有限元软件MSCNASTRAN讲解.docx

1、有限元软件MSCNASTRAN讲解MSC.NASTRAN 目录 1 简介 2 MSC.Nastran 的开发历史 3 MSC.NASTRAN 的优势3.1极高的软件可靠性3.2优秀的软件品质3.3作为工业标准的输入 /输出格式3.4强大的软件功能3.5高度灵活的开放式结构3.6无限的解题能力4NASTRAN 动力学分析功能4.1NASTRAN 动力学分析简介4.2正则模态分析4.3复特征值分析4.4瞬态响应分析 （ 时间 -历程分析 ）4.5随机振动分析4.6响应谱分析4.7频率响应分析4.8声学分析5NASTRAN 的非线性分析功能5.1NASTRAN 非线性分析简介5.2几何非线性分析5.

2、3材料非线性分析5.4非线性边界 （接触问题 ）5.5非线性瞬态分析5.6非线性单元6NASTRAN 的热传导分析6.1NASTRAN 热传导分析简介6.2线性 /非线性稳态热传导分析6.3线性 /非线性瞬态热传导分析6.4相变分析6.5热控分析6.6空气动力弹性及颤振分析6.7流 -固耦合分析6.8多级超单元分析6.9高级对称分析7设计灵敏度及优化分析 7.1NASTRAN 的拓扑优化简介7.2设计灵敏度分析7.3设计优化分析7.4拓扑优化分析8复合材料分析9P-单元及 H、P、H-P自适应10NASTRAN 的高级求解方法11NASTRAN 的单元库12用户化开发工具 DMAP 语言1简介

3、2MSC.Nastran 的开发历史3MSC.NASTRAN 的优势3.1极高的软件可靠性3.2优秀的软件品质3.3作为工业标准的输入 /输出格式3.4强大的软件功能3.5高度灵活的开放式结构3.6无限的解题能力4NASTRAN 动力学分析功能4.1NASTRAN 动力学分析简介4.2正则模态分析4.3复特征值分析4.4瞬态响应分析 （ 时间 -历程分析 ）4.5随机振动分析4.6响应谱分析4.7频率响应分析4.8声学分析5NASTRAN 的非线性分析功能5.1NASTRAN 非线性分析简介5.2几何非线性分析5.3材料非线性分析5.4非线性边界 （接触问题 ）5.5非线性瞬态分析5.6非线性

4、单元6NASTRAN 的热传导分析6.1NASTRAN 热传导分析简介6.2线性 /非线性稳态热传导分析6.3线性 /非线性瞬态热传导分析6.4相变分析6.5热控分析6.6空气动力弹性及颤振分析6.7流 -固耦合分析6.8多级超单元分析6.9高级对称分析7设计灵敏度及优化分析7.1NASTRAN 的拓扑优化简介7.2设计灵敏度分析7.3设计优化分析7.4拓扑优化分析8复合材料分析9P-单元及 H、P、H-P自适应10NASTRAN的高级求解方法11NASTRAN的单元库12用户化开发工具DMAP语言 展开G3编辑本段1简介NASTRAN是在1966年美国国家航空航天局 (NASA)为了满足当时

5、航空航天工业对结构 分析的迫切需求主持开发大型应用有限元程序。编辑本段2 MSC.Nastran的开发历史MSC公司自1963年开始从事计算机辅助工程领域 CAE产品的开发和研究。MSC参与 了整个NASTRAN的开发过程。1969年NASA推出了其第一个 NASTRAN版本，即我们所 知的 NASTRAN Level 12 。1973 年 2 月，NASTRAN Level 15。5 发布的同时,MSC 公司被 指定为NASTRAN的特邀维护商。1971年MSC公司对原始的NASTRAN做了大量改进，采用了新的单元库、增强了程序 的功能、改进了用户界面、提高了运算精度和效率。特别对矩阵运算方

6、法做重大改进 ，即而推出了自 己的专利版本： MSC.NASTRAN。1989年对 MSC公司来说是具有里程碑意义的一年，发布了经革命性改良的 MSC.NASTRAN 66版本。该版本包含了新的执行系统、高效的数据库管理、自动重启动 及更易理解的DMAP开发手段等新特点，同溶入许多当今世界上 FEM领域最杰出的研究成果，使MSC.NASTRAN 变得 更加通用、更加易于使用。 这一年MSC公司还推出了自行开发的用于MSC各个产品的先进的前后 处理程序MSC/XL。1991年底 MSC公司与在 CAD领域颇具影响的 ARIES公司(Aries Technology Corp.)达 成协议将CAD

7、技术引入MSC.NASTRAN V67.5及相应产品。 1993年收购了 Aries公司之 后，全新的MSC. Aries前后处理器使 MSC.NASTRAN 及其它产品又向领导 CAE自动化迈 进了一大步。如同1989年一样,1994年对于 MSC公司及 MSC.NASTRAN 产品而言又是一个非凡和 具有历史意义的一年。经重大改进后发布的 MSC.NASTRANV68版无论是在优化设计、热分析、非线性还是在单元、单元库、 数值计算方法及整体性能水平方面均较以往任何一个版本有了很大提高。 MSC公司与PDAEngineering公司的合并成功使以 MSC.NASTRAN为核心的 MSC 产品

8、线更加全面，如：MSC.MVISION、MSC.PATRAN、含 THERMAL、FEA、 FATIGUE、ADVANCED FEA 等,同时也标志着 CAE领域新时代的开始。继 1995 年的 MSC.NASTRAN V68.2 版,1996 年的 MSC.NATRAN V69 版，1997 年发布的 MSC.NASTRAN V70 版之后，当前最新版本为 MSC.NASTRAN V70.5,其继续向 CAE仿真工 具的高度自动化和智能化方向发展 ，同时在非线性、梁单元库、 h-p单元混合自适应、优化设计、数值方法及整体性能水平方面又有了很大改进和增强。通过对世界最著名的非线性结构有限元分析

9、厂商 MARC公司的收购，使MSC公司形成了从MSC.NASTRAN到MSC.MARC全方位、功能强大、面向不同用户群的有限元分析仿 真体系。此外，MSC.PATRAN、 MSC.NASTRAN 等 PC-NT 版的发布，及以 MSC.NASTRAN for Windows、MSC.Working Model等为代表的PC中低端产品线的不断扩大 ，将进一步满足日 益增长的PC微机用户需求。编辑本段3 MSC.NASTRAN 的优势3.1极高的软件可靠性MSC.NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件 ，有着36年的开发和改进历 史 , 并通过 50,000 多个最终用户的长期工程应

10、用的验证。 MSC.NASTRAN 的整个研制及测试过程 是在 MSC 公司的 QA 部门、美国国防部、国家宇航局、 联邦航空管理委员会 (FAA) 及核能委员会 等有关机构的严格控制下完成的 ,每一版的发行都要经过 4 个级别、 5,000 个 以上测试题目的检验。3.2优秀的软件品质MSC.NASTRAN 的计算结果与其它质量规范相比已成为最高质量标准 , 得到有限元界 的一 致公认。 通过无数考题和大量工程实践的比较 ,众多重视产品质量的大公司和工业行业都用 MSC .NASTRAN 的计算结果作为标准代替其它质量规范。3.3作为工业标准的输入 /输出格式MSC.NASTRAN 被人们如

11、此推崇而广泛应用使其输入输出格式及计算结果成为当今CAE 工业标准 ,几乎所有的 CAD/CAM 系统都竞相开发了其与 MSC.NASTRAN 的直接接口 , MSC.NAS TRAN 的计算结果通常被视为评估其它有限元分析软件精度的参照标准 ,同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。3.4强大的软件功能MSC.NASTRAN 不但容易使用而且具有十分强大的软件功能。 通过不断地完善 , 如增 加新的 单元类型和分析功能、提供更先进的用户界面和数据管理手段、进一步提高解题精 度和矩阵运算效益等等 ,使 MSC 公司以每年推出一个小版本、 每两年推出一个大版本的速 度为用户提供

12、MSC 新产品。3.5高度灵活的开放式结构MSC.NASTRAN 全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵 活性 , 用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系 统。此外 , MSC .NASTRAN 的全开放式系统还为用户提供了其它同类程序所无法比拟开发 工具 DMAP 语言。3.6无限的解题能力MSC.NASTRAN 对于解题的自由度数、带宽或波前没有任何限制，其不但适用于中小型项 目对于处理大型工程问题也同样非常有效 , 并已得到了世人的公认。 MSC.NASTRAN 已成功地解 决了超过 5,000,000 自由度以上的实际问题。编辑本

13、段 4 NASTRAN 动力学分析功能4.1NASTRAN 动力学分析简介MSC.NASTRAN 的主要动力学分析功能如：特征模态分析、 直接复特征值分析、 直 接瞬态响 应分析、 模态瞬态响应分析、 响应谱分析、 模态复特征值分析、 直接频率响 应分析、模态频率响应分析、 非线性瞬态分析、 模态综合、 动力灵敏度分析等。4.2正则模态分析用于求解结构的自然频率和相应的振动模态 ,计算广义质量 , 正则化模态节点位移 ,约束力和 正则化的单元力及应力 , 并可同时考虑刚体模态。 具体包括 :a). 线性模态分析又称实特征值分析。 实特征值缩减法包括 : Lanczos 法、 增强逆迭代 法、

14、Givens 法、 改进 Givens 法、 Householder 法、 并可进行 Givens 和改进 Givens 法自 动选择、带 Sturm 序列检查的逆迭代法 , 所有的特征值解法均适用于无约束模型。b). 考虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析 , 或称预应力状态下的模态分析。4.3复特征值分析 复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型 , 分析过程与实特征值分析 类似。 此外 NASTRAN 的复特征值计算还可考虑阻尼、 质量及刚度矩阵的非对称性。 复特征值抽 取方法包括直接复特征值抽取和模态复特征值抽取两种 :a). 直接复特征值分析通过复特征值抽取可求得含有粘性

15、阻尼和结构阻尼的结构自然频率和模态 ,给出正则化的 复特征矢量和节点的约束力 , 及复单元内力和单元应力。主要算法包括 elerminated 法、 Hossen-bery 法、 新 Hossenbery、 逆迭代法、 复 Lanczos 法 ,适用于集中质量和分布质量、 对称与反对称结构 ,并可利用 DMAP 工具检查与测试分析的相关性。MSC.NASTRAN V70.5 版中 Lanczos 算法在特征向量正交化速度上得到了进一步提高 , 尤其是在求解百个以上的特征值时 , 速度较以往提高了 30%。b). 模态复特征值分析此分析与直接复特征值分析有相同的功能。 本分析先忽略阻尼进行实特征

16、值分析 , 得 到模态 向量。 然后采用广义模态坐标 ,求出广义质量矩阵和广义刚度矩阵 , 再计算出广义阻 尼矩阵 , 形成 模态坐标下的结构控制方程 , 求出复特征值。 模态复特征值分析得到输出类 型与用直接复特征值 分析的得到输出类型相同。4.4瞬态响应分析 ( 时间 -历程分析 ) 瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应， 分为 直接瞬 态响 应分析和模态瞬态响应分析。 两种方法均可考虑刚体位移作用。(a). 直接瞬态响应分析 该分析给出一个结构对随时间变化的载荷的响应。 结构可以同时具有粘性阻尼和结构 阻尼。 该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方

17、程进行数值积分 ,直接瞬态响应分 析求出随时间变化的位移、 速度、 加速度和约束力以及单元应力。(b). 模态瞬态响应分析在此分析中 , 直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换 , 对问题的规模 进行 压缩。 再对压缩了的方程进行数值积分从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输 出结果。4.5随机振动分析 该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。对于例如地震波 ,海洋波 ,飞 机或超过层建筑物的气压波动 , 以及火箭和喷气发动机的噪音激励 , 通常人们只能得 到按概率分 布的函数 , 如功率谱密度 (PSD) 函数 , 激励的大小在任何时刻都不能明确给出 , 在这种

18、载荷作用下 结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。 MSC.NASTRAN 中的 PSD 可输入自身或交叉谱密度 , 分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。 计算出响应功率谱密度、自相关 函数及响应的 RMS 值等。 计算过程中 , MSC.NASTRAN 不仅可以象其它有限元分析那样利用已知 谱 , 而且还可自行生成用户所需的谱。4.6响应谱分析响应谱分析 (有时称为冲击谱分析 ) 提供了一个有别于瞬态响应的分析功能 ,在分析中结 构的 激励用各个小的分量来表示 , 结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大 响应的组合。4.7频率响应分析 频率响应分析主要用于计算

19、结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。 计 算结 果分实部和虚部两部分。 实部代表响应的幅度 , 虚部代表响应的相角。(a).直接频率响应分析直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程 , 得出各频率对于外载荷的响应。 该 类分析 在频域中主要求解二类问题。 第一类问题是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱 的作用下的 响应。 结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼 , 分析得到复位移、 速度、 加速度、 约束力、 单元力和单元应力。 这些量可以进行正则化以获得传递函数。第二类问题是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。 此载荷由它的互功率谱密度所 定义。 而结构载荷由上面所提到的传递函数

20、来表征。 分析得出位移。 加速度。 约束 力或单元应力的自相关系数。 该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。（b） 模态频率响应模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的二类问题与直接频率响应分析解决 相同 的问题。 结构矩阵用忽咯阻尼的实特征值分析进行了压缩 , 然后用模态坐标建立广义 刚度和质量 矩阵。 该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。MSC.NASTRAN V70.5 版中增加了模态扩张法 （残余矢量法 ）来估算高阶模态的作用 ,以 确保参加计算的频率数足以使模态法的响应分析的计算精度显著提高。 同时在 V70.5 版中还 采用了新的矩阵乘法运算方法 ,

21、 使模态法的频率响应分析计算速度比以往提高 50%。4.8声学分析MSC.NASTRAN 中提供了完全的流体 -结构耦合分析功能。 这一理论主要应用在声学及噪音 控制领域 , 例如车辆或飞机客舱的内噪音的预测分析。 进一步内容见后 流 -固耦合 分析 一节中 的相关部分。编辑本段 5 NASTRAN 的非线性分析功能5.1NASTRAN 非线性分析简介正如我们所知 ,很多结构响应与所受的外载荷并不成比例。 由于材料的非线性 ,这时结构可能 会产生大的位移。 大转动或两个甚至更多的零件在载荷作用下时而接触时而分离。 要 想更精确地 仿真实际 问题,就必须 考虑材料和几 何、边界 和单元等非线 性

22、因素。 MSC.NASTRAN 强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品、减少额外投资提供了 一个十分有用的工具。以往基于线性的结构分析因过于保守而不能赢得当今国际市场的激烈竞争。 很多材料在 达 到初始屈服极限时往往还有很大潜力可挖 , 通过非线性分析工程师可充分利用材料的塑性和韧性。 薄壳结构或橡胶一类超弹性体零件在小变形时受到小阻力 ,当变形增加时阻力也 会随之增大 , 所有这些如果用线性分析就不能得到有效的结果。 类似地 , 非线性分析还可解 决蠕变问题 ,这点对于高聚合塑性和高温环境下的结构件尤为有用。 接触分析也是非线性分析一个很重要的应用方面 , 如轮胎与道路的接触、 齿轮、

23、 垫片或衬套等都要用到接触分析。5.2几何非线性分析几何非线性分析研究结构在载荷作用下几何模型发生改变、 如何改变、 几何改变的大小。所 有这些均取决于结构受载时的刚性或柔性。 非稳定段过度、回弹 , 后屈曲分析的研究都 属于几何 非线性的应用。在几何非线性分析中 , 应变位移关系是非线性的 ,这意味着结构本身会产生大位移或大 的转 动 , 而单元中的应变却可大可小。 应力应变关系或是线性或是非线性。对于极短时间内的高度 非线性瞬态问题包括弹塑性材料。大应变及显式积分等 MSC.DYTRAN 可以进一步对 MSC.NASTRAN 进行补充。 在几何非线性中可包含 : 大变 形、 旋转、 温度载

24、荷、 动态或定常载荷、拉伸刚化效应等。MSC.NASTRAN 可以确定屈曲和后屈曲属性。 对于屈曲问题 , MSC.NASTRAN 可同时 考虑 材料及几何非线性。 非线性屈曲分析可比线性屈曲分析更准确地判断出屈曲临界载 荷。对于后屈 曲问题MSC.NASTRAN 提供三种 Arc-Length方法（Crisfield法,Riks法和改进 Riks 法）的自适应混合 使用可大大提高分析效率。此外在众多的应用里 , 结构模态分析同时考虑几何刚化和材料非线性也是非常重要的。 这一 功能 MSCNASTRAN 称之为非线性正则模态分析。5.3材料非线性分析当材料的应力和应变关系是非线性时要用到这类分

25、析。 包括非线性弹性 （含分段线弹性 ）、 超 弹性、 热弹性、 弹塑性、 塑性、 粘弹 /塑率相关塑性及蠕变材料 ,适用于各类 各向同性、各向异性、具有不同拉压特性 （如绳索 ）及与温度相关的材料等。 对于弹 /塑性材 料既可用 Von Mises 也可用 Tresca 屈服准则 ; 土壤或岩石一类材料可用 Mohr Coulomb 或 Drucker-Prager 屈 服 准 则 ; Mooney-Rivlin 超 弹 性 材 料 模 型 适 用 于 超 弹 性 分 析 , 在 MSC.NASTRAN 可定义 5 阶、 25 个材料常数并可通过应力应变 曲线自动拟合出所需的材 料常数等屈服

26、准则 ;对于蠕变分析可利用 ORNL 定律或 Rheological 进行模拟 ,并同时考虑温 度影响。任何屈服准则均包括各向同性硬化。运动硬化或两者兼有的硬化规律。5.4非线性边界 (接触问题 )平时我们经常遇到一些接触问题 , 如齿轮传动、 冲压成形、 橡胶减振器、 紧配合装 配等。 当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。 由接触 产生的力同样具有非线性属性。对这些非线性接触力 , MSC.NASTRAN 提供了两种方法 : 一 是三维间隙单元 (GAP), 支持开放，封闭或带摩擦的边界条件 ; 二是三维滑移线接触单元， 支持接触分离， 摩擦及滑移边界条件。 另

27、外 , 在 MSC.NASTRAN 的新版本中还将增加全三 维接触单元。5.5非线性瞬态分析 非线性瞬态分析可用于分析以下三种类型的非线性结构的非线性瞬态行为。考虑结构的材料非线性行为 ：塑性,Von Mises屈服准则,Tresca屈服准则，Mohr-Coulomb 屈服准则 , 运动硬化 , Drucker-Prager 屈服准则 ,各项同性硬化 (isotropic hardening ),大应变的 超弹性材料 , 小应变的非线性弹性材料 , 热弹性材料 (Thermo-elasticity ), 粘塑性 (蠕变) ,粘塑 性与塑性合并。几何非线性行为 ：大位移 ,超弹性材料的大应变 ,

28、 追随力。包括边界条件的非线性行为 ：结构与结构的接触 (三维滑移线 ),缝隙的开与闭合 , 考虑与不考虑摩擦 ,强迫位移。5.6非线性单元除几何、 材料、边界非线性外 , MSC.NASTRAN 还提供了具有非线性属性的各类分析单 元 如非线性阻尼、 弹簧、 接触单元等。 非线性弹簧单元允许用户直接定义载荷位移的非线 性关系。非线性分析作为 MSC.NASTRAN 的主要强项之一 , 提供了丰富的迭代和运算控制方法 , 如 Newton Rampson 法、改进 Newton 法、 Arc-Length 法、 Newton 和 ArcLength 混合法、 两点积分法、Newmark B法及

29、非线性瞬态分析过程的自动时间步调整功能等 ，与尺寸无关的判别准则可 自动调整非平衡力、 位移和能量增量 , 智能系统可自动完成全刚度矩阵更新 , 或 Quasi-Newton 更 新, 或线搜索 , 或二分载荷增量 (依迭代方法 )可使 CPU 最小,用于不同目的 的数据恢复和求解。 自 动重启动功能可在任何一点重启动 ,包括稳定区和非稳定区。编辑本段 6 NASTRAN 的热传导分析6.1NASTRAN 热传导分析简介热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性 , 利用MSC.NASTRAN 可以计算出结构内的热分布状况 ,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通

30、过 改变发热元件的位置、提高散热手段、或绝热处理或用其它方法优化产品 的热性能。MSC.NASTRAN 提供广泛的温度相关的热传导分析支持能力。 基于一维、二维、三维 热分 析单元 , MSC.NASTRAN 可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内所有 的热传导现 象,并真实地仿真各类边界条件 , 构造各种复杂的材料和几何模型 , 模拟热控系 统, 进行热 -结构耦 合分析。MSC.NASTRAN 提供广泛的自由对流的变界条件有 ： 随温度变化的热交换系数 , 随热 交换 系数变化的加权温度梯度 , 随时间变化的热交换系数 , 非线性函数形式 , 加权层温度 ; 强迫对流有 ： 管流

31、体流场关系 H(Re,Pr), 随温度变化的流体粘性 , 传导性和比热容 (specific heat ), 随温度变化的 质量流率 , 随时间变化的质量流率 , 随质量流率变化的加权温度梯度 ; 辐射至空间 :随温度变化的发射率和吸收率，随波长变化的发射率和吸收率，随时间变化的 交换 , 辐射闭合 , 随温度变化的发射率 , 随波长变化的发射率 , 考虑自我和第三体阴影的三 维散射角系数计算 , 自适应角系数计算 , 净角系数 , 用户提供的交换系数 , 辐射矩阵控制 , 多辐射闭合 ; 施加的热载荷 :方向热流，表面法向热流 , 节点能量 , 随温度变化的热流 , 随热 流变化的加权温度梯

32、度 , 随时间变化的热流 ; 温度变界条件 : 稳态分析指定常温变界条件 , 瞬态分析指定时变温变界条件； 初始条件 :非线性稳态分析的起始温度 , 所有瞬态分析的起始 温度 ; 热控制系统 : 自由对流热交换系数的当地。远程和时变控制点 , 强迫对流质量流率的 当地。远程和时变控制点 , 热流载荷的当地。远程和时变控制点 , 内热生成的当地。远程和 时变控制点 ,瞬态非线性载荷函数 ,精确传导代数约束温度关系 ; MSC.NASTRAN 输出图象显 示 : 传导和变界表面单元的热流 ,节点温度随时间的变化曲线 ,节点焓随时间的变化曲线 , 等 温线。另外 ,MSC.NASTRAN 提供的重启动功