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CAE分析软件介绍-初识Nastran(上)

 

Nastran是1966年美国国家航空航天局(NASA)为了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。

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。

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。

分析功能编辑 播报

4.1 NASTRAN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、 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, 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。