Расчет инженерных сооружений в программном комплексе КАТРАН

Министерство транспорта Российской Федерации 

 

Федеральное автономное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Российский университет транспорта» 

___________________________________________________ 

 

Институт пути, строительства и сооружений 

 

Кафедра 

«Системы автоматизированного проектирования» 

 

И.В.Нестеров, Е.С.Бадьина 

 
 
 
 
 

РАСЧЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ В 

ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ КАТРАН 

 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 

 
 
 
 

Москва – 2020 

Министерство транспорта Российской Федерации 

 

Федеральное автономное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Российский университет транспорта» 

___________________________________________________ 

 

Институт пути, строительства и сооружений 

 

Кафедра 

«Системы автоматизированного проектирования» 

 

И.В.Нестеров, Е.С.Бадьина 

 
 
 

РАСЧЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ В 

ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ КАТРАН 

 

Учебное пособие  

для студентов по направлениям подготовки 09.03.01 
«Информатика и вычислительная техника», профиль 

«Системы автоматизированного проектирования» 

(бакалавриат), 09.04.01 «Информатика и вычислительная 

техника», профиль «Информационные технологии в 

строительстве» (магистратура) 08.03.01 «Строительство» 
(бакалавриат), 08.04.01 «Строительство» (магистратура), 

23.05.06 «Строительство железных дорог, мостов и 

транспортных тоннелей» (специалитет) 

 

Москва – 2020 

 
 

УДК 624  
Н 56 

 

Нестеров И.В., Бадьина Е.С. Расчет инженерных сооружений 

в программном комплексе КАТРАН: Учебное пособие. – М.: РУТ 
(МИИТ). – 98 с. 

 
В учебном пособии изложены основы работы с конечно-

элементным 
расчётным 
комплексом 
КАТРАН. 
Приведены 

необходимые приёмы для создания плоских и пространственных 
конечно-элементных 
моделей 
инженерных 
конструкций 
и 
их 

элементов. Приведены рекомендации по формированию граничных 
условий, вариантов загружений и выводу и оформлению результатов 
расчёта. В пособие включены задачи для студентов по выполнению 
инженерных расчётов, которые предлагается выполнить, используя 
полученные знания по работе в комплексе КАТРАН. Учебное пособие 
содержит материалы для проведения занятий по дисциплинам 
"Моделирование 
механических 
систем" 
и 
"Компьютерное 

моделирование". 

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся 

по направлениям подготовки (специальностям) 09.03.01 «Информатика 
и вычислительная техника», профиль «Системы автоматизированного 
проектирования» 
(бакалавриат), 
09.04.01 
«Информатика 
и 

вычислительная техника», профиль «Информационные технологии в 
строительстве» 
(магистратура) 
08.03.01 
«Строительство» 

(бакалавриат), 08.04.01 «Строительство» (магистратура), 23.05.06 
«Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» 
(специалитет), а также может быть использовано при курсовом и 
дипломном проектировании.             

 

Рецензенты: 

д. т. н., директор Института пути, строительства и сооружений  

профессор Т.В. Шепитько  РУТ (МИИТ) 

 

к. т. н., главный инженер проектов Ю.В. Архипенко 

АО «Моспрект-3» 

 
 

                                                         © РУТ (МИИТ), 2020  

 

В настоящее время на 
рынке программного 

обеспечения 
для 
инженеров 
представлено 
много 

универсальных систем прочностного анализа на базе 
метода конечных элементов [1-3] (SCAD, COSMOS, 
ANSYS, ADINA и т.п.).    Излишняя универсальность этих 
систем не всегда позволяет инженеру-проектировщику 
использовать их для расчётов на прочность узкого класса 
конструкций, проектирование которых, как правило, 
выполняется в специализированных отделах проектных 
организаций.  Больше всего времени при прочностном 
анализе различных сооружений тратится на формирование 
расчётной 
схемы 
конструкции. 
Препроцессоры 

универсальных систем прочностного анализа значительно 
уступают при геометрическом моделировании инженерным 
CAD-системам (AutoCAD, SolidWorks, T-FlexCAD и др.). 
Разработчики   систем прочностного анализа это признают 
и включают в свои графические препроцессоры модули 
импорта графической информации из инженерных CAD-
систем. Но в этом случае в графический препроцессор 
попадает только геометрия конструкции без   нагрузок, 
закреплений и характеристик материала. При сложной 
конфигурации расчётной схемы формировать нагрузки, 
закрепления и работать с характеристиками материалов 
удобнее в среде инженерной CAD-системы. На кафедре 
"Системы 
автоматизированного 
проектирования" 

Российского университета транспорта (МИИТ) разработан 
и 
апробирован 
прочностной 
комплекс 
КАТРАН, 

функционирующий в среде популярного графического 
редактора AutoCAD [4-5].  Система AutoCAD хорошо 
знакома инженерам-строителям, поэтому освоение этого 
программного комплекса не вызовет затруднений   у 
пользователей этой программы. 
 

Оглавление 
1. 
Общие замечания по эксплуатации прочностного 

комплекса катран .................................................................... 6 
2. 
Формирование 
конечно-элементной 
модели 

конструкции ............................................................................. 7 
2.1. 
Начало работы с системой катран ............................. 7 

2.2. 
Графическое представление элементов расчетной 

схемы конструкции ................................................................. 8 
2.3. 
Геометрические утилиты системы катран .............. 12 

2.3.1. Рисование стержневых элементов ........................... 12 
2.3.2. Редактирование стержневых элементов ................. 13 
2.3.3. Простое рисование пластинчатых элементов......... 16 
2.3.4. Формирование  ортогональных сеток ..................... 16 
2.3.5. Формирование цилиндрических конструкций ....... 18 
2.3.6. Редактирование 
пластинчатых 
конечных 

элементов………………….. ................................................. 20 
2.3.7. Команда нов. Высота ................................................ 21 
2.3.8. Команда 3d-пополам ................................................. 22 
2.3.9. Утилиты рисования точек ........................................ 24 
3. 
Ввод 
и 
редактирование 
физических 
и 

геометрических характеристик конечных элементов ....... 27 
3.1. 
Ввод новых   физических и геометрических 

характеристик конечных элементов…….. .......................... 27 
3.2. 
Редактирование   физических и геометрических 

характеристик  конечных элементов ................................... 31 
4. 
Формирование 
граничных 
закреплений 

конструкции. .......................................................................... 34 
5. 
Задание нагрузок ....................................................... 38 

5.1. 
Задание сосредоточенных нагрузок ........................ 38 

5.2. 
Ввод распределенных нагрузок ............................... 40 

6. 
Сервисные функции системы катран ...................... 44 

6.1. 
Функции 
группового 
замораживания-

размораживания 
слоев 
и 
стирания 
графических 

примитивов………… ............................................................ 44 

6.2. 
Получение информации об узловых нагрузках ..... 47 

6.3. 
Выборочный просмотр элементов расчетной схемы и 

результатов расчета……….. ................................................ 48 
7. 
Расчет конструкции ................................................... 50 

8. 
Графический вывод результатов расчета................ 52 

8.1. 
Формирование общего заказа на графический 

вывод…………….. ................................................................ 52 
8.2. 
Формирование 
заказа 
на 
графический 
вывод 

расчетной схемы ……………………………………………54 
8.3. 
Формирование 
заказа 
на 
графический 
вывод 

номеров узлов……….. .......................................................... 57 
8.4. 
Формирование 
заказа 
на 
графический 
вывод 

деформированной схемы………….. .................................... 58 
8.5. 
Формирование   заказа на графический вывод эпюр 

внутренних усилий в стержнях и оформление чертежа эпюр 
внутренних усилий ............................................................... 60 
9. 
Пример расчёта балки на двух опорах в расчётном 

комплексе катран .................................................................. 65 
10. 
Задачи для решения в расчётном комплексе 

катран ………………………………………………86 
10.1. Прочностной 
анализ 
статически 
определимой 

системы……………………………………………………...86 
10.2. Регулирование прогиба изгибаемой балки ............. 87 
10.3. Сравнение  стержневых и пластинчатых моделей 
мкэ……………………….. .................................................... 90 
10.4. Прочностной 
анализ 
плоской 
статически-

неопределимой рамы ............................................................ 91 
10.5. Cтатический 
расчет 
пластинчато-стержневой 

пространственной системы……… ...................................... 93 
10.6. Cтатический расчет арочного моста ....................... 95 
Литература ............................................................................. 97 
  

 

1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ 

ПРОЧНОСТНОГО КОМПЛЕКСА КАТРАН 

 

Система 
прочностного 
анализа 
КАТРАН 

предназначена для прочностного   анализа пластинчато-
стержневых конструкций в среде графического процессора 
AutoCAD [4,5]. 

Для 
полноценной 
эксплуатации 
программного 

комплекса 
КАТРАН 
инженеру-проектировщику 

необходимо 
обладать 
навыками 
работы 
в 
системе 

AutoCAD. 

Выполняемые 
модули 
системы 
КАТРАН 

реализованы на языках С и AutoLISP [6,7].  Сервисная часть 
системы 
написана 
на 
языке 
AutoLISP, 
поэтому 

квалифицированный пользователь может самостоятельно 
настраивать 
систему 
на 
решение 
нестандартных 

прикладных задач. 

Требования к аппаратному обеспечению диктуются 

системными 
требованиями 
графического 
редактора 

AutoCAD. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ФОРМИРОВАНИЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ 

МОДЕЛИ КОНСТРУКЦИИ 

 

2.1. 
НАЧАЛО РАБОТЫ С СИСТЕМОЙ КАТРАН 

 

Система КАТРАН представляет собой подключаемый 
модуль для системы автоматизированного проектирования 
и черчения AutoCAD, поэтому работа с комплексом 
КАТРАН начинается с запуска AutoCADa.  После 
установки КАТРАНА его пункты меню появляются в 
строке меню AutoCADa (рис. 2.1)      

Рис. 2.1. Меню AutoCADа, расширенное под систему 

КАТРАН 

 

При выборе пункта КАТРАН строки меню на экране 

появится базовый набор функций КАТРАНа (рис. 2.2), 
необходимых 
для 
выполнения 
конечно-элементного 

анализа конструкций. 
 

 

Рис.  2.2. Падающее меню, содержащее базовые функции 

КАТРАНа 

 

Начинать формирование геометрии конструкции 

можно, используя стандартные графические средства 
AutoCADa, но с учетом ограничений на типы графических 
примитивов для системы КАТРАН (см. п 2.2). При 
необходимости, 
можно 
использовать 
геометрические 

утилиты КАТРАНа из пункта «Конструкция» и зоны 
экранного меню. В целом последовательность сборки 
конструкции, выполнения расчета и просмотра результатов 
конечно-элементного анализа отображена в наборе команд 
падающего меню КАТРАН - сверху вниз. 

  

2.2. 
ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ 

РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ КОНСТРУКЦИИ 

 

Для формирования геометрии конструкции и 

редактирования конечно-элементной схемы пользователь 
может использовать весь базовый набор команд системы 
AutoCAD, а также дополнительный набор геометрических 
функций системы КАТРАН. 

Каждому элементу расчетной схемы конструкции 

соответствует определенный    тип     графического 
примитива системы AutoCAD (таблица 2.2.1.). 

 

Таблица 2.2.1.  Графическое представление элементов 

расчетной схемы системы КАТРАН  

Составляющие 
расчетной схемы

Графический 

примитив

Способ 

формирова

ния 

графическо

го 

примитива

Нежелательны

е команды 

редактировани

я

Тип КЭ - 10
Четырехугольная 
пластина с 5
степенями свободы 
в узле (Рис.  2.3)

3D-ГРАНЬ
Команда 
AutoCADa:
- 3DГРАНЬ
-
РАСЧЛЕН
ИТЬ 
-
Геометричес
кие утилиты 
КАТРАНА

Изменять слой
с 
помощью 

команды 
ИЗМЕНИТЬ
после 
ввода 

физических 
и 

геометрических 
характеристик 
КЭ

3D-СЕТЬ
Команда 
AutoCADa:
-3DСЕТЬ
-Набор 
функций   
пункта меню 
Поверхности
из 
раздела 

Рисование

Тип КЭ - 3
Пространственный 
изгибный стержень 
с 6 степенями 
свободы в узле            
(Рис.  2.4)

ОТРЕЗОК
Применяется 
для 
графического 
представления  
плоского 
стержня с 
плоскостью 

Команда 
AutoCADa:
-ОТРЕЗОК
-
РАСЧЛЕН
ИТЬ
-
Геометричес

Изменять слой
с помощью 
команды 
ИЗМЕНИТЬ
после ввода 
физических и 
геометрических 

ориентации 
XY

кие утилиты 
КАТРАНа

характеристик 
КЭ

3D-LINE
Применяется 
для 
графического 
представления  
пространствен
ного стержня 
с 
произвольной 
плоскостью 
ориентации 

Только 
команда                
КАТРАНа 
3D-LINE

- Изменять слой
с помощью 
команды    
ИЗМЕНИТЬ
после ввода 
физических и 
геометрических 
характеристик 
KЭ
- Применять 
команду 
РАСЧЛЕНИТЬ

Сосредоточенная 
сила (Рис. 2.5.а) 

ВСТАВИТЬ
точка вставки 
блока

Только c  
помощью 
специальног
о набора 
команд  
КАТРАНа

Сосредоточенный 
момент  
(Рис. 2.5.b)
Связь
(Рис. 2.5.c )
Точка
ТОЧКА
Команда 
AutoCADa :
- ТОЧКА
-
Геометричес
кие утилиты 
КАТРАНа 
для работы с 
точками

Рис. 2.3. Пластинчатый конечный элемент ( Тип - 10)   

 

 

Рис. 2.4. Пространственный стержень ( Тип - 3) 

 

Локальная плоскость XY

Узел ориентации