NXNastran超单元用户指南.docx

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NXNastran超单元用户指南

Nastran超单元详细用户指南

第1章介绍和基础

■为什么使用超单元?

*减少费用

*快速获得结果

*降低风险

*解决大问题的能力

*分开输入和输出

*安全

■超单元分析基础

■分区求解

■用小例子说明静力分析中的超单元用法

*超单元分析

*超单元1

*超单元2

*残余结构

第2章如何定义超单元

■使用分区模型数据定义超单元（PARTs）

*定义PARTs

*使用PARTs的模型数据段

*使用PARTs时的输入文件格式

*将PARTs自动连接到模型的其它组件

*连接点上的约束

*手工定义一个PART的外部点

*移动和/或转动PARTs

■在主模型数据段定义超单元

*超单元定义

*内部点和外部点

*模型数据分区

*模型数据分区的例子

*超单元MAP-SEMAP

第3章单级超单元分析

■介绍

■单级超单元的简单输入

*采用主模型数据超单元的单级分析

*单级分析的例子

*快速回顾

*存在PARTs时的单级分析

第4章静力分析中的载荷、约束和情况控制

■介绍

■静力分析中的载荷

*主模型数据中载荷数据的例子

*超单元中的热载荷

■边界条件

*超单元中的单点约束

*多点约束（MPCs）和R-类单元

■超单元中的情况控制

*SUPER命令–情况控制分区

*常规的情况控制

*压缩的情况控制

*超单元情况控制

*一种载荷条件–扩充的情况控制

*情况控制节的参数

第5章使用超单元的惯性释放分析

■介绍

■惯性释放的概念

■使用超单元时的惯性释放的界面

■使用超单元的惯性释放的例子

*由inrel2.f06选择输出

第6章多个载荷的静力分析

■介绍

■如何对情况控制进行内部分区和使用

■多个载荷情况的例子

第7章多级超单元分析

■多级分析的概念

■单级与多级分析比较

*单级分析

■多级超单元的用户界面

*当模型只使用主模型数据时的多级处理

*处理树的自动创建

*对于只使用主模型数据的模型手工定义处理树

*当模型使用PARTs时的多级处理

■例：

多级问题手工求解

■多级超单元的例子

*输入文件multi1.dat-只用主模型数据的多级超单元

*输入文件multi2.dat–使用PARTs的多级超单元

第8章超单元静力分析的输出

■对PARTs的分类模型结果

■对于PARTs的边界点搜索输出

■超单元定义表

第9章动力分析中的超单元

■动力减缩过程的说明

■用于超单元的减缩方法

*静力凝聚（Guyan减缩）

*动力减缩

*固定边界动力减缩

*对超单元2的数据恢复演示

*对超单元1重复同一过程

*自由–自由动力减缩

*混合边界动力减缩

*在C-和/或R-集中有外部自由度时的CMS

第10章动力减缩的输入和输出

■动力减缩的情况控制

*对于动力减缩的情况控制

■单级动力减缩

*用于主模型数据超单元的单级动力减缩模型数据

*主模型数据超单元的单级动力减缩的例子

*文件cantbeam.dat-本例的输入模型

*文件seg10_a.dat–超单元的静力减缩

*文件seg10_b1.dat–超单元的固定边界CMS

*文件seg10-c1-超单元的自由–自由CMS

*文件seg10_d1.dat–混合边界CMS

*对于使用PARTs的单级动力减缩的模型数据项

*对于使用PARTs的单级动力减缩的例子

*文件cantp1.dat-对于PART1的模型数据

*文件cantp2.dat-对于PART2的模型数据

*文件seg10p_a.dat–使用PARTs的静力减缩

*文件seg10p_b1.dat-使用PARTs的固定边界

*文件seg10p_c1.dat-使用PARTs的自由–自由CMS

*文件seg10p_d1.dat-使用PARTs的混合边界CMS

■多级动力减缩

*对于多级动力减缩的模型数据项

*对于没有PARTs的模型的多级动力减缩

*存在PART超单元时的多级动力减缩的模型数据项

*使用PARTs的多级CMS的例子

第11章超单元上的动力载荷

■如何定义超单元上的动力载荷

*用LOADSET–LSEQ定义超单元上的动力载荷

*超单元动力载荷的演示例

附录A

参考资料■参考资料

索引■NXNastran超单元用户指南

第一章介绍和基础

■为什么使用超单元?

■超单元分析基础

■分区求解

■静力分析中使用超单元的小例子

■示例问题

在有限元分析中，对计算机资源的要求总是超过它的现存能力。

在计算机发展早期，工程师用手工求解3×3的问题，计算机可以处理11×11的问题。

当工程师发现计算机的这一能力时，工程问题的大小马上增加到超过这一能力。

这一过程随着时间而不断重复。

现在计算机已经能够求解具有百万未知数的百万个方程，但仍不能满足许多工程的需要。

硬件资源的这一限制，以及经费的限制（大的计算可能是费时又昂贵的），制约了工程师求解大的、复杂问题的要求。

解决硬件和经费问题的一个有效办法是使用NXNastran中的超单元。

通过使用超单元，不仅可以分析大模型（包括超过你的硬件能力的模型），而且可以是分析更有效率，允许在分析中进行多次设计循环和迭代。

用于超单元分析的原理通常称为子结构。

即：

模型被分为一系列部件（超单元），分别单独处理各超单元以得到一组减缩矩阵，代表从结构的其余部分看到的超单元的行为。

将各超单元的这些减缩矩阵组合到一起形成一个装配（或残余结构）解。

然后用装配解的结果对各超单元进行数据恢复（计算位移、应力等）。

在静力分析中，用于超单元分析的理论是精确的。

在动力分析中，刚度矩阵的减缩是精确的，而质量矩阵和阻尼矩阵的减缩是近似的。

这一近似可以用一种被称为部件模态综合的方法来改善，它在第9章“超单元动力分析”中介绍。

本用户指南的目的是作为一本教程。

即，重点是如何使用超单元，而不是超单元的理论。

对于想要了解超单元操作过程的用户提供了足够的理论知识。

包含了手工求解的例子以帮助用户了解使用超单元时的操作过程。

为了清楚，在合适的地方页提供了示例的NXNastran输入文件和输出选择。

本用户指南的安排，对一个有经验的有限元分析者可以从头开始并只阅读与有关分析有关的信息。

首先提供超单元的全面信息，然后是静力分析的信息，再是动力学和其它特性。

推荐用户从头开始阅读这本指南，因为在静力部分提供的信息在后续部分将会用到（类似与工程本身）；但是，工程师也可以只阅读需要的部分，而不管不需要的信息。

1.1为什么使用超单元?

效率是使用超单元的主要理由。

一个有限元模型很少只分析一次。

通常，模型要一次次的修改和分析。

不使用超单元，每次分析都要求解整个模型，导致在短时间内耗费大量的经费。

以下是超单元的优点的列表：

减小费用

代替每次求解整个模型，超单元的优点随着处理次数的增加而提高。

在重启动时，由于只需要处理受到修改影响的部分结构，这一优点变得明显。

这意味着，如果用户事先想到了定义超单元，可能使执行效率比不使用超单元时快2到30倍（甚至更多）。

采用分区数据库可以控制硬盘的使用并减少单个运行所需的计算机资源，而不会牺牲结果的精度。

加快计算速度

因为处理单个超单元对计算机资源的需求比不使用超单元的整个模型要少，因此可以使用快速序列提交各超单元的处理（或者甚至在不同的计算机上处理），而不是通宵等待整个问题的一次性求解。

减小风险

处理一个不使用超单元的模型，是一种要么全有要么全无的做法。

如果出现错误，必须在改正错误后重新处理整个模型。

在使用超单元时，每个超单元只需处理一次，除非需要修改超单元以重新处理。

如果在处理中发生错误，只有受影响的超单元和残余结构（最后处理的超单元）需要重新处理。

无错误的超单元不需要重新处理，除非对该超单元进行修改。

求解大问题的能力

所有的计算机硬件都是有限的。

NXNastran的设计使问题的尺寸不受程序的限制。

这就意味着用户所遇到的限制仅源于可用的硬盘空间或内存。

但模型的尺寸变得过大，不使用超单元就无法处理时，用户可以对增加的处理使用分区数据库，并将数据恢复时才需要的数据库信息拷贝到磁带上。

这一处理可以释放文件空间，减小硬盘的使用和储存费用。

例如，用户要求解一个包含20万自由度（DOF）的问题，而计算机的硬盘空间是有限的（如不使用超单元，只能处理1.5万自由度），则需要将大模型划分为超单元。

分区输入和输出

由于超单元可以分别处理，可以对结构的零件分组建立分析模型，并进行检查和装配分析，而不需其它组的信息。

一个极好的例子是空间站，它的结构由许多承包商分担。

每一个承包商对其自己的部件建模，然后将整个或减缩的模型发送给系统集成者，系统集成者对这些模型进行装配以代表多种可能的配置，对每一种配置进行分析，将结果返回给各个承包商供它们使用。

在超单元分析的分区输出方式顾及了分段数据恢复，即可以只对结构种需要的部分进行数据恢复。

同样，在将结构划分为多个组的情况，用户可以利用分区输出方式选择每个组中需要恢复的数据。

安全性

许多公司进行私人或保密的项目。

包括为了竞争而开发的新设计，到高度机密的国防项目。

即使在安全程序下工作，有时也需要发送模型给合作者，以便他们进行部件的耦合分析。

使用外部超单元允许用户发送减缩后的边界矩阵，其中不包含实际部件的几何信息，只有从边界上看到的质量、刚度、阻尼和载荷。

在收到一组可以由NXNastran读出的任意格式的减缩矩阵后，工程师可以用这些矩阵定义一个外部超单元，并将外来结构附加到自己的模型上。

1.2超单元分析基础

超单元可以看作一种子结构。

即，一个模型可以由用户划分为超单元，NXNastran将独立于其它超单元，分别处理每个超单元。

每个超单元的处理都形成一组减缩矩阵（质量、阻尼、刚度和载荷），代表从相连的邻近结构所看到的超单元的特性。

当所有超单元都被处理之后，这些减缩矩阵被装配到所谓残余结构中，并对其进行求解。

然后使用与超单元的初始减缩类似的转换过程，对每个超单元扩展（它在残余结构上的）附着点的数据，进行数据恢复

超单元可以由物理数据组成（单元和节点），以也可以定义为其它超单元的映象或外部超单元（一组外来矩阵，附加到模型上）。

下图举例说明了超单元的类型。

在图1-1中，显示了一个齿轮的一部分。

一个齿的物理模型可以作为一个超单元。

这一类超单元可以称为原始超单元－该超单元的实际几何在模型数据（bulkdata）中定义。

图1-1中，齿轮的另一个齿是第一个（原始）齿的映象。

对于NXNastran，映象超单元是用其它超单元的几何来描述。

这种映象超单元可以节省处理时间，因为它们可以使用原始超单元的刚度、质量和阻尼矩阵，从而减少了所需的计算量。

对映象超单元可以进行完全的数据恢复。

映象超单元可以与原始超单元相同的（如图1-1所示）或原始超单元的镜像（如图1-2所示）。

在图1-2中，板的右侧是原始超单元的镜像拷贝。

需要注意：

映象可以有自己的独立载荷。

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