MSCNastran软件介绍详尽版

作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件, MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项,MSC.NASTRAN的主要功能模块有:基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)。

动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、 DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。

除模块化外, MSC.NASTRAN还按解题规模分成10,000节点到无限节点,用户引进时可根据自身的经费状况和功能需求灵活地选择不同的模块和不同的解题规模, 以最小的经济投入取得最大效益。

MSC.NASTRAN及MSC的相关产品拥有统一的数据库管理,一旦用户需要可方便地进行模块或解题规模扩充, 不必有任何其它的担心。

MSC.NASTRAN以每年一个小版本, 每两年一个大版本的速度更新, 用户可不断获得当今CAE发展的最新技术用于其产品设计。

目前MSC.NASTRAN的最新版本是1999年发布的V70.5版。

新版本中无论在设计优化、 P单元、热传导、非线性还是在数值算法、性能、文档手册等方面均有大幅度的改进或突出的新增功能。

以下将就MSC.NASTRAN不同的分析方法、加载方式、数据类型或新增的一些功能做进一步的介绍:
⒈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/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等)作用下的响应, 并得出所需的节点位移、节点力、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。

该分析同时还提供结构的重量和重心数据。

MSC.NASTRAN支持全范围的材料模式,包括: 均质各项同性材料,正交各项异性材料, 各项异性材料,随温度变化的材料。

方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、,热载荷、强迫位移,各种载荷的加权组合，在前后处理程序MSC.PATRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。

⑴.具有惯性释放的静力分析: 此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。

⑵.非线性静力分析: 在静力分析中除线性外, MSC.NASTRAN还可处理一系列具有非线性属性的静力问题, 主要分为几何非线性, 材料非线性及考虑接触状态的非线性如塑性、蠕变、大变形、大应变和接触问题等(需非线性模块, 进一步信息见后有关部分)。

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,MSC.NA STRAN中屈曲分析包括: 线性屈曲和非线性屈曲分析。

线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析; 线性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失稳分析, 弹塑性失稳分析, 非线性后屈曲(Snap-through)分析。

在算法
上,MSC.NASTRAN采用先进的微分刚度概念, 考虑高阶应变-位移关系, 结合MSC.NASTRAN特征值抽取算法可精确地判别出相应的失稳临界点。

该方法较其它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, MSC.NASTRAN提供了另外三种不同的Arc-Length 方法特别适用于非稳定段(Snap-Thougth)和后屈曲问题的求解,不但可帮助分析准确地找出失
稳点而且还可跟踪计算结构的非稳定阶段及后屈曲点后的响应。

(非线性屈曲分析需非线性分析模块, 进一步信息见后有关部分)
3. 动力学分析
结构动力学分析是MSC.NASTRAN的主要强项之一, 它具有其它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MSC.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MSC.NASTRAN不同的动力学方法加以求解。

如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为降低, MSC开发的独特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,而不必象其它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Sparse 矩阵解算器适用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, MSC.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。

MSC.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。

MSC.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、输入载荷的快速富里叶变换、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。

MSC.NASTRAN的主要动力学分析功能如:特证模态分析、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：
瑞典Volv850GLT型汽车发动机振动特性分析
(1). 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。

(2). 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: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。

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。

(3). 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). 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。

(5). 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。

(6). 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%。

(7).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。

4.非线性分析
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、垫片或衬套等都要用到接触分析。

⑴. 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。

(2). 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。

(3). 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。

另外, 在MSC.NASTRAN的新版本中还将增加全三维接触单元。

（4）.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, 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). 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 β法及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。

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MSC.NAST RAN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。

MSC.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, MSC.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。

⑴．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。

⑵．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。

⑶．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MSC.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。

⑷．热控分析
MSC.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
MSC.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。

MSC.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。

⑴. 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。

⑵. 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, 提供可用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理论等。

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。

⑶. 气弹优化分析
在MSC.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。

MSC.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。

⑴. 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, MSC.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。