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日志

 
 

NASTRAN 软件简介  

2010-07-22 17:51:01|  分类: Nastran资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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计算机软硬件技术的迅猛发展,给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化,数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。 数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果,根据不同行业的需求,不断扩充、更新和完善。

近三十年来,计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步,诞生了商业化的有限元数值分析软件,并发展成为一门专门的学科《计算机辅助工程 CAE》(Computer Aided Engineering)。这些商品化的 CAE 软件具有越来越人性化的操作界面和易用性,使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员,CAE 在各个工业领域的应用也得到不断普及并逐步向纵深发展,CAE 工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要。许多行业中已经将 CAE 分析方法和计算要求设置在产品研发流程中,作为产品上市前必不可少的环节。CAE 仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性:

·          CAE 仿真可有效缩短新产品的开发研究周期。

·          虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数。

·          大幅度地降低产品研发成本。

·          在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品;

·          能够快速的对设计变更作出反应;

·          能充分的和 CAD 模型相结合并对不同类型的问题进行分析。

·          能够精确的预测出产品的性能。

·          增加产品和工程的可靠性。

·          采用优化设计,降低材料的消耗或成本。

·          在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;。

·          模拟各种试验方案,减少试验时间和经费。

·          进行机械事故分析,查找事故原因。

        当前流行的商业化 CAE 软件有很多种,国际上早在 20 世纪 50 年代末、60 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在 1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 Nastran 有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。        

Nastran,即 NASA Structural Analysis Sistem,是 1966 年美国国家航空航天局 (NASA) 为满足当时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的招标,有多家软件开发商中标并参与了 Nastran 的开发过程。1969 年 NASA 推出了其第一个 Nastran 版本, 称为 COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在 Public Domain 上的公开发售版本,Nastran 和 COSMIC 是 NASA 的注册商标。

1972 年,MSC Software 公司获得了一个版本的 COSMIC Nastran,并推出了自己的商业化产品 MSC Nastran。这个版本的 Nastran 也是在市场上最为著名的 Nastran 版本。到 20 世纪 80 年代,又有另外两家公司 UAI、 CSAR 基于 NASA 的 COSMIC Nastran  源代码推出了各自的商业版本,从而市场上形成了主要由三家 Nastran 供应商(MSC、UAI 和 CSAR)相互竞争的局面。Nastran 是工程分析界应用最为广泛的有限元软件,绝大多数的商业化前后处理器都对 Nastran 有良好的支持,其文本格式已成为标准格式,其计算结果也成为 CAE 分析的规范。 

1999 年,MSC 收购了UAI  和 CSAR,成为市场上唯一提供 Nastran 商业代码的供应商。而以后的几年,MSC Nastran 的价格上涨,但是其相关功能和服务却没有得到提升,从而引发大量客户的抱怨,并向美国联邦贸易委员会(FTC)申诉。

经过调查,FTC 认定 MSC Nastran 垄断。为了重建 Nastran 市场的竞争,FTC 做出了如下的几项裁决:

(1)  MSC.Software 公司必须共享 MSC Nastran 最新商业版 (当时为 v2001r9),以重建 Nastran 市场竞争。

·     共享内容包括用于 Nastran 开发、销售用的所有 MSC Nastran 的源代码、目标代码、测试案例、开发环境和所有文档的永久使用权许可。

(2)  告知在过去 3 年多时间(仅限美国)已购买了 MSC.Software 公司的永久使用许可的用户。这些用户有权转而使用 UGS 的 NX Nastran,并由 MSC.Software 退还差额赔偿。

(3)   MSC 和 UGS 必须保证在未来 3 年内数据的兼容性,NX Nastran 将继续使用通用的 Nastran 格式,以确保那些转到 NX Nastran 的用户能使用过去的 Nastran 输入/输出文件。

(4)   获得许可的机构 EDS 应获得 MSC.Software、UAI 和 CSAR 公司雇员的名单,并有权雇佣他们。

FTC 的裁决使得一个强有力的公司 - UGS 加入到 Nastran 的市场中来, Nastran 由单一供应商 MSC 转为两家互相竞争的供应商,MSC Nastran 在各行业得到的认证同样适用于 NX Nastran 产品,不需要进行再次认证。

2003年9月,NX Nastran 产品正式发布。UGS 承诺将全力开发支持 NX Nastran 和 NX Nastran 前后处理器(NX MaterFEM, Femap, NX Scenario),并在近两年中每年推出两个 NX Nastran 新版本。由于 FTC 的裁决使得 MSC 公司的雇员名单也已共享,因此已经有许多资深的Nastran 专家加入到 UGS PLM Solutions 的开发队伍中来。

UGS 有超过两千人的研发队伍,其中仅 CAE 开发人员就已经超过 100人。这些人员有平均 15 年以上的开发经验,而且在 2004 年和2005 年将继续扩大队伍。UGS 中国上海研发中心已经成立,将专注于 CAE 研发和本地化。由于 UGS  投入了大量的 CAE 研发力量,许多国际用户对 NX Nastran 的未来发展充满信心,并有大量用户已经从 MSC Nastran 转到了 NX Nastran。在 NX Nastran 推向市场三个月内,有超过 5000 个 license 的国际用户转而应用 NX Nastran。(注:UGS 公司现已被西门子公司收购)

 

三十多年来, Nastran 已经成为了几乎所有国际大企业的工程分析工具,应用领域包括航空航天、汽车、军工、船舶、重型机械设备、医药和消费品等,这也使得其分析结果成为了工业化的标准。

对于大型企业来说,Nastran 是一个独立的解决方案。它通常运行局域网上,支持多用户,多平台系统,并可以和多种有限元前后处理器协同工作。这些处理器包括EDS和其他许多CAE供应商提供的高效易用的专业产品。

Nastran 适用于需要完成大量流程化分析计算的用户。它的特点是灵活、可靠并能同大量的其他分析软件协同运作,形成统一高效的分析流程,并在整个流程中承担核心求解功能。它的数据格式可以在绝大多数的 CAE 软件中识别和使用,使得同其他 CAE 使用者交换数据的方式灵活方便,大大减少了数据转换和共享的工作量。


一、产品模块配置

目前的Nastran 产品包括:

Nastran - Basic: NX Nastran 的基本模块,包括线性静力,模态,屈曲和热传递功能。

Nastran - Nonlinear: 支持材料非线性,几何非线性和接触分析。

Nastran - Dynamic Response: 在时域和频域中计算结构在外在激励下的动力学响应。

Nastran - Superelements: 将超大模型分解为小的超单元 (子结构) 求解。

Nastran - Direct Matrix Abstraction Program (DMAP): 允许用户进行二次开发,将自己的算法和应用扩充到 Nastran 中。

Nastran - Aeroelasticity: 对气流作用下的模型进行气动弹性分析。

Nastran - Optimization: 自动迭代完成优化设计。

Nastran - Advanced Aeroelasticity: 预测结构在气流作用下的响应,并可以进行超音速分析。


二、 产品功能及特性
1.  各产品模块功能

Nastran - Basic主要计算功能包括:线性静力,正则模态,屈曲分析,静态和瞬态热传递,无限模型大小,载荷工况组合。

Nastran - Nonlinear 主要计算功能包括:材料非线性,几何非线性,接触分析,小应变非线性弹性,大应变超弹性,塑性,粘弹性(蠕变),非线性屈曲,后屈曲,非线性模态。

Nastran - Dynamic Response 主要功能是计算产品的受迫振动响应。激励形式可以是随时间或频率变化的位移或载荷。该模块是 Nastran – Basic的附加模块。

Nastran - Superelements: Nastran  使用稀疏矩阵算法求解大模型,而 Nastran - Superelements 提供了更加高效的方法 - 超单元。对于非常庞大和复杂的模型,该方法将其分解为小的等效模型块,称之为超单元,这些单元可以利用 Nastran 的所有分析功能。该模块是 Nastran - Basic的附加模块。

Nastran - Optimization:设计满足特定要求的产品是几乎每个制造商的要求。使用优化技术,工程师可以改进现有的设计,用最小的成本得到最优的设计方案。优化过程涉及到多次计算迭代过程,而 Nastran - Optimization 的自动迭代将用户从繁复的迭代工作中解放出来。

Nastran - Aeroelasticity:气弹分析用来计算结构在气流作用下的响应。使用 Nastran - Aeroelasticity,可以在通用的有限元模型上进行应力、载荷、气弹和控制系统设计计算。该模块是 Nastran – Basic的附加模块。

Nastran - Advanced Aeroelasticity, 是在 Nastran - Basic 和 Aero -elasticity 上的附加模块。在该模块中针对超音速流动开发了与亚音速涡格法相似的方法。这种气弹方法是由 ZONA Technology, Inc. 开发,并集成在 Nastran中,主要进行结构在超音速状态下的计算分析。

Nastran - Direct Matrix Abstraction Program (DMAP) 进行用户二次开发编程。可以将中间数据(主要是矩阵)从 Nastran 中导出或导入Nastran;将最新的软件功能添加进来;得到非标准的结果输出等。该模块是 Nastran – Basic的附加模块。

  
2. 各分析功能技术特点
(1) 静力分析

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段, 主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等)作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。 Nastran支持全范围的材料模式,包括: 均质各向同性材料,正交各向异性材料, 各向异性材料,随温度变化的材料等。

a.   具有惯性释放的静力分析

考虑结构的惯性作用,可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应。

b.   非线性静力分析

在静力分析中同时可以考虑结构的非线性特性。主要包括几何非线性(大变形、大应变、大转动),材料非线性(如塑性、蠕变),接触非线性等(非线性静力分析需非线性模块的支持)。


(2) 屈曲分析

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。Nastran 中的屈曲分析包括两类:线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析又称为特征值屈曲分析,可以考虑固定的预载荷,也可使用惯性释放。非线性屈曲分析包括几何非线性屈曲分析,弹塑性屈曲分析以及非线性后屈曲(Snap-Through)分析。在算法上,Nastran 采用先进的微分刚度概念, 考虑高阶应变-位移关系, 结合 Nastran 特征值提取算法可精确地判别出相应的失稳临界点。 该方法较其他有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。此外,Nastran 还提供了另外三种不同的弧长法(Arc-Length),特别适用于非稳定段和后屈曲问题的求解,不但可确定失稳点,而且可以跟踪计算结构的非稳定阶段及后屈曲点以后的响应。(非线性屈曲分析需要非线性模块的支持)。


(3) 动力学分析

Nastran 在结构动力学分析中有非常多的技术特点, 具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响, 同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。

全面的 Nastran 动力学分析功能包括: 正则模态及复特征值分析、 频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、 随机响应分析、 响应及冲击谱分析、 动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模, 用户可选择 Nastran 不同的动力学方法进行求解。在处理大型结构动力学问题时如不利用特征缩减技术将会使解题效率大大降低,而 Nastran 的通用动力缩减算法(GDR法)在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度,而不必像其他缩减法那样更多地需要由用户进行手工干预。此外速度更快、磁盘空间更节省的稀疏矩阵解算器适用于所有的动力分析类型, 半带宽缩减时的自动内部重排序功能及并行向量化的运算方法可使动力解算效率大大提高。

为求解动力学问题,Nastran 提供了求解所需齐备的动力和阻尼单元,如瞬态响应分析的非线性弹性单元、 各类阻尼单元、 (噪) 声学阻滞单元及吸收单元等。 众多的阻尼类型包括: 结构阻尼、 材料阻尼、 不同的模态阻尼(含等效粘滞阻尼)、(噪)声阻滞阻尼和吸收阻尼、可变的模态阻尼(等效粘性阻尼,临界阻尼的分数,品质因数)、 离散的粘性阻尼单元、随频率变化的非线性阻尼器以及动力传递函数,直接矩阵输入、动力传递函数定义等。Nastran 可在时域或频域内定义各种动力学载荷, 包括动态定义所有的静载荷、 强迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延时、时间窗口、解析显式时间函数、实复相位和相角、 作为结构响应函数的非线性载荷、基于位移和速度的非线性瞬态加载、随载荷或受迫运动不同而不同的时间历程等。模态凝聚法有 Guyan凝聚(静凝聚),广义动态凝聚,部分模态综合,精确分析的残余向量等。

Nastran 的高级动力学功能还可分析更深层、更复杂的工程问题如控制系统、流固耦合分析、传递函数计算、输入载荷的快速傅里叶变换、陀螺及进动效应分析 (需 DMAP 模块)、模态综合分析 (需 Superelement 模块)。所有动力计算数据可利用矩阵法、位移法或模态加速法快速地恢复, 或直接输出到机构仿真或相关性测试分析系统中去。

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、动力灵敏度分析等可简述如下:

a.     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:

①  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、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。

② 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。

b.    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:

① 直接复特征值分析

通过复特征值抽取可求得含有粘性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: Delerminated 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。
    ② 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得到输出类型相同。

c.    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。

① 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。

② 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。

d.     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。例如地震波,海洋波,飞机超过建筑物的气压波动,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。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, Nastran 不仅可以像其他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。

e.     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。

f.     频率响应分析

频率响应分析主要用于计算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。

①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两类问题。 第一类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定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。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。

②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两类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽略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。

Nastran 的模态扩张法 (残余矢量法) 可以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。

g.    声学分析

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。


(4) 非线性分析

实际工程问题中,很多结构响应与所受的外载荷并不成线性关系。由于非线性,结构中可能产生大位移、大转动或多个零件在载荷作用下接触状态不断发生变化。要想更精确的反映实际问题,就必须考虑材料和几何、边界、单元等非线性因素。Nastran 强大的非线性分析功能为设计人员有效地设计产品,减少额外成本提供了一个十分有用的工具。

以往基于线性的结构分析因为过于保守而不能赢得当今国际市场的激烈竞争。很多材料达到初始屈服极限时往往还有很大的承载潜力可挖。通过非线性分析,工程师可以更加深入的掌握结构的特性,充分利用材料的塑性和韧性。薄壳结构或橡胶一类超弹性材料零件在小变形时反力较小,而随变形增加,反力也会加速增大。这些状况是用简单线性分析不能描述的。类似的,非线性分析还可以解决蠕变问题,这对于高聚合塑性和高温环境下的结构件尤为重要。接触分析也是非线性分析中一个很重要的应用方面,如轮胎与道路的接触,齿轮垫片或衬套等系统连接件都要用到接触分析。

非线性功能是目前 Nastran 发展的重点。Nastran 中目前已经具备的非线性功能有:

a.    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的方式和大小。所有这些均取决于结构承载时的刚性或柔性变化。非稳定段过渡、回弹,后屈曲分析的研究都属于几何非线性分析的应用。

在几何非线性中,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转动,而单元中的应变却可大可小。

Nastran 可以确定屈曲和后屈曲属性。对于屈曲问题,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的判断出临界载荷。对于后屈曲问题,Nastran 提供三种弧长法(Crisfield 法、Riks 法和改进 Riks 法)的自适应混合使用,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。这一功能在 Nastran 中叫做非线性正则模态分析。

b.    材料非线性分析

当材料的应力应变关系是非线性时就要使用这类分析。其中包括非线性弹性(含分段线弹性)、超弹性、热弹性、弹塑性、塑性、粘弹性、率相关塑性与蠕变材料,适用于各类各向同性,各向异性材料模式,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;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、随动硬化或两者兼有的硬化规律。

c.   非线性边界(接触问题)

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特性。对于这些非线性接触力,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、摩擦和滑移边界条件。

d.    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。

e.    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、随动硬化、Drucker-Prager 屈服准则、各向同性硬化、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、粘塑性,粘塑性与塑性结合等。

f.    几何非线性行为:大位移,超弹性材料的大应变,追随力。

g.   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),缝隙的打开与闭合,是否考虑摩擦,强迫位移等。

h.   非线性单元

除几何、材料、边界非线性外,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。

Nastran 非线性分析提供了丰富的迭代和运算控制方法,如 N-R 法、改进 Newton 法、弧长法、Newton 与弧长混合法、两点积分法、Newmark β 法及非线性瞬态分析过程中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,使用线性搜索或自动二分载荷增量,可使 CPU 用时最少。自动重启功能用于不同目的的数据恢复和求解,可在任何一点重启动,包括稳定区和非稳定区。


(5) 热传导分析

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 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。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段或绝热处理或用其他方法优化产品的热性能。

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, 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。

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, 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; Nastran 输出图像显示: 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,Nastran  提供的重启动功能,可直接矩阵输入至传导和热容矩阵,集中质量和离散导体。

Nastran 提供了适于稳态或瞬态热传导分析的线性、非线性两种算法。由于工程界很多问题都是非线性的, Nastran 的非线性功能可根据选定的解算方法自动优选时间步长。

a.    线性/非线性稳态热传导分析

基于稳态的线性热传导分析一般用来求解在给定热载和边界条件下,结构中的温度分布,计算结果包括节点的温度,约束的热载和单元的温度梯度,节点的温度可进一步用于计算结构的响应;稳态非线性热传导分析则在包括了稳态线性热传导的全部功能的基础上,额外考虑非线性辐射与温度有关的热传导系数及对流问题等。

b.    线性/非线性瞬态热传导分析

线性/非线性瞬态热传导分析用于求解时变载荷和边界条件作用下的瞬态温度响应,可以考虑薄膜热传导、非稳态对流传热及放射率、吸收率随温度变化的非线性辐射。

c.    相变分析

该分析作为一种较为特殊的瞬态热分析过程,通常用于材料的固化和溶解的传热分析模拟, 如金属成型问题。在NX Nastran中将这一过程表达成热焓与温度的函数形式, 从而大大提高分析的精度。

d.    热控分析

NX Nastran可进行各类热控系统的分析,包括模型的定位、删除、时变热能控制等,如现代建筑的室温升高或降低控制。自由对流元件的热传导系数可根据受迫对流率、热流载荷、内热生成率得到控制,热载和边界条件可定义成随时间的非线性载荷。


(6)  空气动力弹性及颤振分析

气动弹性问题是应用力学的分支,涉及气动、惯性及结构力间的相互作用,在 Nastran 中提供了多种有效的解决方法。人们所知的飞机、 直升机、导弹、斜拉桥乃至高耸的电视发射塔、烟囱等都需要气动弹性方面的计算。

Nastran 的气动弹性分析功能主要包括: 静态和动态气弹响应分析、 颤振分析及气弹优化。

a.    静动气弹响应分析

气弹响应分析计算结构在亚音速下在离散或随机二维阵风场中的响应, 输出包括位移、应力或约束力、加速度可以从阵风断面的二阶时间导数的响应来获得, 随机阵风分析给出响应功率谱密度、均方根和零交平均频率。

b.    气动颤振分析

空气动力颤振分析考虑空气弹性问题的动力稳定性。 它可以分析亚音速或超音速流。系统求出一组复特征解, 提供五种不同的气动力理论,包括用于亚音速的 Doublet Lattice 理论、Strip  理论以及用于超音速的 Machbox 理论、Piston 理论、ZONA 理论。对于稳定性分析系统提供三种不同的方法:二种美国方法 (K 法、KE 法) 和一种英国方法 (PK 法),输出包括阻尼、 频率和每个颤振模态的振型。

c.   气弹优化分析

在 Nastran 中,气弹分析与设计灵敏度和优化功能的完美集成为气弹分析提供了更 强有力的设计工具。气弹灵敏度分析主要用来确定结构响应的改变如位移、速度等对结构气动特性的影响程度。气弹优化则是依据气弹响应及灵敏度分析的数据自动地完成满足某一设计变量 (如:应力、变形或颤振特性) 的设计过程。


(7) 流-固耦合分析

流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用效应。Nastran 中拥有多种方法求解完全的流-固耦合分析问题, 包括: 流-固耦合法、水弹性流体单元法、 虚质量法。

a.    流-固耦合法

流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研究等。分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。流体假设是无旋的和可压缩的, 分析的基本控制方程是三维波方程, 二种特殊的单元可被用来描述流-固耦合边界。 此外, Nastran 新增加的 (噪) 声学阻滞单元和吸收单元为这一问题的分析带来了极大方便。

(噪)声学载荷由节点的压力来描述, 其可以是常量, 也可以是与频率或时间相关的函数, 还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。由不同的结构件产品的噪声影响结果可被分别输出。

b.    水弹性流体单元法

该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。 水弹性流体单元法可用于标准的模态分析、瞬态分析、复特征值分析和频率响应分析。当流体作用于结构时, 要求必须指出耦合界面上的流体节点和相应的结构节点。 自由度在结构模型中是位移和转角,而在流体模型中则是在轴对称坐标系中调和压力函数的傅里叶系数。

类似于结构分析,流体模型产生“刚度”和“质量”矩阵, 但具有不同的物理意义。 载荷、约束、节点排序或自由度凝聚不能直接用于流体节点上。

c.     虚质量法

虚质量法主要用于以下流-固耦合问题的分析:

     结构沉浸在一个具有自由液面的无限或半无限液体里。

      容器内盛有具有自由液面的不可压缩液体。

以上两种情况的组合, 如船在水中而舱内又装有不充满的液体。

用结构单元来描述, 这个模型可以是一边或二边被同一液体或不同液体所浸润。

忽略液面重力效应。 这种近似处理对于结构频率高于液体晃动频率是有效的。该分析假设液体密度是常量(无层间变化), 流体是无旋的(无粘性),并且是稳定的(如同空气动力中一样),同时是线性的。


(8) 多级超单元分析

超单元分析是求解大型问题一种十分有效的手段,特别是当工程师打算对现有结构件做局部修改和重分析时。超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析, 即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度类似于子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。子结构可使问题表达简单、计算效率提高、计算机的存储量降低。超单元分析则在子结构的基础上增加了重复和镜像映射和多层子结构功能, 不仅可单独运算而且可与整体模型混合使用, 结构中的非线性与线性部分分开处理可以减小非线性问题的规模。应用超单元工程师仅需对那些所关心的受影响大的超单元部分进行重新计算, 从而使分析过程更经济、更高效,避免了总体模型的修改和对整个结构的重新计算。Nastran 优异的多级超单元分析功能在大型工程项目国际合作中得到了广泛使用, 如飞机的发动机、 机头、机身、机翼、垂尾、舱门等在最终装配出厂前可由不同地区和不同国家分别进行设计和生产, 此间每一项目分包商不但可利用超单元功能独立进行各种结构分析,而且可通过数据通信在某一地利用模态综合技术通过计算机模拟整个飞机的结构特性。

多级超单元分析是 Nastran的主要强项之一, 适用于所有的分析类型, 如线性静力分析、刚体静力分析、正则模态分析、几何和材料非线性分析、响应谱分析、直接特征值、频率响应、瞬态响应分析、模态特征值、模态综合分析 (混合边界方法和自由边界方法)、设计灵敏度分析、稳态、非稳态、线性、非线性传热分析等。

模态综合分析: 模态综合分析需要使用超单元,可对每个受到激励作用的超单元分别进行分析, 然后把各个结果综合起来从而获得整个结构的完整动态特性。超单元的刚度阵、质量阵和载荷阵可以从经验或计算推导而得出。结构的高阶模态先被截去,而后用静力柔度或刚度数据恢复。 该分析对大型复杂的结构显得更有效 (需动力学分析模块)。


(9) 高级对称分析

针对结构的对称、反对称、轴对称或循环对称等不同的特点, Nastran提供了不同的算法。类似超单元分析, 高级对称分析可大大压缩大型结构分析问题的规模, 提高计算效率。

a.    对称分析

如果结构具有对称性则有限元模型的可以被减小, 进而节省计算时间。 每增加一个对称面, 有限元模型就相应地减小近乎一半, 例如当结构有一个对称面时人们只要算一半模型,而当结构有两个对称面时人们只需算1/4模型就可得到整个模型的受力状况。

对称分析一般包括对称和反对称分析两种。Nastran 可帮助工程师方便地在结构或 有限元模型上施加各种对称或反对称载荷及边界条件。

b.    轴对称分析

压力容器及其他一些类似的结构通常是由板壳或平面绕某一轴线旋转而得到的,具有轴对称 性。此时结构的位移仅仅沿着半径方向,有限元模型简化到只需要我们分析结构的一个截面就够了。轴对称分析一般适用于线性及超弹性问题的分析。

c.    高级循环对称分析

很多结构, 包括旋转机械乃至太空中的雷达天线, 经常是由一些绕某一轴循环有序周期性排列的特定的结构件组成, 对于这类结构通常就要用循环对称或称之为旋转对称方法进行结构分析。在分析时仅需要选取特定的结构件即可获得整个组件结构的计算结果,减少计算和建模的时间。这部分结构可绕某一轴旋转生成整个结构。 循环对称可分两种对称类型,即简单循环对称和循环复合对称。简单旋转对称中, 对称结构件没有平面镜像对称面且边界可以有双向弯曲曲面;复合循环对称中, 每个对称结构件具有一个平面镜像对称面,且对称结构件之间的边界是平面。循环对称分析通常可解决线性静力、模态、屈曲及频率响应分析等问题。


(10) 设计灵敏度及优化分析

设计优化是为满足特定优选目标如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等的综合设计过程。这些优选目标称之为设计目标或目标函数。优化实际上含有折衷的含义,例如结构设计的更轻就要用更少的材料, 但这样一来结构就会变得脆弱, 因此就要限制结构件在最大许用应力下或最小失稳载荷下等的外形及尺寸厚度。类似地, 如果要保证结构的安全性就要在一些关键区域增加材料, 但同时也意味着结构会加重。最大或最小许用极限限定被称之为约束。

设计变量是一组在设计过程中为产生一个优化设计可不断改变的参数。Nastran 中的设计变量包含形状和尺寸两大部分。 形状设计变量(如边长、半径等) 直接与几何形状有关, 在设计过程中可改变结构的外形尺寸;尺寸设计变量(如板厚、凸缘、腹板等) 则一般不与几何形状直接发生关系, 也不影响结构的外形尺寸。 设计优化意味着有在满足约束的前提下产生最佳设计的可能 性。Nastran 拥有强大、高效的设计优化能力, 其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成,可对静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹性和颤振分析进行优化。有效的优化算法允许在大模型中存在上百个设计变量和响应,特点如下:

设计变量连接: 多个设计变量可连接在一起。

近似方法:提供三种方法。

强大的优化算法: 提供三种方法。

约束的删除和重新安排: 只有临界约束被保留。

重启动:优化分析可从一个完整的周期开始而且继续下去。

可调整的收敛精度和改变极限: 为了更快收敛。

稀疏矩阵求解器: 速度快,所需磁盘空间小。

共轭敏感性分析。

模态跟踪。

除了具有这种用于结构优化和零部件详细设计过程的形状和尺寸优化设计的能力外, Nastran 也同样具备适于产品概念设计阶段的拓扑优化功能,以最小平均柔度或指定阶数的最大特征频率、计算频率与指定频率的最小频率差为目标函数, 在一定体积约束下, 寻找最优的孔洞尺寸和壳体或实体单元的方向厚度, 可用于静力和模态分析的拓扑形状优化。

Nastran所集成的从概念设计的拓扑优化到详细设计的形状和尺寸优化的统一环境, 为产品设计提供了完整的优化设计功能。

a.     设计灵敏度分析

设计灵敏度分析是优化设计的重要一环, 可成倍地提高优化效率。这一过程通常可计算出结构响应值对于各设计变量的导数, 以确定设计变化过程中对结构响应最敏感的部分, 帮助设计工程师获得其最关心的灵敏度系数和最佳的设计参数。灵敏度响应量可以是位移、速度、加速度、 应力、应变、特征值、屈曲载荷因子、声压、频率等, 也可以是各响应量的混合。设计变量可取任何单元的属性如厚度、形状尺寸、面积、二次惯性矩或节点坐标等。在灵敏度分析的基础上, 设计优化可以快速地给出最优的设计变量值。

Nastran 中采用共轭灵敏度分析代替直接的灵敏度分析, 使解决诸如几十万个以上自由度, 几百个参与频率, 并考虑上百个设计变量的多种工况组合的动力响应优化成为现实。

b.    设计优化分析

设计优化分析允许不限数量的设计变量和用户自定义的目标函数、约束和响应方程, 除了输入大家所熟知的“分析模型”之外,还需要输入“设计模型”。设计模型是一个用设计变量和结构响应值以数学方式来描述的一个优化问题不仅与分析模型有关, 并且也与这个分析模型的结构响应有关。先依用户提供的初始设计开始进行结构分析,获得结构响应 (如应力、 位移、 固有频率等)后, 确定设计变量对结构响应的灵敏度,这些灵敏度数据被送入一个数值优化求解过程以得到一个改进的设计。 在这个新设计的基础上, 修改分析模型开始一个新的迭代优化循环过程直到满足优化设计要求。 Nastran 中设计优化分析允许无用的工况, 使优化过程效率更高。

Nastran 的优化功能几经重大改进并实现了形状优化, 成为强大的多物理过程的优化工具。优化涉及多种分析类型如: 静力优化、特征值优化、屈曲优化、直接/模态频率优化、气弹和颤振优化、声学(噪声)优化、超单元优化分析等。除此之外, 用户还可根据自己的设计要求和优化目标, 在软件中方便地写入自编的公式或程序进行优化设计。

c.    拓扑优化分析

拓扑优化是与参数化形状优化或尺寸优化不同的非参数化形状优化方法。在产品概念设计阶段, 为结构拓扑形状或几何轮廓提供初始建议的设计方案。Nastran 现有的拓扑优化能够完成静力和正则模态分析。拓扑优化采用 Homogenizaion 方法, 以孔尺寸和单元方向为设计变量, 在满足结构设计区域的剩余体积(质量)比的约束条件下,对静力分析满足最小平均柔度或最大平均刚度, 在模态分析中, 满足最大基本特征值或指定模态与计算模态的最小差。目前的拓扑优化设计单元为一阶壳元和实体单元。集成在 Nastran 中的拓扑优化, 通过特殊的 DMAP 工具,建立了新的拓扑优化求解序列。

利用 Nastran 高级单元技术和静力分析, 模态分析的有效解法, 可以非常有效地求解大规模的拓扑优化模型。


(11) 复合材料分析

在 Nastran 中具有很强的复合材料分析功能, 并有多种可应用的单元供用户选择。可方便地定义如下种类的复合材料, 层合复合材料, 编织复合材料(Rule-of-Mixtures),Halpin-Tsai 连续纤维复合材料, Halpin-Tsai 不连续纤维复合材料, Halpin-Tsai 连续带状复合材料, Halpin-Tsai 不连续带状复合材料, Halpin-Tsai 粒状复合材料, 一维短纤维复合材料和二维短纤维复合材料。所有这些维短纤维复合材料, 除层合复合材料外, 在 Nastran 中均等效为均质各向同性弹性材料。 判辨复合材料失效准则包括: Hill 理论、Hoffman 理论、Tsai-Wu 理论和最大应变理论。Nastran 的复合材料分析适于所有的分析类型。


(12) P-单元及 H、P、H-P 自适应

早在 1986 年 MSC 公司就开发出了 P-单元算法, 命名为 MSC.PROBE。历经十多年的应用和改进而完善,该算法正逐步移入 Nastran 中。 H-法是我们在以往有限元分析中经常使用的算法, 其特点是适用于大多数分析类型, 对于高应力区往往要通过网格的不断加密细化来满足分析精度。与 H-法相比, P-单元算法则是通过提高单元阶次减少高应力区的单元划分数量, P 法是通过减少单元划分数量提高形函数的阶次来保证求解精度。 P 法网格划分的规模一般仅相当于 H-法的 1/10 或更小, 且对形状极不规则的模型仍能给出精确解。在 Nastran 中, P 单元的阶次可 9  阶、3 个方向不同的阶次, 并允许同一模型中 H-法与 P-法混合使用而不存在单元相容性问题。 此外, 根据用户定义的误差容限,  Nastran 的 P 自适应算法可通过应力不连续、能量密度和残余应力估计分析中的误差, 自动地调整形函数阶次进行计算直到满足误差精度为止。


(13)  Nastran  的高级求解方法

Nastran 能有效地求解大模型, 其稀疏矩阵算法速度快而且占用磁盘空间少, 内节点自动排序以减小半带宽 , 再启动能利用以前计算的结果。

并行计算以及线性静力, 正则模态分析, 模态及直接频率响应分析的分布式并行计算极大地提高分析速度, 复特征值问题速度提高 3 倍以上, 虚拟质量计算速度提高 2 倍以上, 静力气弹分析速度提高 30% 以上。


(14)  Nastran 的单元库

针对实际工程应用, Nastran 中开发了有近 70 余种单元的独特的单元库。Nastran 采用“单元派生技术”, 可根据解决问题的需要通过变换单元缺省参数获得。较拥有 100 多种单元的其他有限元分析软件相比更多、更灵活、更高效的分析单元, 所有这些单元可满足 Nastran 各种分析功能的需要, 且保证求解的高精度和高可靠性。 意味着一旦模型建好了 Nastran,就可毫无困难地用于不同类型的分析, 如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等。而当分析类型改变时,也仅仅需要很少的一些参数修改。 此外, Nastran中还增加了更为完善的梁单元库, 同时新的基于 P 单元技术的界面单元的引入, 可有效地处理网格划分的不连续性 (如实体单元与板壳单元的连接), 并自动地进行 MPC 约束。Nastran 的RSSCON 连接单元可将壳-实体自动连接, 使组合结构的建模更加方便。


(15) 用户化开发工具 DMAP 语言

 作为开放式体系结构  Nastran 的开发工具 DMAP 语言 (Direct Matrix Abstraction Program) 有着 30 多年的应用历史,它不同于其他软件所用的宏命令语言,可深入 Nastran 的内核。 一个 DMAP 模块可由成千上万个 FORTRAN 子程序组成, 并采用高效的方法来处理矩阵。 实际上 Nastran 是由一系列 DMAP 子程序顺序执行来完成的。DMAP 能帮助用户改变或直接产生新的求解序列。通过矩阵的合并、分离、增加、删除或将矩阵输出到有限元后处理、机构分析、测试相关性等一些外部程序中。DMAP 还允许在 Nastran 中直接执行外部程序。另外,用户还可利用DMAP 编写用户化程序, 操作数据库流程。

DMAP 语言特点如下:

¨         中间矩阵的操作

·          加 (ADD),减 (SUBTRACT),乘 (MULTIPLY) 和转置 (TRABNSPOSE);

·          联立方程的求解 (矩阵分解和前--后迭代);

·          矩阵合并和分块;

·          特征值计算。

¨         输出供外部程序使用的矩阵

·          有限元后处理器;

·          运动学程序;

·          试验-分析校正程序。

¨         用DMAP 写用户自己的求解序列

·          矩阵运算;

·          数据库操作;

·          存入数据库;

·          数据库读取;

·          过结构化程序的数据流;

·          条件语句 IF-THEN-ELSE;

·          条件语句转移和需循环。

¨         DMAP 成序功能:包括

·          耦合动态分析;

·          试验-分析的特征向量的正交性检查;

·          旋桨转动分析 ( Propeller whirl analysis );

·          依赖于频率的阻抗 ( impedance );

·          动力模型检查;

·          旋转结构的分析( 包括陀螺效应 );

·          船上设备的动力学分析方法(DDAM)。

¨         校正错误

由于求解序列是由一系列的 DMAP 指令所写, 所以一些错误可以通过利用 UGS 提供的当前错误列表修改 DMAP 指令写的求解序列来得到校正。


3)支持 Nastran 的前后处理软件 

Nastran 作为应用最广泛的有限元独立求解器,已经成为国际公认的工业标准。其输入、输出格式及结果数据可作为中间文件被几乎所有的 CAD/CAE/CAM 和相关软件容易的移植到不同的平台上,可以任意读取而不受应用软件的版本限制。Nastran 同时全面支持国际认可的其他各类图形和数据传递标准,如:IGES、DXF、PDES、STEP 等,而且,目前几乎所有的 CAD/CAE/CAM 软件厂商为方便其图形和数据与 Nastran 的传递,开发了专用的数据接口。就应用广泛程度来看,主要有下面一些流行的前后处理软件:

(1) NX MasterFEM (I-Deas) 

(2) Hypermesh

(3) Patran

(4) Medina

(5) Femap

等。

 
4)Nastran 支持的硬件平台

Nastran 具有广泛的平台适用性,可在 PC 机、工作站、小巨型机、超级计算机等 50 种以上通用和专用计算机不同的操作系统下运行,主要机种如:PC、SUN、DEC、HP、IBM、SGI、NEC、HITACHI、SIEMENS、CRAY、CONVEX 等。Nastran 的并行处理技术保证其在诸如CRAY、CONVEX、IBM、SUN、DEC、SGI 等具有多处理器的大中型计算机上高效运行。


 

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