从金属、非金属（包括土壤、塑料、橡胶等）到复合材料的各种材料，还能模拟从线弹性、屈服、状态方程、破坏、剥离到爆炸燃烧等各种行为模式。
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本书由海克斯康提供技术顾问，并指定为官方培训指导教材，河北工业职业技术大学的胡仁喜教授和MSC Software大中华区技术经理刘庆著。另外，石家庄三维书屋文化传播有限公司康士廷老师对本书的出版也提供了大量的帮助，在此表示感谢。
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编者
2025年4月
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Patran是一个集成的并行框架式的有限元前/后处理及分析仿真系统。Patran的开放式、多功能的体系结构将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面等集于一身，构成了一个完整的CAE集成环境。Patran可以帮助产品开发人员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。
Patran采用符合开放软件基金会（Open Software Foundation，OSF）Motif标准的图形用户界面，如图1-1所示。Patran的图形用户界面条理清晰，菜单最多不超过3级，便于用户接通各类分析任务。该软件还拥有丰富的电子表格工具，如弹出式或下拉式菜单与表格、滑动条、图形图标、按钮等，方便用户输入和管理数据。各类表格均使用普通的工程术语，而不是特定的代码、命令或缩写，需要时辅助表格会自动弹出，不需要时会自动隐藏，整个界面始终给人一种直观的感觉。
图1-1 Patran的图形用户界面
Patran不但拥有基于Motif标准的图形菜单和电子表格系统，而且通过在线帮助系统为用户提供用户手册并允许用户快速定位所需信息，易学易用。
为方便用户使用，Patran的用户手册系统始终处于“等待激活状态”，可在用户需要帮助的任意时刻被激活并提供相应的信息。
在在线帮助系统中，用户可单击相应的主题目录，并从“内容表”上选择需要的主题信息，一旦选定内容，文档中的相应信息就会出现在屏幕上供用户读取。
有限元分析模型可通过CAD几何模型快速生成，用精确表现产品设计的方式取代以往的近似描述，进而省去了在分析软件系统中重新构造几何模型的传统过程。Patran中生成的分析模型（包含直接分配到CAD几何模型上的载荷、位移、材料和单元特性等）将保存在Patran的数据库中，而CAD几何模型将继续保存在原有的CAD/CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）系统数据库中。当相关的设计模型存储在Patran中并生成有限元网格时，原有的设计模型将被标记。设计与分析之间的相关性可使用户在Patran中迅速获取几何模型的任何改变，并能通过观察新的几何模型调整分析的精度。Patran通过在世界范围内与先进的CAD、CAM软件建立紧密而重要的合作来实现并行工程和几何模型直接访问（Direct Geometry Access，DGA）技术，保证用户在同步的工程环境下从一个或多个CAD系统中获取CAD信息。这些CAD、CAM软件包括CADDS5、CATIA、EUCLID、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidWorks等。
对于其他CAD软件，可依据其所遵循的标准进行访问。上面提到的CAD信息包括几何点、曲线、曲面、曲面和实体、Unigraphics的特征等。其中，Unigraphics的特征不但可以导入Patran，而且可以在Patran中根据分析的要求进行更改，随后特征仍可返回UG（交互式CAD/CAM系统）中供CAD设计人员修改与使用。
Patran中的中间文件可用于在不同平台之间传递几何模型，STEP或IGES文件主要用于任意CAD模型的几何数据的输入和输出。
Patran提供了一系列基于Parasolid的几何造型和编辑功能，不但可以编辑导入的CAD几何模型并划分有限元网格，而且可以通过布尔运算独立创建各种复杂的几何模型。
Patran拥有统一的菜单形式，提供了强大的建模功能。支持多种几何要素，包括点、曲线、曲面、Trimmed裁剪曲面、Parasolid实体、三参数实体、B-rep实体；支持多种生成方式，包括平移、转动、比例缩放、镜像、抽取中面、倒角、要素相交、投影、几何序号的重新排序等。此外还包含曲线、曲面合并，任意局部坐标系设定，重心、形心、转动惯量等几何模型的质量和几何特性的计算等功能。
作为世界一流的前/后处理器，Patran可根据不同的分析软件设置不同的工作环境，以满足用户对使用效益和集成的需求，使用户无须针对不同的分析软件的特点重复建模。Patran界面内可直接选择的求解器包括：Nastran、Marc、Dytran、Patran Thermal、FE Fatigue、ABAQUS和ANSYS等，如图1-2所示。
图1-2 Patran界面内可直接选择的求解器
Dytran目前还没有完全集成到Patran中。虽然大部分数据卡片能够在Patran中生成，但仍有个别卡片不能够自动生成，需要我们手动使用文本编辑器加以补充。Dytran中包含丰富的材料模式，有些材料定义卡，例如用于定义钣金材料的SHEETMAT，在Patran中还不能直接生成；还有些载荷卡也需要我们手动修改，例如定义刚体强制运动的卡片。
这些卡片在一个分析模型中通常只有几张，因而用文本编辑器手动生成并不费事。相信Patran后续的版本会更好地支持这些卡片。
用Patran生成Dytran的模型数据时，首先根据几何模型（可以将CAD软件产生的文件导入Patran，也可以在Patran中创建），用网格划分功能生成网格，产生节点和单元节点联结关系等数据；然后定义单元物理特性数据、材料数据、约束条件和载荷条件；接下来定义输出请求等情况控制卡以及其他控制参数；最后用Patran中的Analysis操作面板形成输入数据文件，并用文本编辑器补充剩下的个别卡片。
Patran提供了全面、方便、灵活的可满足各种分析精度要求的复杂有限元建模功能。它拥有综合、全面、先进的网格划分技术，为用户提供了多种不同的生成和定义有限元模型的工具，可用于网格生成、有限元模型的编辑处理、单元选定、任意梁截面建模、位移和载荷的定义，以及交互式计算结果的后处理。
Patran中的快速曲面网格生成器的功能包括任意二维曲面网格的生成和缝合；允许用户定义局部或全局单元尺寸；网格自动光顺以确保网格质量；网格的密度控制，包括曲率检查；无曲面的面网格生成；板壳元中性面的自动提取与网格划分；通过先进的算法保证边界和特殊区域的网格形状最优；基于p-单元的分析。自动实体单元网格生成器的功能包括任意三维几何体的四面体网格的生成；强大的网格密度控制功能，包括曲率控制和基于邻近面的网格划分（Proximity-based Meshing）；通过先进的算法保证边界及重要区域网格的形状最优；详尽的四面体网格诊断信息准确定位几何缺陷。映射网格生成器的功能包括多种网格划分选项、均匀或非均匀（包括单方向、双方向及基于曲率的网格划分）控制、网格过渡控制、网格种子控制和用户自定义的网格平滑处理。扫掠网格生成器的功能包括二维和三维单元可从低一阶次的单元扫掠形成，扫掠方法包括圆弧方向、柱面径向、拉伸方向、球面径向、球面周向等。
除了拥有优异的网格划分技术外，Patran还拥有一些独特的网格处理功能，如图1-3所示，方便用户的使用，如网格的优化处理、单元验证试验等，具体包括：自动硬点生成；自动产生高阶单元的边中、面中或中心节点；单元的平移、转动、镜像和比例缩放，以及复制和管理单元；节点和单元的修改与编辑；单元细化；一个几何体对应多种不同网格划分并存在于同一个数据库；节点、单元的编号与控制；有限元单元检查包括壳单元的长宽比、翘曲、扭曲、阶梯性及法向的一致性检查，高阶壳单元的法向和切向的偏置检查等。
在Patran中，结构分析所施加的载荷可直接作用于集中点、边线、平面、柱面或球面、实体等几何模型或有限元模型上。载荷的形式包括力和力矩、压力或面分布力、强制位移、速度、加速度、温度、热通量等，如图1-4所示。
图1-3 Patran中的网格处理功能
图1-4 Patran中载荷的形式
Patran提供了多种计算分析结果交互式可视化后处理工具，如图1-5所示，帮助工程师灵活、快速地理解载荷作用下的复杂行为，如结构变形、温度场、疲劳寿命、流体流动等。输出结果的方式包括半自动、手动等。结果显示选项包括：在单元中心或节点显示、节点结果仅在可见的表面显示、仅显示用户选定的节点和单元的结果。输出的图形格式包括BMP、JPEG、MPEG、PNG、TIFF、VRML等。
图1-5 Patran中的后处理工具
Patran命令语言（Patran Command Language，PCL）是Patran中的一种高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具，与C语言和Fortran语言类似，可用于生成应用程序或特定的用户界面、显示自定义图形、读写Patran数据库、建立新的功能或增强功能。通过PCL，其他商品化或自编分析程序可被集成到Patran系统中。
Dytran 是MSC Software 公司的核心产品之一，特别适用于分析涉及大变形、高度非线性的瞬态事件，以及流体与结构之间的相互作用，典型的应用如下所示。
● 气囊充气分析。
● 安全气囊与乘员的相互作用分析。
● 钣金成型分析。
● 武器的设计与计算，如爆炸碎片的分析。
● 撞击分析。
● 轮胎在积水路面的排水性和动平衡分析。
● 爆炸与冲击分析。
● 高速穿透分析。
● 船舶碰撞分析。
● 水下或空中弹体发射过程的分析。
● 液阻型橡胶隔振器瞬态动力响应分析。
Dytran是一个显式有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）解决方案，用于仿真冲击、碰撞等类型的瞬时事件，并可分析在此类事件期间结构的复杂非线性行为。Dytran能够分析设计的结构完整性，以确保最终产品在满足用户的安全性、可靠性及管理机构的要求等方面处于有利的地位。
Dytran在单一软件包中提供了结构、材料流及流体结构耦合分析功能。Dytran采用了独特的耦合特性，使结构部件与流体、高度变形材料的分析能够集成在同一个连续仿真中。以下是Dytran分析的优点。
● 与Patran完全集成，易于建模。
● 具有领先的材料流动欧拉技术。
● 将纯结构的有限元技术和纯流动的欧拉有限体积技术结合，形成精确、独特的流固耦合技术。
● 强大的结构分析能力：Dytran具备完整的单元类型和大量的材料模型，从金属、复合材料、混凝土到塑料、橡胶和泡沫；采用更新的拉格朗日方法和显式时间积分技术，具备对极度大变形和结构失效问题的分析能力；提供各种定义接触的模式，能够模拟各种复杂边界条件。
● 在Patran的开发环境支持下，易于实现Dytran。
Dytran具有强大的仿真功能，其使用范围涉及CAE的整个领域——结构分析、流体分析与机构分析。该软件集成了来自多种软件的求解器，从理论上讲几乎可以模拟任何力学过程（在硬件资源满足需要的前提下）。
Dytran采用拉格朗日求解器和欧拉求解器对结构和流体进行建模。实体、壳、梁、薄膜、弹簧和刚性单元等可使用拉格朗日求解器进行建模；欧拉求解器可以处理具有剪切强度的材料的流动。Dytran具备完整的一维、二维、三维单元库。
Dytran的材料库中包括线弹性材料、弹塑性材料、刚性材料、橡胶材料、低密度泡沫材料、土壤材料、正交各向异性材料、层合复合材料、率相关材料以及各种屈服准则、失效模式、状态方程、多点爆炸燃烧模型等。
Dytran 采用组合方式可定义上百种材料；通过大量用户子程序接口，可以定义各种材料破坏模式。
Dytran可以处理多个构件相互高速撞击的问题，接触面可以扩大、缩小、考虑摩擦的相对滑动、分离或粘接。
● 面与面接触：分为变形体与变形体接触、变形体与刚性体接触和刚体与刚体接触。
● 点与面接触：分为节点与变形体接触和节点与刚性体接触。
● 单面自身接触。
Dytran分析的精度已被相关的物理实验证实。Dytran可帮助工程师预测样机对各种现实动态事件的反应、分析产品失效的潜在原因。一些行业应用的例子如下所示。
● 航空航天的应用：飞机迫降、燃料箱的晃动与破裂、飞机鸟撞仿真、发动机叶片包容性、飞机耐撞性、座椅设计与安全性、飞机货仓防爆设计。
● 汽车的应用：安全气囊设计（见图1-6）、假人建模与座椅设计、车辆冲击与碰撞试验、轮胎湿路打滑、油箱的晃动与破裂。
图1-6 安全气囊
● 军事与国防的应用：聚能弹仿真与武器设计、弹丸侵彻与目标贯穿、水动力锤击、船舶碰撞、水下冲击爆炸、防爆性与生存能力。
● 其他行业的应用：瓶子与容器设计、纸带设计、跌落试验、运动器材影响分析、包装设计。
借助 Dytran 的创新能力，可以在移动和变形的耦合表面建立自适应网格以及根据多欧拉域的相互作用进行建模，从而对采用其他工具难以或无法仿真的复杂场景进行分析，如下所示。
● 多个对象冲击多层结构。例如，确定多次鸟撞对飞行中的飞机的影响等。
● 出现液体泄漏或渗透的灾难性结构失效。例如，检查车辆是否能够承受可能导致油箱被压碎或漏油的碰撞。
● 封闭箱体内的液体的加注与晃动。例如，设计挡板以优化燃料箱的噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness，NVH）特性。
拉格朗日求解器和欧拉求解器可用于对每个求解器内的结构和流体网格进行建模：可以将每个求解器中的流体结构的相互作用耦合在一起，以分析流体结构相互作用时实体、壳体、梁、膜、弹簧和刚性元素之间的相互作用，从而对结构进行建模；可以用三维欧拉单元建立欧拉网格。拉格朗日求解器和欧拉求解器都能处理具有剪切强度的流体材料。
从工程工作站到超级计算机等应用，Dytran可用于简单单元处理和共享内存并行系统的刚体变形体接触等。
通过持续不断的改进，Dytran 发布的每一个新版本都实现了效率的提升。一些新的技术改进如下所示。
● 利用欧拉求解器的分布式内存并行功能，能够在流固耦合（Fluid-Structure Interaction，FSI）分析中耦合表面计算性能。
● 利用循环对称边界功能，有助于调整涡轮机的仿真模型尺寸、优化旋转结构之间的流动以及解决管流问题。
● 借助不协调网格的联结技术，可将欧拉单元的一侧与其他几个欧拉单元的侧面相连，即将细网格“粘”到粗网格上，实现有效、灵活的建模，特别是对那些只存在局部不均匀的网格；这一功能在FSI分析中有着重要的应用，例如气囊的弹出分析，如图1-7所示。
● 可通过定义最小和最大的网格尺寸之间的偏离比来实现非均匀的欧拉网格的划分，从而以另一种方式实现建模的灵活性。此外，渐变网络和非均匀欧拉网格还可以同时使用，这在进行UNDEX仿真时较为有用。
● 可以根据轴向和径向确定时间步长，加快轴对称网格的建模速度。
● 在军舰和UNDEX的应用中，可以使用静水压力边界。
图1-7 气囊的弹出分析
Dytran 使用显式技术来解决瞬态动力学问题。实体、壳、梁、膜、连接单元及刚性单元均可用于构建结构模型。同时，用户可以将各种材料模型用于非线性响应和失效分析，其中包括线弹性、屈服准则、状态方程、失效及破坏模型、爆炸燃烧模型及复合材料等。接触表面允许在结构部件之间相互作用，或者与刚体相互作用。这些相互作用包括摩擦接触、滑动摩擦效应及分离。单面接触可用于建立结构的压曲模型，此时材料可折叠到自身，如图1-8中的卡车碰撞所示。
图1-8 卡车碰撞
在流固耦合问题的分析中，Dytran独有的“自适应多欧拉区域”技术——欧拉网格随着耦合面的变化自动调整的技术得到扩展，此技术从只支持单一材料发展到支持多种欧拉材料。欧拉材料可以是多种流体或气体材料，亦可以是有刚度但能经受大变形的结构材料。这种自适应网格的技术不仅可以优化计算步长，提高计算速度，还可以提高计算精度。此外，多材料欧拉求解技术让部分场景在鲁棒性和准确性上得到大大改善，如油箱晃动、燃料箱燃料的注入和流出、水下爆炸、模拟水从瓶中倒入杯中的流动过程、容器跌落等。其中，容器跌落如图1-9所示。
图1-9 容器跌落
Dytran中同时提供了欧拉求解器和拉格朗日求解器，不仅能在单一模型中同时对结构和流体建模，还能仿真结构与流体之间的相互作用。流体与结构之间的相互作用是通过在结构上建立一个耦合表面（拉格朗日域）来实现的。
Dytran具有欧拉网格的自适应技术，欧拉网格的数量可随结构的大小自动调整，从而可大量节约耦合计算的时间。Dytran开发了无须进行网格过渡协调而直接将不同密度的网格联结起来的技术，即非均匀网格的Mesh-Box技术，如图1-10所示。采用该技术，可以十分方便地在不同区域采用不同密度的网格，提高了网格的费效比。
Dytran允许采用不均匀的网格对长方体空间进行网格划分，通过定义各方向上的网格划分数量、将最大与最小网格尺寸的比率加以控制，并与分次网格（Graded meshes）结合，可更加方便、灵活、高效地划分出欧拉网格。
Dytran可以直接定义静水压力边界条件，如图1-11所示，以此来对欧拉网格进行压力初始化。这样就改变了以往需要通过施加重力场来模拟初始压力的做法，使建模和分析变得较为简单。这一功能对水下爆炸分析等非常有用。
图1-10 非均匀网格的Mesh-Box技术
图1-11 静水压力边界条件
Dytran含有多种求解方法，如下所示。
● 线性方程组求解：直接法、迭代法、多前沿稀疏法、并行法等。
● 实特征值求解：Lanczos法、增强逆迭代法、Givens法、改进Givens法、Householder法、带Sturm序列检查的逆迭代法等。
● 复特征值求解：Delerminated法、Hessenberg法、新Hessenberg法、逆迭代法、Lanczos法等。
● 非线性方程组求解：牛顿-拉弗森法、修正的牛顿-拉弗森法、有应变修正的牛顿-拉弗森法。
● 矩阵运算优化算法：致密乘致密法、致密乘稀疏法、稀疏乘稀疏法、稀疏乘致密法、稀疏法、三重乘法和并行算法等。
● 矩阵分解方法：对称矩阵的Cholsky法、非对称矩阵的标准法。
● 带宽优化算法：Cuthill-McKee法、Gbbs-Pool-Stk法和混合算法等。优化准则包括波前均方根最小、带宽最小、轮廓最小、波前上限最小等。
