nastran_结构优化和灵敏度分析
基于MSC_NASTRAN的产品结构形状优化设计
2 结构边界形状的定义
结构边界形状的表示有两种方法：一是几何形状描述法， 设计变量为相关的几何特性，如单元网格的节点坐标、样条曲 线或多项式的参数和其它的几何参数；另一种方法是自然逼近 法， 在选取的有限元节点上， 假设某种边界条件， 加上虚拟载荷， 得到的在虚拟载荷下的节点位移场，该位移场作为形状设计变 量及有限元网格节点坐标变化基向量或依据，设计变量为虚拟 载荷变量。 在 $%& ’ ()%*+)( 优化模块中， 共提供四种方法来表示结 构的边界形状： - " . 节点变化法 - $D75DE F;GH ID;GDJGK7 . 。 直接利用边界节点 的坐标作为设计变量， 它是其它方法的基础。 - 2 . 基向量直接输入法 - <G;:8J E7L5J KM %6DL:N . 。 该法属于几 何形状描述法，它是在原始结构形状的基础上选择几种 “ 基本 形状修改方案 ” ， 即形状变化基向量， 再利用形状变化基向量的 线性组合来给定结构形状变化的方法。它的缺点是形状变化基向 量是由外部产生， 在每一个优化循环中， 形状变化基向量不能被更 新， 因此对于结构有较大的形状变化时， 会导致有限元网格畸变。 - / . 几何边界形状法 - F:KO:J;G8 PK57HD;Q %6DL:N . 。该法属于 几何形状描述法， 边界的形状可通过边界上节点的信息或一个前 几何模型的处理器来描述， 其优点形状变化基向量在每次优化循 环中自动更新， 可以避免由于结构大变形而使网格产生畸变。 - R . 分析边界形状法 - )7DEQJG8 PK57HD;Q N6DL:N . 。该法属于 自然逼近法，是进行形状优化设计的一种有效方法，形状变化 基向量是通过在辅助结构模型上施加虚拟载荷或强制位移产 生的，其优点同几何边界形状法类似，形状变化基向量在每次 优化循环中自动更新， 以避免结构大变形时网格产生畸变 1 2 3 。
MSC_Nastran模块介绍_2012
MSC Nastran 模块功能介绍1.MSC Nastran Basic 1003 （License文件中的授权特征名：NA_NASTRAN）MSC Nastran基本模块，功能包括线性静力分析、模态分析及屈曲分析。
MSC Nastran 基本模块求解规模无节点限制，可对多种单元、材料、载荷工况进行评估，实现线性静力分析（包括屈曲分析）和模态分析（包含流固偶合即虚质量方法和水弹性方法）。
线性静力分析，预测结构在静力条件下的线性响应（位移、应变、应力），即小变形和不考虑非线性因素的情况，包括屈曲分析（稳定性分析）。
模态分析能了解结构的固有频率（振动模态）特征，帮助评估结构的动力特性。
2. MSC Nastran Dynamics 1025 （License文件中的授权特征名：NA_Dynamics）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。
MSC Nastran动力学分析功能包括: 正则模态，复特征值分析，频率及瞬态响应分析，随机响应分析，冲击谱分析等。
3. MSC Nastran Connectors 10002 （License文件中的授权特征名：NA_Connectots）MSC Nastran连接单元，可以模拟点焊，铆接，螺栓连接等。
允许创建点-点，点-面，面-面连接。
可以用焊接单元将任意的两个部件的网格连接在一起，并自动处理与任意类型单元之间的连接。
4. MSC Nastran ADAMS Integration 10233 （License文件中的授权特征名：NA_ADAMS_Integration）MSC Nastran 与ADAMS的接口，使用ADAMS进行柔性体分析时，需导入MSC Nastran计算所生成的模态中性文件，MSC Nastran ADAMS Integration可使MSC Nastran 计算生成ADAMS所需要的柔性体模态中性文件。
nastran灵敏度分析与结构优化
sin(DIVD2) DIM 2 = DIVD1 + − ( DIVD1 − 5 ) * π 3 DIVD3
DIM1
DIM2
TUBE
DVMREL1 & DVMREL2
1 DVMREL1 2 ID DIVD1 3 TYPE COEF1 4 MID DIVD2 5 6 7 MPMAX COEF3 8 C0 -etc.9 10 MPNAME MPMIN COEF2 DIVD3
1 DVMREL2
2 ID
3 TYPE
4 MID DVID2
5
6
7 MPMAX
8 EQID
9
10
MPNAME MPMIN DVID3 -etc.-
DESVAR DVID1
MAT1
MID ST
E SC
G SS
NU MCSID
RHO
A
THRE
GE
DVCREL1 & DVCREL2
1 DVCREL1 2 ID DIVD1 3 TYPE COEF1 4 EID DIVD2 5 6 7 CPMAX COEF3 8 C0 -etc.9 10 CPNAME CPMIN COEF2 DIVD3
DEQATN
100
MAG(X, Y, Z) = SQRT(X**2 + Y**2 +Z**2)
判别设计响应
PID1
EID1
EID2
ANALYSIS DESOBJ DESGLB SOL 200
文件管理段 执行控制段 CEND 工况控制段 BEGIN BULK
DESVAR DVPREL1 DRESP1 DCONSTR
模型数据段
ENDDATA
Nastran简介
一、Nastran简介Nastran是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称NASA，又称美国宇航局）为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。
这个系统称为NASA Structural Analysis System，命名为Nastran。
20世纪60年代初，美国宇航局为登月需要，决定使用有限元法开发大型结构分析系统，并能在当时所有大型计算机上运行。
MacNeal-Scherndler Corporation（即MSC公司）是开发小组主要成员。
Nastran程序最早在1969年通过COSMIC（Computer Software Management and Information Center）对外发行，一般称为COSMIC.Nastran。
之后又有各种版本的Nastran程序发行，其中以MSC公司所开发的MSC.Nastran程序用户最为广泛。
长期以来MSC.Nastran 已成为标准版的Nastran，是全球应用最广泛的分析程序之一。
为了迎合企业准确充分地模拟产品的真实性能的需求，结合当今计算方法、计算机技术的最新发展，从2001年以来，MSC.Software投入了大量的研发力量于进行MD技术研发，在2006年成功发布了新一代的多学科仿真工具Nastran，在继承原有MSC Nastran强大功能的基础上，陆续集成了Marc、Dytran、Sinda、Dyna和Actran等著名软件的先进技术，大大增强了高级非线性、显式非线性、热分析、外噪声分析等功能二、Nastran软件功能(1)基本功能Nastran的基本模块支持各种材料模式的线性分析,包括：均质各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。
(2)动力学分析结构动力学分析是Nastran的最主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能,其功能包括时间域的瞬态响应和频率域的频率响应分析，方法有直接积分法和模态法，同时考虑各种阻尼如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼效应的作用。
基于Nastran的车身结构灵敏度分析与优化设计
(K n M n 0
（ 3）
固有频率对设计变量的灵敏度可以通过对无阻尼自由振动特征方程式 (3)的第 i 项设计 变量求偏导获得。
n K M K n M ) j n n M n
图 6 优化变量有限元模型 利用 MSC.Nastran 软件设计灵敏度分析及优化模块对上述设计变量进行优化分析，经 过 10 步迭代计算，优化过程自动结束，部分零件优化结果如下：
| LABEL | | | | | | | | | INITIAL : 10 7.0002E-01 7.0002E-01 1.0958E+00 7.0004E-01 7.0002E-01 7.9477E-01 7.0001E-01 7.0001E-01 : | LABEL N2801231 | | | | | | | | | INITIAL : 10 | N5301127 | N2801533 | N5301204 | N5301208 | N5301242 | N5130253 | N5701321 | N5701351 … 1.2000E+00 : 8.0000E-01 : 2.0000E+00 : 1.5000E+00 : 1.2000E+00 : 1.0000E+00 : 1.0000E+00 : 1.2000E+00 : 1.0000E+00 : 1.5000E+00 : 1.5000E+00 : 1.2000E+00 : 8.0000E-01 : 8.0000E-01 : 8.0000E-01 : 1.4000E+00 : 7.0003E-01 8.4654E-01 9.2494E-01 7.0008E-01 7.0001E-01 7.0000E-01 7.0001E-01 7.0004E-01
基于Nastran的高速列车车体应力灵敏度分析
ｊ ／ Ｊ ： ｆ ￣ ． ｉ ｆ－ Ｊ ｉ ＆ ｆ ｔ ９ ４ ＂ Ｉ ＂ － １ ￣ １ 儿ｉ － １ ｔ ｌ ：一化端 ． ｆ ｆ ９ Ｉ ｌ Ｊ １ ＾的 … 侈， 、纵 、 端 ¨ ｆ ｛ ； ． ・ 端 － ｆ ｚ ｆ ｛ Ｊ Ｊ Ｊ Ｊ １ 点 的乖 ｆ Ｉ Ｊ ！ Ｊ ｊ １ 、 ， Ｊ 似…、 移
公 式 经 存许 多 文献 中被 报道 。 １ ． 为了提 高 求 解 效
１ 静强 度分析
卣 先 ，对 乍体 进 行 静 强 度 汁 ， 并 计 算 』 、 』 敏
第 一作 者 ：范 乐灭 【 １ ９ ８ ２ ）．
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ＣＨＩ ＮＡ ＲＡ￣ＷＡＹ ２０１ ７ ／ ０ ６
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一
５ ３—
１ ． １ 边界条件设 置及计算 工况选取
钟 ： 仪 孑 虑 衔 祭 状 念 １ 匝 即 指 衙 乍休 顷 量 取
４ － ： ｆ 小』 支１ ｆ 小附 什 （ 除转 … ） ｛ ｌ ，
对 于 静 力 优 化 中 的 敏 度 采 用 于 有 元 力 为人 们 ｆ ¨ 行 的 选 车怵 强度 作 为保障运 什安 伞 的重 新 理 等 ０ ， 汁 要Ｉ 索 ．在高速 动 乍组 车 辆设计 时需 要 着重考 虑 ，住 程 的 解 析 灵 敏 度 算 法 ，其 特 点 在 于 灵 敏 度 精 度 ｆ 保 障 午 体 强 度 满 足 要 求 的 同 时 ，通 过 结 卡 勾 优 化 设 计 减 算 耗 时 少 ； 衅 点 存 ｆ公 式 较 复 杂 ，程 实 现 难 瞍 久 分 析 不 同 位 置 板 什 厚 度 对 车 悱 能 的 影 响 ． 采 川 少 冗 余 ，更 好 地 实 观 轻 量 化 设计 ｌ ＿ ０ 灵 敏 度 分析 指 一 为 Ｊ 、 Ｉ 州－ ｒ ． ｓ ｈ 软 件建 ● 某 动 牟 组 １ ： 怵 有 利 ， 用 来 评 价 因 设 计 变 量 改 变 引 起 结 构 响 应 变 化 率 的 Ｈ 死 摸 ，计
NX NASTRAN教程
解算器和解法类型概述下表显示了对每个受支持解算器支持的分析类型和解法类型。
如果您选择解算器，选项将包括上表中未列出的几种解算器类型：•NX Nastran Design —该解算器是适用于设计仿真用户的NX Nastran 解算器的流线型版本。
可以使用NX Nastran Design 来执行线性静态、振动（自然）模式、线性屈曲和热分析。
有关更多信息，请参见表中的NX Nastran 列。
•NX 热/流- 通过此解算器可以执行热传递和计算流体动力学(CFD) 分析。
可将两种解算器单独使用或结合使用来获得耦合的热流结果。
有关更多信息，请参见NX 热和流简介。
•NX Electronic System Cooling - 此解算器是一个综合的热传递和流仿真套件，它将热分析和计算流体动力学(CFD) 分析相结合。
可以使用此解算器来分析电子设计的复杂热问题。
有关更多信息，请参见NX 电子系统冷却简介。
•NX 空间系统热- 此解算器提供了用于空间和常规应用的热仿真工具的综合套件。
有关更多信息，请参见NX 空间系统热简介。
•LSDYNA —此版本的NX 中的LS-DYNA 解法类型用于将来扩展。
您可以创建FEM 并使用“导出仿真”来写入LS-DYNA 关键字文件，但仿真文件不支持边界条件和载荷，并且解算选项不起作用。
线性静态是一种用于解算线性和某些非线性问题（例如缝隙和接触单元）的结构解算。
线性静态分析用于确定结构或组件中因静态（稳态）载荷而导致的位移、应力、应变和各种力。
这些载荷可能是：•外部作用力和压力•稳态惯性力（重力和离心力）•强制（非零）位移•温度（热应变）受支持的环境高级仿真支持下列线性静态环境：•Nastran - SESTATICS 101，单个约束用解法类型单个约束创建解法时，可以创建具有唯一载荷的子工况，但每个子工况均使用相同约束。
•Nastran - SESTATICS 101，多个约束用解法类型多个约束创建解法时，可以创建多个子工况，每个子工况既包含唯一的载荷又包含唯一的约束。
基于MSC.PATRANNASTRAN的结构优化程序系统
基于MSC.PATRANNASTRAN的结构优化程序系统
基于MSC.PATRAN/NASTRAN的结构优化程序系统
自行开发结构优化软件存在着人机界面和结构分析功能不足等弱点.在有限元软件MSC.PATRAN/NASTRAN平台上,用PATRAN的二次开发工具PCL建立了结构优化系统,此系统由NASTRAN作结构分析和敏度分析,采用自主开发的基于二级多点逼近算法的程序模块进行寻优计算,并且特别增加针对空间飞行器结构优化的特殊功能和相应前后置界面,使PATRAN/NASTRAN具有的结构优化功能得以扩展.典型算例和实际工程的应用结果表明,本程序系统计算准确快捷,使用方便,适用于航天器的结构优化.
作者：陈珅艳袁家军黄海CHEN Shen-yan YUAN Jia-jun HUANG Hai 作者单位：陈珅艳,黄海,CHEN Shen-yan,HUANG Hai(北京航空航天大学宇航学院,北京,100083)
袁家军,YUAN Jia-jun(北京航空航天大学宇航学院,北京,100083;中国空间技术研究院,北京,100086)
刊名：宇航学报ISTIC PKU 英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS 年，卷(期)： 2005 26(4) 分类号： V414.19 关键词：结构优化 PATRAN/NASTRAN PCL 航天器。
nastran
Nastran简介Nastran（NASTRAN）是一种广泛使用的有限元分析软件，用于解决各种工程问题。
它最初是由美国国家航空航天局（NASA）开发的，用于设计和分析航天器结构。
随着时间的推移，Nastran已逐渐扩展到包括航空、汽车、船舶、建筑和其他领域的工程设计中。
Nastran提供了一套强大的工具和功能，用于创建、分析和优化复杂的结构和系统。
功能特点•有限元分析：Nastran可以进行线性和非线性的有限元分析。
它可以处理静态和动态的结构问题，包括线性弹性分析、非线性材料分析、动力学分析等。
Nastran还提供了各种不同的元素类型和求解器选项，以适应不同类型的分析需求。
•高级材料模型：Nastran支持各种材料模型，包括线性和非线性材料模型。
它可以考虑材料的弹性、塑性、破坏行为等，并根据定义的材料性能来分析结构的响应。
•结构优化：Nastran提供了多种优化方法和算法，用于优化结构设计。
它可以根据给定的设计目标和约束条件，自动搜索最优的设计解。
优化方法包括拓扑优化、形状优化、参数化优化等。
•疲劳和可靠性分析：Nastran可以进行疲劳和可靠性分析，用于评估结构的寿命和可靠性。
它可以考虑不同的载荷情况和环境条件，并根据标准和准则来评估结构的安全性和寿命。
•多物理耦合：Nastran可以进行多物理场的耦合分析，包括结构-热、结构-磁、结构-流体等。
它可以考虑不同物理场之间的相互作用和影响，并进行相关的分析和优化。
•后处理和可视化：Nastran提供了强大的后处理和可视化功能。
它可以生成各种分析结果和报告，包括应力、应变、位移、模态、频率响应等，并可以通过图形界面或脚本进行可视化展示和分析。
应用领域Nastran广泛应用于各种工程领域，包括航空航天、汽车、船舶、建筑等。
它可以用于解决各种结构和系统的设计和分析问题，包括飞行器结构设计、汽车车身强度分析、船舶结构疲劳寿命评估、建筑结构优化等。
Nastran已成为许多工程领域的标准分析工具，被广泛应用于工程设计和研发过程。
Nastran在白车身厚度优化中的运用
Nastran在白车身厚度优化中的运用作者：廖世辉周定陆1 概述白车身的第一阶扭转模态值是一个非常重要的技术指标。
一阶扭转模态频率值过低，在接近发动机怠速工况激振频率时，易引起整车共振，导致其NVH性能低下。
如何在设计阶段应用CAE手段大幅度提高一阶扭转模态值，减轻车身的重量，缩短开发周期，节省开发费用，避免产品在投放市场时出现致命的质量问题，是迫切需要解决的课题。
某厢式车在设计时发现白车身的第一阶扭转模态值低于目标值，通过对局部零件的修改，不能达到要求。
单纯靠增加局部零件强度的方法已经不能根本地解决问题。
本文论述了通过对白车身材料厚度进行全局优化，在实现车身减轻重量和保证扭转刚度的同时，提高车身一阶扭转模态频率的方法。
2 有限元分析在当前的设计状态下建立了白车身的有限元模型。
模型中平均单元尺寸为10mm，焊点采用cweld单元模拟。
整个白车身共有556906个节点，539762个单元，白车身有限元模型的重量为272.4Kg。
先在该模型基础上进行了自由模态分析，得出第4阶模态为扭转模态。
表1列出了前4阶模态的频率和振型。
表1 前四阶模态的频率和振型再计算该模型的静态扭转刚度值。
扭转刚度参照试验方案确定边界条件，用MPC 限制两前减震器安装支座中心点的位移，条件为在Z 方向的位移：Z1+Z2=0，即两点在Z 方向的位移大小相等，方向相反。
约束后减震器安装平面各节点所有的位移自由度，即T1=T2=T3=0。
在左减震器中心点上施加一绕车身中轴线的扭矩。
位移的测量点P1 和P2 位于过两减震器中心点的铅垂面与前纵梁底面截线的中心处，其Z 方向的位移分别为D1 和D2；在过后减震器中心点的铅垂面与后纵梁底面截线的中心处也布置了两个测量点P3和P4，其Z 方向的位移为D3 和D4，P1 和P2 在水平方向的距离为L1，P3 和P4 在水平方向的距离为L2。
在扭转载荷作用下白车身的扭转角和扭转刚度的计算公式为：α=(D1-D2)/L1-(D3-D4)/L2 （1）K=M/α（2）式中：M是扭转力矩，α是扭转角。
NX_Nastran简介1
[分享] NX Nastran简介简介, Nastran Nastran, 简介NX Nastran是由西门子/UGS PLM Software 研发、维护的全球标准Nastran，产品主要包括Professional Package、Dynamics Package、TMG Thermal Package、Server Package四个标准包及配选的功能模块。
主要模块及功能介绍•NX Nastran Basic（基本模块）NX Nastran基本模块是NX Nastran的一个核心子集，包括一套强健的线性静力学、模态、屈曲分析和基本非线性等功能。
其分析功能包括：1.线性静力分析（包括惯性释放）1.正则模态2.屈曲分析3.模型检查4.复合材料分析5.传热6.基本非线性分析•Optimization（优化）NX Nastran的优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成，设计灵敏度分析用于评估设计变动对结构的影响程度。
有效的优化算法允许在大模型中存在上百个设计优化变量和响应。
设计灵敏度和优化分析支持的分析类型包括：1.静力分析2.模态以及屈曲分析3.瞬态响应、频率响应4.气动弹性和颤振分析•Superelements（超单元）超单元模块在求解超大的复杂有限元模型时具有关键的作用，它可将大型结构分解为较小的同等子结构集合，这些子结构称为超单元。
该模块可用于所有NX Nastran 分析功能，在大型的完整系统分析中特别高效，例如整架飞机、车辆或者轮船；同时该模块可执行增量或者部分装配求解，大大提高了运算效率。
•Dynamic Response（动力响应）动力响应模块可在时间和频率领域内评价产品性能。
结构动力学分析是Nastran的最强项之一,方法有直接积分法和模态法，可考虑各种阻尼 (如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼)效应的作用。
主要分析类型有：1.频率响应分析2.瞬态响应分析3.随机振动响应分析4.冲击谱响应分析•Aeroelasticity（气弹分析）气弹分析模块可预测产品结构性能在风场中的动力稳定性和动态响应，气动弹性问题涉及气动、惯性及结构力间的相互作用，可以进行飞机、导弹、悬索桥、电视发射塔甚至烟囱和高压线的气动弹性分析和设计。
MSC.NASTRAN的分析功能
MSC.NASTRAN的分析功能作为世界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.PA TRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。
基于MSC Nastran的优化技术
０ 引 言
飞机 结构 优化 设计 是近 年来 发展起 来 的用 于飞 机结 构设 计 的新技 术 之 一 ， 其 基 本思 想 是 在 满 足 飞
即将 尺寸 、 形状 与拓 扑优 化统筹 起来 综合 考虑 ， 即通 常采用 的结 构 布局优 化 ． …
１ 结构 优 化 设 计 方 法
第２ ２卷 增 刊 ｌ
２ ０ １ ３年 ５ 月
计 算 机 辅 助 工 程
Ｃｏ ｍｐ ｕｔ ｅ ｒ Ａｉ ｄ ｅ ｄ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｖｏ １ ． ２ ２ Ｓ ｕ ｐ ｐ １ ． １
Ｍａ ｙ ２ ０１ ３
文章 编 号 ： １ ０ ０ ６—０ ８ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） Ｓ １ — ０ ２ ３ ５ － ０ ５
基 于 ＭＳ Ｃ Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ的优 化 技 术
闫 亚斌 ， 雷 江龙 ， 杨 华伦
（ 中航 飞机股份有限公 司 西安飞机分公 司。 西安 ７ １ ０ ０ ８ ９ ）
摘要 ： 减 轻 结构质 量对 现代 飞机 具有 极其 重要 的 意 义 ， 进 行 结 构优 化 设 计 可 以更 加 合理 地 确 定 材 料分布， 提 高材料 的利 用率 ， 从 而 满足这 一 目标要 求．目前 ， 结构优 化技 术 已广 泛应 用 于飞机 结构设
计 中， 通过确 定优 化设 计 变量 、 优化 区域 以及 响应 约束 ， 采 用 ＭＳ Ｃ Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ对机 翼 进行 优 化设 计 ， 在
NASTRAN软件在复杂结构力学特性分析中的应用
NASTRAN软件在复杂结构力学特性分析中的应用作者：蒙上阳唐国金雷勇军摘要：利用MSC/NASTRAN有限元分析软件分析运载火箭仪器舱的屈曲与振动、撞击岩石、固体导弹装药结构完整性、气动加热对固体导弹应力场的影响、运载火箭竖立状态振型等5个复杂结构力学特性，结果表明，MSC/NASTRAN的分析精度较高。
关键词：复杂结构模态碰撞结构完整性应力分析MSC/NASTRAN 软件随着社会发展的需要，在各个领域中出现了越来越多的复杂结构，这些结构在工作过程中会承受多种外载荷的联合作用，其应力、应变、位移、热变形及振动响应等问题的分析均比较复杂。
过去由于计算机的限制，对复杂结构的力学分析常感到力不从心，近十年来随着计算机技术和图形设备性能的不断提高，结构CAD/CAM技术的迅速发展，以及计算力学理论的进一步完善，结构CAE技术如今已成功地应用于各种工程部门的结构设计。
采用先进的结构CAE分析软件进行结构设计与分析，有利于节约研制费用、缩短研制周期，提高产品竞争能力。
同时可以全面、精确分析设计对象的物理状态，寻找最优参数，以便进行经济合理的结构设计。
以有限元法为基础的各种通用结构CAE分析软件现阶段种类非常多，它们以各自的优势在各自的工程部门得到了成功的应用。
一些著名结构分析软件包括MSC/NASTRAN，ANSYS，ABAQUS，MARCD，SAP91等。
而其中由美国宇航局支持发展的NASTRAN软件以其完备的前后处理技术、优化的数值求解方法、全面的结构分析能力已成为有限元分析软件的典范。
下面仅就几个具体例子对MSC/NASTRAN在结构分析中的应用做简单介绍。
1 复杂结构力学特性分析1.1 某型号运载火箭仪器舱的屈曲与振动模态分析仪器舱是火箭结构的重要组成部分，一般位于火箭上部，其主要功能是为火箭的各种仪器设备提供有效的安装空间和正常的工作环境。
在火箭工作过程中，仪器舱要承受较大的外载荷作用，包括轴向力、弯矩、剪力、外压和振动载荷等，因此，仪器舱也是火箭结构的承载部件。
对于MSC.Nastran软件软件的使用和结构优化程序二次开发
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Nastran有限元计算效率和计算精度分析
MSC/Nastran 有限元计算效率和计算精度分析洛阳光电技术发展中心王宏伟摘 要 本文通过一个简单的计算例子说明在使用有限元分析软件MSC/Nastran 进行实际工程计算时，计算精度、计算机时与有限元规模之间的关系，通过比较，可以看出，在工程实际计算中，应合理地对计算问题进行有限元网格的划分，以较高的计算效率获得较高的计算精度。
关键词：MSC/Nastran 、计算精度、有限元、计算机时。
1 前言有限元法是求解微分方程的一种非常有效的数值分析方法，其基本思想是用分片函数去逼近原函数，即把无限自由度问题转化为有限自由度的问题，再求解一个线性方程组，得到原方程的近似解。
这里存在一个自由度数量的选取问题，如果自由度取得太少，近似解的误差就大，以致于不能实用，自由度取得过多时，解的精度自然高，但会导致求解方程规模以指数级增大，以致计算机无法胜任。
因而，工程问题的有限元规模是有限元计算效率与计算精度的关键因素；另外，有限元划分质量的好坏对计算精度也有重大影响。
实际工程问题有限元分析计算时，如果能对结构进行合理的有限元建模与划分，就可以快速、精确地算出问题的应用解。
然而，实际问题往往较为复杂，合理的有限元建模比较困难，什么样的规模将是合理的模型，本文给以分析讨论。
2 计算精度影响的因素实际工程结构复杂，强度计算中，结构有限元网格密度加大，有限元数量增多，网格节点数势必变大，计算精度提高，同时计算占用机时增加，那么，是否是有限元数量持续加大，计算精度就一直提高，另外计算精度提高多少，计算精度提高对工程的意义如何；同时计算精度又与什么因素有关等。
现有一个简单的强度计算例子，使用材料力学理论就可以快速、精确地计算出其结果。
为了比较，同时使用材料力学公式和MSC/NASTRAN 软件两种方法分析计算。
有一圆形截面悬臂梁，轴向长度为5000mm 或更长，如图1，其左端固定，右端加一点载荷，现在欲求x=1000mm 和x=1300mm 处的最大计算应力。
NX-nastran-中的解算方案类型总结
NX nastran中的分析种类（解算方案类型总结）（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。
（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，NX 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。
（3）动力学分析NX 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。
NX 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：❑正则模态分析正则模态分析用于求解结构的固有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。
❑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。
❑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。
直接瞬态响应分析该分析给出一个结构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。
nastran操作指南
“机械工程有限元分析基础”本科生课程有限元分析软件MSC.NASTRAN2005r2ed操作指南南京航空航天大学机电学院设计工程系陈剑张保强郭勤涛2007年11月有限元结构静力与动态分析详细步骤南京航空航天大学机电学院设计工程系陈剑张保强郭勤涛一、分析目的有限元分析(FEA)是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。
通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
借助有限元分析软件进行结构静力与结构动力分析可以节省大量的时间。
通过本分析可以熟悉有限元软件patran与nastran的使用。
二、分析内容1、使用nastran进行一个悬臂梁的静力分析和动力分析2、使用nastran进行直齿圆柱齿轮的静力分析三、使用软件简单介绍MSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性：自动有限元建模: MSC.Patran的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具, 同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能, 使用户快速完成他们想做的工作。
同时也提供手动和其它有限元建模方法，一满足不同的需求。
分析的集成：MSC.Patran提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。
这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在MSC.Patran 中仍然可以正常使用，非常灵活。
用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断, 进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。
用户可自主开发新的功能：用户可将MSC.Patran作为自己的前后置处理器, 并利用其强大的PCL（Patran Command Language ）语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统, 或单独使用或与其它系统联合使用。
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设计模型与分析模型关系
设计模型 改进设计 设计变量, 目标函数,约束条件
CAD 模 型,原形
几何形状,单元特性 载荷边界条件 分析模型
响应
设计模型与分析模型比较
• 分析模型中的单元特性是设计模型中设 计变量的函数 例如：在工字梁截面参数优化中， 分析模 型中的截面面积、惯性积等是设计变量 宽、高和厚度的函数。
定义不独立设计变量与 独立设计变量的关系DLINK
格式：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DLINK
ID IDV3
DDVID C3
C0 -etc.-
CMULT IDV1
C1
IDV2
C2
例：
DLINK 10 8 2 7.0 0.1 0.33 2 2.0 6 -1.0
说明
DLINK定义了以下关系式: DDVID C 0 CMULT • • • • • • • 字段 ID DDVID C0 CMULT IDVi Ci
• 执行细节有限元分析 • 计算所有的约束条件，删除不很关键的条件(DESREEN) • • • • • • • • 计算剩余约束条件的梯度 产生与设计变量有关的高可靠性近似响应值 解决近似问题 修正分析变量 执行设计的具体分析 计算所有的约束条件 检查优化的收敛性 必要时重复以上过程
第二部分 结构优化设计模型
• 执行控制卡: DESOBJ(NIN)=N 定义目标函数，必须结合以下命令的使 用： • Bulk Data: DRESP1 N ... or DRESP2 N ...
• 定义目标函数的例子 使重量最小： DESOBJ(MIN) = 10 DPESP1, 10, w, weight
设计变量与特性关系的 定义DVPREL1
i
Ci * IDVi
内容 识别号 特性卡类型 关系式的常数(缺省值为0) 乘子 独立设计变量DESVAR的识别号 线性关系式中IDVi的系数
•用DLINK定义设计变量关系的例子:
Y t1 t2 t3 t4
0
10.
20.
30.
40.
X
因此
t 4 t1 ) xi t 1 ti ( 30 1 : t2 2 t 1 3 3 t 4 t3
格式：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DVPREL1
ID
TYPE
PID DVID2
FID
PM IN
PM AX -etc.-
C0
DVID1 COEF1
COEF2 DVID3
例：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DVPREL1
12 4
PBAR 0.25
612 20
6 20.0
0.2 5
3.0 0.3
例：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
DOPTPRM IPRINT P2
2 15
DESMAX
10
DELP
0.5
P1
1
• DOPTPRM卡中常用参数
DESMAX——设计容许的最大迭代次数 P1——输出控制 P2——输出控制（缺省为1，输出目标和设计变量值） DELP——两次迭代单元特性容许差值 （缺省0.02） DELX——两次迭代设计变量容许差值 （缺省1） CONV2——收敛准则（缺省值为0.01，两次迭代差值小 于CONV2时，优化迭代结束） IPRINT——结果输出控制（缺省值为0，不输出；2输出 迭代过程结果及寻查方向；5输出迭代过程目标函数及设 计变量的值） METHOD——数字优化方法（1改进的可行方向法；2序 列线性规划；3序列二次规划 ）
1 3
t1
2 3
t4
设计变量t2,t3可写作独立变量t1,t4的函数, DLINK可实现此关系式
… DESVAR, 1, t1, 1., 0.01, 5. DESVAR, 2, t2, 1., 0.01, 5. DESVAR, 3, t3, 1., 0.01, 5. DESVAR, 4, t4, 1., 0.01, 5. DLINK, 11 , 2, 0., 0.333, 1, 2., 4, 1. DLINK, 12 , 3, 0., 0.333, 1, 1., 4, 2. DVPREL1, 21, PSHELL, 101, 4, 0.01, 5., +, 1, 1.0 DVPREL1, 22, PSHELL, 102, 4, 0.01, 5., +, 2, 1.0 DVPREL1, 23, PSHELL, 103, 4, 0.01, 5., +, 3, 1.0 DVPREL1, 24, PSHELL, 104, 4, 0.01, 5., +, 4, 1.0
MSC/NASTRAN 结构优化 和灵敏度分析
第一部分
结构优化简介
结构优化分类
• • • • • 设计优化 形状优化 动响应优化 超单元优化 空气弹性变形优化
设计优化 概念
• 什么是设计优化
在计算机上实现自动修改分析模型参数以达 到预期目标并满足设计要求。
• 基本优化问题的数学描述 * 寻找一组设计变量 x1,x2,... * 使得函数F(X)最小 * 并且满足 不等式约束、等式约束、副 边界条件
设计模型如何定义？
• • • • • • 设计变量定义 目标函数定义 特性或几何形状与设计变量的关系 判别设计响应 定义设计约束条件 优化过程控制参数设置
设计变量定义DESVAR
格式：
1 DESVAR 2 3 4 5 ID LABEL XINIT XLB 6 7 8 XUB DELXV 9 10
定义设计约束条件 DCONSTR
结合以下命令的使用以定义约束条件： • 执行控制卡 DESSUB 或 DESGLB • Bulk Data DRESP1 或 DRESP2 DCONSTR
• 定义设计约束条件的例子
定义单元特性组1和2类型的单元应力值范围
SUBCASE 20 ANALYSIS = STATICS DESSUB = 100 … DRESP1,11,SAMAX,STRESS,PBAR, ,7, ,1, +, 2 DRESP1,12,SBMAX,STRESS,PBAR, ,14, ,1, +, 2 DCONSTR, 100, 11, -85., 85. DCONSTR, 100, 12, -85., 85.
Version69新功能概括
• Beam截面库 • 单元及特性输入检查 • 格式化的灵敏度值输出 • Mode tracking • 多边界条件：bucking, normal modes, flutter • 新的自然频率响应类型
NASTRAN结构优化的优点
• 有效解决小到大规模问题 • 可靠的收敛特性 • 用户界面、用户定义方程的多样性 • 近似概念的完善 • 逐步加强 • NASTRAN分析的可靠性 • NASTRAN的一部分——经济水平的支 持 • 方便利用NASTRAN中熟悉的分析工具
例 2：定义节点 7 的 Z 向位移
DRESP1 2 Z DISP 3 7
例 3：定义第一阶频率
DRESP1 3 f EIGN 1
说明：
• • • • • • 字段 ID LABEL RTYPE PTYPE REGION ATTA ATTB ATTi 内容 识别号 用户定义输出名 响应类型(WEIGHT,EIGN,STRESS等) 单元特性名(PBAR,PSHELL等) 用以筛选约束条件 响应属性
3
C2
0.5h hb 12
3
I1
, I2
形心C1,C2可写作独立变量B,H的线性关系式,可用DVPREL1实现 惯性积I1,I2与独立变量B,H的函数关系,结合DEQATN,用DVPREL2实现 … DESVAR, 10, B, 0.3, 0.1, 1. DESVAR, 11, H, 0.4, 0.1, 1. DVPREL2, 250, PBAR, 120, 4, , , 501, , + +, DEVAR, 10, 11 DVPREL2, 251, PBAR, 120, 5, , , 502, , + +, DEVAR, 10, 11 DVPREL2, 252, PBAR, 120, 6, , , 503, , + +, DEVAR, 10, 11 DEQATN 501 AERA(B,H) = B*H DEQATN 502 I1(B,H) = B*H**3/12. DEQATN 503 I1(B,H) = H*B**3/12. DVPREL1, 260, PBAR, 120, 12, -0.5, , , , + +, 10, -0.5 DVPREL1, 261, PBAR, 120, 13, 0.05, , , , + +, 11, 0.5 ...
FID DVID3 LABL3
PMIN PMAX EQID -etc.-etc.-
例：
DVPREL2 13 DESVAR DTABLE PBAR 4 PI 712 11 YM 5 13 0.2 5 4
•用DVPREL2定义变量与特性关系的例子:
h
b
b 0.3 h 0.4 C1 -0.5b, A bh bh 12
例：
1 DESVAR 2 2 3 AERA 4 5 35.0 10. 6 100. 7 0.2 8 9 10
说明：
字段 内容 ID 设计变量识别号 LABEL 用户定义输出名（字符） XINIT 变量初始值 XLB 下限 XUB 上限 DELXV
• • • • • •
目标函数定义DESOBJ
格式
设计变量与特性关系的 定义DVPREL2
结合 DEQATN 和 DTABLE 的使用,用户自定义方程, 表示分析模型的特性与设计变量的关系 格式：