nastran模态讲解
06_Nastran正则模态分析
1
=
1 0.5
1
=
300 150
1
=
.66 .33
DAI代表同一个的“振动模态”
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S6-19
x
● 系统自由振动方程(i.e. 没有外载荷和阻尼) 是:
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mx··= –kx or
mx··+ kx = 0
S6-3
控制方程（续）
● 对于多自由度系统，控制方程为：
● 耦合质量包含非对角矩阵平动分析也包含转动分量，像 BAR (无扭矩，默认选择或使用 Nastran BARMASS=1)， BEAM和BEND单元。
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S6-8
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S6-2
PAGE
4 6 10 16 18 22 25 26 29 30 31 33
控制方程
● 考虑单自由度系统SDOF，如下图：
这里：m = k=
质量 刚度
k m
S6-11
计算原理（续）
● 特征值问题就退化为求解如下问题
或者
| ( [ K ] – 2 [ M ] ) | = 0
nastran模态讲解
1.1 为什么要计算固有频率和模态1） 评估结构的动力学特性。
如安装在结构上的旋转设备，为避免其过大的振动，必须看转动部件的频率是否接近结构的任何一阶固有频率。
2） 评估载荷的可能放大因子。
3） 使用固有频率和正交模态，可以指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬态分析中时间步长t ∆的选取等）4） 使用固有频率和正交模态，在结构瞬态分析时，可以用模态扩张法 5） 指导实验分析，如加速度传感器的布置位置。
6） 评估设计1.2 模态分析理论考虑假设其解为代入得到特征方程或其中，2ωλ=1） 对N 自由度系统，有N 个固有频率（j ω，j=1,2,…,N ）,特征频率，基本频率或共振频率。
2） 与固有频率j ω对应的特征向量称为自然模态或模态形状，模态形状对应于结构扰度图3） 当结构振动时，在任意时刻，结构的形状为它的模态的线性组合例子：1.3 自然模态与固有频率性质（1）正交性ω的单位（2）jω单位为rad/s, 也可以表示为Hz (cycles/seconds),二者换算关系为j（3）刚体模态图为一未约束结构，有刚体模态如果结构完全未约束，有刚体模态存在（应力-自由模态）或机构运动，至少有一固有频率为0。
（4）自然模态的倍数依然为自然模态如：代表相同的振动模态（5）模态的标准化1.4 模态能量（1）应变-位移关系（2）应力-应变关系（3）静力-位移关系（4）单元应变能因此，对给定的模态位移模态应变为模态应力为模态力为模态应变能为1.5 特征值解法对于方程MSC/NASTRAN提供三类解法a)跟踪法（Tracking method）b)变换法（Tromsformation method）c)兰索士法（Lamczos method）1.5.1 跟踪法跟踪法解特征值问题，实质是迭代法。
对仅求几个特征值（或固有频率）的问题是一种方便方法。
MSC/NASTRAN中，提供两种迭代解法，即为逆幂法（INV）和移位逆幂法（SINV）前者存在丢根现象；后者采用STRUM系列，避免丢根，改善收敛性。
Hypermesh与Nastran模态分析详细教程
Hypermesh & Nastran 模态分析教程摘要：本文将采用一个简单外伸梁的例子来讲述Hypemesh 与Nastran 联合仿真进行模态分析的全过程。
教程内容:1.打开”Hypermesh 14.0”进入操作界面，在弹出的对话框上勾选‘nastran’模块，点‘ok’，如图1.1 所示。
图1.1-hypermesh 主界面2.梁结构网格模型的创建在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’ –‘Component’,重命名为‘BEAM’，然后创建尺寸为100*10*5mm3的梁结构网格模型。
（一开始选择了Nastran后，单位制默认为N, ton, MPa, mm.）。
本例子网格尺寸大小为2.5*2.5*2.5mm3，如图2.1 所示：图2.1-梁结构网格模型3.定义网格模型材料属性●在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’–‘Material’，如图3.1所示：图3.1-材料创建●在模型树内Material下将出现新建的材料‘Material 1’，将其重命名为’BEAM’。
点击‘BEAM’,将会出现材料参数设置对话框。
本例子采用铁作为梁结构材料，对于模态分析，我们只需要设定材料弹性模量，泊松比，密度即可。
故在参数设置对话框内填入一下数据：完整的材料参数设置如图3.2所示：图3.2-Material材料参数设置同理，按同样方式在主界面左侧模型树空白处右击选择‘Creat’ –‘Pro perty’，模型树上Property下将出现新建的‘Property1’，同样将其重命名为‘BEAM’，点击Property下的‘BEAM’出现如图所示属性参数设置对话框。
由于本例子使用的单元为三维体单元，因此点击对话框的‘card image’选择‘PSOLID’，点击对话框内的Material选项，选择上一步我们设置好的材料‘BEAM’，完整的设置如图3.3所示：图3.3-Property属性设置最后，点击之前创建的在Component 下的‘BEAM’模型，将出现以下对话框（图3.4），把Property 和Material 都选上对应的‘BEAM’，完成网格模型材料属性的定义。
hypermesh与nastran模态分析流程
模态分析流程
模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
利用hypermesh和nastran做模态分析简约流程如下：
1.打开hypermesh进入nastran模块
2.定义材料
注意：对于不同材料E，NU，RHO 取值不同
3.定义属性
4.定义component
5.定义力
注意：设置所需模态的阶数，注意前六阶为刚体模态。
6.定义load step
设置SPC和METHOD,类型选择模态
7.定义control card
选择AUTOSPC,BAILOUT为0,DORMM为0,PARAM为-1 8.保存文件，在nastran中进行计算。
nastran动力学培训
（续）
TLOAD2
载荷作用的起止时间
频率
相位角
载荷集的组合－DLOAD卡
整体比例因子 第2个载荷的比例因子 及TLOAD标识号
（续）
DAREA卡
Grid number Component号
比例因子
LSEQ卡
定义作为动态载荷来应用的静态载荷。 通过LOADSET工况控制命令来选中LSEQ模型数据卡 包含一个DAREA卡，以表明是和TLOAD卡一起作用的载荷集。
（续）
激励的定义：与瞬态响应中TLOAD对应，在频率响应中 为RLOAD。其中RLOAD1是按照实部与虚部的形式来定 义频变载荷；RLOAD2按幅值和相位的形式来定义频变载 荷。 几点考虑：如果激励的最高频率比系统的最低谐振频率小 得多，那么使用静态分析就足够了；阻尼很小的结构在激 励频率接近于谐振频率的时候，会表现出很大的动力响应。 在这样的问题中，模型上一个小的改动（或仅换一台电脑 来计算）都可能产生响应的明显变化；如果希望对峰值响 应进行充分的预测，必须使用足够好的频率步长（Δ f）。 对每个半能带宽至少使用5个点。
（续）
BEGIN BULK PARAM, COUPMASS, 1 PARAM, WTMASS, 0.00259 $ SPECIFY STRUCTURAL DAMPING PARAM, G, 0.06 PARAM, W3, 1571. $ APPLY EDGE CONSTRAINTS $ SPC1, 200, 12456, 1, 12, 23, 34, 45 $ $ PLACE BIG FOUNDATION MASS (BFM) AT BASE $ CMASS2, 100, 1000., 23, 3 $ $ RBE MASS TO REMAINING BASE POINTS $ RBE2, 101, 23, 3, 1, 12, 34, 45 $ $ APPLY LOADING TO FOUNDATION MASS $ TLOAD2, 500, 600, , 0, 0.0, 0.004, 250., -90. $ DAREA, 600, 23, 3, 2.588 $ $ SPECIFY INTEGRATION TIME STEPS $ TSTEP, 100, 200, 2.0E-4, 1 ENDDATA
nastran_ansys_装配体模态分析方法_精辟
NX NASTRAN 5.0NX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法UG NX 5.0NX NASTRAN 5.0解析用模型上下两个组件通过4个螺栓连接,底面完全固定;求解此装配体的模态(前10阶).(注:纯粹为了对比)NX NASTRAN 5.0NX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0NX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.02. 设置Structural Output Requests1:输出Displacement, Stress, SPC Force, Contact Result.装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.03.右键点击solution Contact ÆCreate SubcaseNX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0ÆOK装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0SOL 101SUBCASE 2STATSUB = 1METHOD = 3追加EIGRL 3 10装配体的模态分析方法装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0Close .dat file Æ运算ÆPost-ProcessingNX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法装配体的模态分析方法NX NASTRAN 5.0装配体的模态分析方法UG NX 5.0NX NASTRAN 5.0固有频率比较装配体的模态分析方法UG NX 5.0NX NASTRAN 5.0结论不考虑接触的模态结果,振型中有穿透发生.粘合限制了两个组件相互远离的变形.不考虑接触的固有频率最小,设置接触次之,粘合的最大.(与实际情况相符合)进行模态分析的时候,如果模型不是太复杂的情况下,最好设置接触.。
摩托车车架模态刚度Nastran优化实例
摩托车车架模态、刚度Nastran优化实例一、前言Nastran是一款性能优越的有限元结构仿真软件，能有效地进行结构的动力学、静力学计算。
摩托车车架的模态、刚度性能是非常重要的性能指标，影响到整车的振动、操纵性能等。
一般来讲，摩拖车车架的模态、刚度影响因素很多，各个管件的厚度、直径对其均有影响。
如何在质量最轻化的前提下，优化摩托车车架的模态、刚度，是一个很重要的课题。
运用有限元结构计算软件对摩托车车架进行模态、刚度优化，缩短开发周期，节省开发费用，避免产品在投放市场后再出现质量问题。
本文选取某款踏板车车架，对其模态和刚度进行优化，计算各个管件的壁厚、直径对模态、刚度的灵敏度系数，从而为车架设计提供依据。
二、基本知识介绍1.模态计算方法Nastran采用SOL103模块进行模态分析。
主要的计算方法有跟踪法、变换法和Lanczos方法。
其中Lanzos方法是跟踪法和变换法的结合，有较好的性能，是推荐的首选方法。
它要求质量矩阵为正的半正定矩阵，刚度矩阵对称。
Lanczos方法仅计算用户所要求的根，有跟踪法的效率而不会丢根，可以精确计算特征值和特征向量。
2.刚度计算方法车架的刚度包括车架的弯曲刚度和扭转刚度。
弯曲刚度指的是车架结构抵抗弯曲变形的能力，扭转刚度指的是车架结构抵抗扭转变形的能力。
车架弯曲刚度的计算方法：首先约束住后摇臂轴孔处三个坐标轴方向位移，再约束转向立管下端x方向的自由度。
在转向立管的上下端施加一对垂直于yoz 平面且大小相等、方向相同的力，力的作用点沿x方向产生的位移分别为和，则车架弯曲刚度为：。
车架扭转刚度的计算方法：车架处于同样的约束状况下，在立管的上下端施加一对垂直于yoz平面且大小相等、方向相反的力和，力的作用点沿x 方向产生的位移分别为2和，则车架的扭转刚度为：，。
3.优化方法Nastran采用SOL200模块支持多变量灵敏度与优化分析。
分析类型包括静力分析、正则模态分析、屈曲分析、直接复特征值分析、模态复特征值分析、直接频率响应、模态频率响应、模态瞬态响应、静气弹分析和振颤分析。
06_Nastran正则模态分析
正则模态分析
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S6-1
正则模态分析
PAGE 控制方程 质量矩阵 理论结构 计算模态原因 自然模态频率计算中的重要问题 模态计算方法 模态分析卡片定义 质量属性定义 质量检查 输出节点重量 SUPORT 支持卡片定义 自然模态分析卡片
● 用自然模态分析为后续瞬态响应、频响等做准备，如果采
用模态法做动力学分析，如何确定合适截止模态频率。
● 指导结构试验布置，加速度传感器位置等。
● 你老板告诉你要这么做。
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· · x = – e
S6-9
2
it
计算原理（续）
● 将方程 6-2 和 6-3 带入方程 6-1, 我们可以得到
– M e
2 it
+ K e
it
=0
可以简化为
K M 0
2
这是一个特征值问题。
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S6-4
质量矩阵
●
质量矩阵代表结构的惯性属性。Nastran提供2个选择定义结 构质量：、
1. 集中质量矩阵(默认) 仅存在非零对角元素 2. 耦合质量矩阵 存在非零非对角元素 （注意: 对于杆单元，只有平动自由度是耦合的。）
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Nastran静力分析11-12章
采用子情况(qíngkuàng)，定义如下四种不同边界条件：
l
对称-反对称
l
反对称-对称
l
对称-对称
l
反对称-反对称
采用BC情况控制指令识别多各边界条件。SPCADD模型数据卡定义所有SPC卡的组 合。
四分之一板输入(shūrù)文件：
第二十六页，共三十七页。
第二十七页，共三十七页。
第二十八页，共三十七页。
（在英寸-磅-秒系统） （在米-牛顿-秒系统）
(2)以重量单位输入(shūrù)质量数据（如密度），可用参数
PARAM,WTMASS,V1
将重量单位变为质量单位，V1为变换系数
(3)如用英制单位，以RHO=0.3磅/英寸3输入重量密度，用参数
PARAM，WTMASS，0.002588
将重量密度化为质量密度，这里重力加速度g = 386.4英寸/秒2
名称 SID METHOD
内
容
集标识别号（整数>0）。
选取特征值求解方法（BCD值） METHOD = INV 逆幂法
SINV 移位逆幂法 GIV 吉文斯变换法 MGIV 修正吉文斯法 HOU 郝斯厚德变换法 MHOU 修正郝斯厚德法 AGIV 自动选取GIV或MGIV法 AH第十O三U页，自共三动十七选页。取HOU或MHOU法
屈曲(qū qǔ)分析步骤
MSC/NASTRAN，用求解序列105求解线性屈曲问题
载荷 1)屈曲分析第一步是进行静力分析，形成微分（或几何）刚度矩阵
2) 静力分析载荷只需给出其分布，而载荷的数值(shùzí)大小是不重要的
边界条件
因对称结构最低屈曲模态不一定对称，屈曲分析往往采用全结构进行分析。 特征值解法
nastran频率响应分析详细步骤
nastran频率响应分析（模态法）1.边界条件1.1约束1.2载荷1.2.1静载荷力forces 强迫位移darea 压强pload 力矩moment 1.2.2频率—载荷函数▲TABLED1TABLED1：通过坐标点创建频率—载荷函数TABLED1_mum=坐标点数量x（i）：频率坐标数值y（i）：载荷倍数坐标值▲TABLED2TABLED2通过坐标点创建频率—载荷函数TABLED2mum=坐标点数量X1：x坐标延迟量x（i）：频率坐标数值y（i）：载荷倍数坐标值y=yt(x-X1)▲TABLED3TABLED3通过坐标点创建频率—载荷函数TABLED3mum=坐标点数量X1：x坐标延迟量X2:x坐标缩减倍数x（i）：频率坐标数值y（i）：载荷倍数坐标值y=yt((x-X1)/X2)▲TABLED41.2.3动力载荷RLOAD2:EXCITEID：选择已建好的静载荷TB：选择已建好的频率—载荷函数TYPE：载荷类型1.2.4动载频率选择—FREQi▲FREQ—频率列表选择离散的频率值NUMBER_OF_FREQ:频率数量F（i）：频率数值▲FREQ1—频率加法增量通过开始频率、频率增量、增量数量来对频率进行抽样。
F1：开始频率DF：频率增量NDF：增量数量NUMBER_OF_FREQ1=抽样组数量▲FREQ2—频率乘法增量在抽样区间内抽取一组相邻比例相等的频率F1：抽样区间下限频率（必须大于0）F2：抽样区间上限频率NF：把抽样区间分为NF+1个点取样；每个点的关系为F(n):F(n-1)=F(n-1):F(n-2); n表示第n个抽样频率。
NUMBER_OF_FREQ2：抽样组数量▲FREQ3—固有频率区间抽样在模态固有频率点之间平均/对数抽样只适用于模态法频率响应分析。
F1：起始频率F2：结束频率NEF：相邻模态固有频率区间的抽样数量NUMBER_OF_FREQ3：抽样组数量▲FREQ4—固有频率扩展在抽样区间中的每个模态固有频率点进行一定宽度及密度的扩展抽样只适用于模态频率响应分析F1：抽样区间下限频率F2：抽样区间上限频率FSPD：抽样频率点扩展宽度系数。
基于NASTRAN的汽车副车架模态频响分析
基于NASTRAN的汽车副车架模态频响分析为研究副车架与发动机叠加共振对车体的影响，利用NASTRAN对副车架进行模态频响分析，得出测试点的响应值；对悬置进行动刚度扫频试验，结合悬置的动刚度曲线，为避开副车架与发动机因频率相近出现低阶频率耦合，而造成的副车架刚度下降提供验证指导，文章采用有限元技术与试验相结合的方式来进行验证。
标签：副车架；频响分析；NVH引言副车架对汽车行驶时减小路面震动，改善车体结构，提高人员舒适性具有重大作用，其合适的刚度和强度在抵抗车体疲劳破坏方面意义重大，而连接副车架与发动机的悬置在隔绝汽车震动时，必须有良好的动静刚度，否则过硬过软不但会对车体造成受力不均，还容易引起车体振动，产生噪声，影响汽车稳定性及成员舒适性。
文章对副车架及悬置进行动刚度分析，来验证发动机与副车架是否发生频率耦合而产生共振，同时也为悬置开发提供指导。
1 副车架模型建立及理论分析1.1 有限元模型建立由引言得知，为减缓发动机因自身激励带来的震动而与副车架所受激励产生的震动叠加，需对连接两者的悬置进行动刚度试验，动刚度试验采用美国MTS 公司研发产的831弹性体试验系统进行试验（悬置动刚度曲线为图8、图9、图10）。
对副车架上的悬置安装点进行频响分析，再结合对悬置进行的扫频试验，根据频响分析结果与扫频所得的动刚度曲线来选择所需的悬置，防止叠加共振，产生放大效应，加速车架损坏。
根据悬置的共振频率来避开发动机与副车架的叠加共振。
文章将对某轿车简化副车架进行频响分析，来确定副车架在路面激励的作用下对整车底盘及副车架如何避开发动机工作时产生的激励频率，如图1为简化副车架有限元模型。
图1 副车架有限元模型1.2 模态频响分析理论模态频率响应分析是结构在外界激励作用下随时间的响应[2]。
模态频率响应分析是将n阶自由度系统的运动方程，进行一次坐标变换，用振型坐标代替原来的有限元节点坐标[1]。
对于模态法的频率响应问题，可以分成两步来求解，即第一步先结算结构的固有频率，第二步在已计算的固有频率基础上再进行频率响应的计算.根据振动微分方程（1）模态法首先进行模态分析得到系统的特征值？姿=？棕12和响应特征向量。
基于hypermesh及nastran的模态分析步骤详解
基于hypermesh与nastran的模态分析步骤详解1、2、打开 hypermesh 选择 nastran 入口。
打开或导入响应模型（只是网格不带实体）。
3、点击material 创建材料。
a) Type 选择 ISOTROPIC（各向同性）b) card image 选择 MAT1（Defines the material properties for linearisotropic materials.）nastran help 文档。
c) 点击 creat/edit，编辑材料属性输入 E（弹性模量）、NU（泊松比）、RHO（密度）。
由于各物理量之间都是相互关联的因此要注意单位的选择（详情见附件一）。
这里选择通用的 E=2.07e5，NU=0.3，RHO=7.83e-9。
4、点击properties 创建属性。
a) 由于是二维模型 type 选择 2D。
Card image 选择 PSHELL（壳单元）。
Material 选择刚才新建的材料。
b) 点击 creat/edit。
c) 定义厚度即 T（例如 T=3，注意此时单位是 mm）。
5、创建 material 以及 properties 后要将这些数据赋予模型。
a) 点击component。
b) 由于不是创建是修改，所以左边点选 update选择相应部件。
然后双击c) 然后双击选择刚才新建的厚度属性。
d) 最后点击 update。
6、创建加载情况，点击。
a) 创建 eigrl 激励，card image 选择 EIGRL，点击 creat/edit。
V1、V2 代表计算的频率范围，ND 计算的阶次。
两种方式可以任选一种。
b) 创建固定约束 spc。
点击 creat。
在点击 return，进入主页面analysis-constraints 通过合适的调整选择需要的点。
并根据实际情况约束自由度即 dof1-6（分别代表 x、y、z 的平动以及转动）。
nastran模态分析理论及实例
模态计算结果
● .f06文件显示的频率结果
特征值
圆频率 (弧度/秒)
周期频率 (Hz)
26
Patran模态分析设置
设置正则模态分析
27
Patran模态分析设置(2)
点击求解类型并 选择正则模态分 析 点击求解参数 Wt.Generator的 节点ID。这里将 计算这个节点的 质量属性。输入0 选择基础坐标系 的原点
– 默认情况下，WTMASS=1.0
● 例子
– MAT1卡片上使用重量密度N/m3，则需要 设置PARAM,WTMASS,0.102
– 转换因子WTMASS=1/g (= 1/9.8=0.102 m/sec2)
21
WTMASS 参数示例
● 例如, 在美国常用inch-pound-second单位体系中建立一个钢结 构模型。 从手册中得到的密度为:
1 23 4 5
6
7
8
9 10
EIGRL SID V1 V2 ND MSGLVL MAXSET SHFSCL NORM
EIGRL 1 0.1 3.2 10
字域 SID V1, V2
ND
内容 兰索斯标识号(唯一 整数> 0) 设定模态分析时的频率范围 或屈曲分析时的特征值范围实数或空白，V1<V2）。 所需特征值数量 (整数 > 0 或者空白)
4
5
质量矩阵（续）
● 耦合质量与集中质量对比
– 耦合质量通常情况比集中质量更加准确。 – 集中质量在动力学计算更加迅速。
● 对模型单元，用户选择耦合质量方法:
– PARAM,COUPMASS,1 选择耦合质量，针对所有的 BAR, ROD, 和 PLATE 单 元，这些包含弯曲刚度。
nastran模态振型 复数格式
Nastran模态分析是一种用于预测结构系统的自然频率和振型的方法。
在进行模态分析时，Nastran可以输出结构系统的模态振动频率和对应的振型，这对于设计和优化工程结构系统非常重要。
而复数格式则是模态振型结果的一种常见表示形式，下面将对Nastran模态振型复数格式进行详细介绍。
1. Nastran模态分析的基本原理Nastran模态分析是通过对结构系统施加一定的激励（通常是单位冲击或单位阶跃信号），来获取结构系统的自由振动性质。
在模态分析中，Nastran可以计算并输出结构系统的自然频率和对应的振型，这些信息对于评估结构系统的动力响应、进行结构优化和预测结构系统在实际工作环境下的响应非常重要。
2. 复数格式的模态振型表示在Nastran模态分析中，振型通常采用复数格式进行表示。
复数格式的模态振型是一种将每个节点的振动位移表示为实部和虚部的复数形式。
这种表示形式可以更直观地反映结构系统在模态分析中的振动特性，对于结构系统的动力响应和频率响应分析非常有帮助。
3. 复数格式模态振型的优点复数格式的模态振型具有以下几个优点：- 直观性：复数格式能够直观地反映结构系统的振动特性，有利于工程师对结构系统的振动行为进行理解和分析。
- 方便性：复数格式的模态振型能够方便地和其他动力学分析结果进行比较和整合，为工程设计和优化提供更多的信息支持。
- 数学性质：复数格式拥有丰富的数学性质，对于结构系统的振动特性和频率响应的分析有很好的数学基础。
4. Nastran的复数格式模态振型输出在进行Nastran的模态分析时，可以通过设置相应的参数来指定输出振型的格式。
在输出结果中，可以得到每个节点的振动位移在复数格式下的表示，以及对应的模态振动频率。
5. 复数格式模态振型的应用复数格式的模态振型在工程实践中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：- 结构系统的动力响应分析：复数格式模态振型可以为结构系统在不同激励下的动力响应提供基础。
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。
从hypermesh到nastran——模态和瞬态动力学分析关键步骤设置
hypermesh——nastran——模态分析。
模态分析关键步骤：1. 创建一个load collector, card image选择EIGRL(LANCZOS方法)。
然后editV1 –V2为频率范围，ND为阶数及方程组解的个数。
两者随意选择一个。
2. 创建loadstep，type为normal modes, method选中刚才创建的load collector。
3. 在control cards的sol选择nomal modes，, 如果想生成op2文件，把post也选上值为-1.4. 导出成bdf文件，启动nastran进行分析。
瞬态动力学分析如果激励是力比较好作，如果是强迫位移，老版本的需要用大质量或大刚度法把位移转换成力的载荷。
nastran 2001版以后可以直接加位移，关键步骤如下：1. 定义随时间历程曲线，创建load collectors，card image为Tabled12. 创建瞬态相应的时间步长和时间，load collectors, card image为Tstep3. 创建一个load collectors，card image为DAREA(如果是强迫位移不能用DAREA）4. 创建一个load collectors，card image为Tload1, excited选择DAREA，TID选择TSTEP，注意TYPE的选择。
5. 创建一个subcase，类型选择直接瞬态分析，DLOAD和TSTEP选择刚才创建的两个相对应的load collectors6. 导出成bdf文件，提交nastran进行分析。
如果是强迫位移，还要多两个卡，就是SPCD, LSEQ详细步骤跟以上差不多，只要把各个卡片弄懂了就很容易了。
nastran动力学培训
四、强迫运动
用于分析带有地基加速度、位移和速度的输入的受约束结 构。 直接指定法 例：一端固支的矩形结构，在地基上受到沿Z方向频率为 250HZ的单位正弦脉冲加速度作用，使用直接方法，确定 该结构的瞬态响应。在地基上施加1000lb的大质量，使用 的结构阻尼系数：g=0.06，并将此阻尼转化为在250HZ下 的等效粘性阻尼。
动力学培训内容介绍
1.模态分析 2.瞬态响应分析 3.频率响应分析 4.强迫运动 5.随机响应分析
结构动力学分析
一、模态分析 求解器：103 质量矩阵形式：MSC认为耦合质量比集中质量更精确，在 动力分析里出于对计算速度的考虑，更倾向于使用集中质 量。 使用方法：用PARAM，COUPMASS，1选择耦合质量； 缺省为集中质量。 求解方法：推荐的Lanczos方法。 EIGRL卡片
（续）
激励的定义：与瞬态响应中TLOAD对应，在频率响应中 为RLOAD。其中RLOAD1是按照实部与虚部的形式来定 义频变载荷；RLOAD2按幅值和相位的形式来定义频变载 荷。 几点考虑：如果激励的最高频率比系统的最低谐振频率小 得多，那么使用静态分析就足够了；阻尼很小的结构在激 励频率接近于谐振频率的时候，会表现出很大的动力响应。 在这样的问题中，模型上一个小的改动（或仅换一台电脑 来计算）都可能产生响应的明显变化；如果希望对峰值响 应进行充分的预测，必须使用足够好的频率步长（Δ f）。 对每个半能带宽至少使用5个点。
（续）
SOL 109 TIME 30 CEND TITLE = TRANSIENT RESPONSE WITH BASE EXCITATION SUBTITLE = USING DIRECT TRANSIENT METHOD, NO REDUCTION ECHO = UNSORTED SPC = 200 SET 111 = 23, 33 DISPLACEMENT (SORT2) = 111 VELOCITY (SORT2) = 111 ACCELERATION (SORT2) = 111 SUBCASE 1 DLOAD = 500 TSTEP = 100 $
nastran模态分析
1.1 为什么要计算固有频率和模态1） 评估结构的动力学特性。
如安装在结构上的旋转设备，为避免其过大的振动，必须看转动部件的频率是否接近结构的任何一阶固有频率。
2） 评估载荷的可能放大因子。
3） 使用固有频率和正交模态，可以指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬态分析中时间步长t ∆的选取等）4） 使用固有频率和正交模态，在结构瞬态分析时，可以用模态扩张法 5） 指导实验分析，如加速度传感器的布置位置。
6） 评估设计1.2 模态分析理论考虑假设其解为代入得到特征方程或其中，2ωλ=1） 对N 自由度系统，有N 个固有频率（j ω，j=1,2,…,N ）,特征频率，基本频率或共振频率。
2） 与固有频率j ω对应的特征向量称为自然模态或模态形状，模态形状对应于结构扰度图3） 当结构振动时，在任意时刻，结构的形状为它的模态的线性组合例子：1.3 自然模态与固有频率性质（1）正交性ω的单位（2）jω单位为rad/s, 也可以表示为Hz (cycles/seconds),二者换算关系为j（3）刚体模态图为一未约束结构，有刚体模态如果结构完全未约束，有刚体模态存在（应力-自由模态）或机构运动，至少有一固有频率为0。
（4）自然模态的倍数依然为自然模态如：代表相同的振动模态（5）模态的标准化1.4 模态能量（1）应变-位移关系（2）应力-应变关系（3）静力-位移关系（4）单元应变能因此，对给定的模态位移模态应变为模态应力为模态力为模态应变能为1.5 特征值解法对于方程MSC/NASTRAN提供三类解法a)跟踪法（Tracking method）b)变换法（Tromsformation method）c)兰索士法（Lamczos method）1.5.1 跟踪法跟踪法解特征值问题，实质是迭代法。
对仅求几个特征值（或固有频率）的问题是一种方便方法。
MSC/NASTRAN中，提供两种迭代解法，即为逆幂法（INV）和移位逆幂法（SINV）前者存在丢根现象；后者采用STRUM系列，避免丢根，改善收敛性。
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1.1 为什么要计算固有频率和模态1） 评估结构的动力学特性。
如安装在结构上的旋转设备，为避免其过大的振动，必须看转动部件的频率是否接近结构的任何一阶固有频率。
2） 评估载荷的可能放大因子。
3） 使用固有频率和正交模态，可以指导后续动态分析（如瞬态分析、响应谱分析、瞬态分析中时间步长t ∆的选取等）4） 使用固有频率和正交模态，在结构瞬态分析时，可以用模态扩张法 5） 指导实验分析，如加速度传感器的布置位置。
6） 评估设计1.2 模态分析理论考虑假设其解为代入得到特征方程或其中，2ωλ=1） 对N 自由度系统，有N 个固有频率（j ω，j=1,2,…,N ）,特征频率，基本频率或共振频率。
2） 与固有频率j ω对应的特征向量称为自然模态或模态形状，模态形状对应于结构扰度图3） 当结构振动时，在任意时刻，结构的形状为它的模态的线性组合例子：1.3 自然模态与固有频率性质（1）正交性ω的单位（2）jω单位为rad/s, 也可以表示为Hz (cycles/seconds),二者换算关系为j（3）刚体模态图为一未约束结构，有刚体模态如果结构完全未约束，有刚体模态存在（应力-自由模态）或机构运动，至少有一固有频率为0。
（4）自然模态的倍数依然为自然模态如：代表相同的振动模态（5）模态的标准化1.4 模态能量（1）应变-位移关系（2）应力-应变关系（3）静力-位移关系（4）单元应变能因此，对给定的模态位移模态应变为模态应力为模态力为模态应变能为1.5 特征值解法对于方程MSC/NASTRAN提供三类解法a)跟踪法（Tracking method）b)变换法（Tromsformation method）c)兰索士法（Lamczos method）1.5.1 跟踪法跟踪法解特征值问题，实质是迭代法。
对仅求几个特征值（或固有频率）的问题是一种方便方法。
MSC/NASTRAN中，提供两种迭代解法，即为逆幂法（INV）和移位逆幂法（SINV）前者存在丢根现象；后者采用STRUM系列，避免丢根，改善收敛性。
逆幂法和移位逆幂法均用模型数据卡EIGR来定义，并用情况控制指令METHOD来选取。
1.5.2 变换法特征方程变换为：λ=[φφ{}A}]{式中矩阵[A]是用Givens法或Householder法变换得到的三角矩阵，一次求解可得全部特征值。
对于维数小、元素满的矩阵，且需求全部或大部分特征值问题十分有效；MSC/NASTRAN提供Givens法（GIV）和修正MGIV法；MSC/NASTRAN提供郝斯厚德(HOU)法和修正郝斯厚德(MHOU)法；吉文斯（GIV）法和郝斯厚德(HOU) 法要求[M]矩阵正定；修正吉文斯法（MGIV）与修正的郝斯厚德法(MHOU)允许[M]是奇异的，从而可求解刚体模态；变换法用模型数据卡EIGR来描述，用情况控制METHOD选取。
1.3.3兰索士(Lanczos)法兰索士(Lanczos)法是一种将跟踪法和变换组合起来的新的特征值解法;对计算非常大的稀疏矩阵几个特征值问题最有效;兰索士法用模型数据卡EIGRL描述，用情况控制METHOD选取。
1.3.4 特征值方法比较上面介绍特征值解法各有用处。
比较而言，兰索士法首先推荐的1.3.5 Lanczos法卡片1.3.6 模态分析求解控制（1）执行控制（2）情况控制（3）数据模型（4）输出控制a)结点输出b)单元输出c)其他1.3.7 模态分析例子问题：平板的模态分析（1）结点与单元（2）载荷与边界条件（3）材料与几何（4）输入文件（a）几何模型文件plate.bdf$ geometric input file for plate modelPSHELL 1 1 .1 1 1CQUAD4 1 1 1 2 13 12CQUAD4 2 1 2 3 14 13CQUAD4 3 1 3 4 15 14CQUAD4 4 1 4 5 16 15CQUAD4 5 1 5 6 17 16CQUAD4 6 1 6 7 18 17CQUAD4 7 1 7 8 19 18CQUAD4 8 1 8 9 20 19CQUAD4 9 1 9 10 21 20CQUAD4 10 1 10 11 22 21CQUAD4 11 1 12 13 24 23CQUAD4 12 1 13 14 25 24CQUAD4 13 1 14 15 26 25CQUAD4 14 1 15 16 27 26CQUAD4 15 1 16 17 28 27CQUAD4 16 1 17 18 29 28CQUAD4 17 1 18 19 30 29CQUAD4 18 1 19 20 31 30CQUAD4 19 1 20 21 32 31CQUAD4 20 1 21 22 33 32CQUAD4 21 1 23 24 35 34CQUAD4 22 1 24 25 36 35CQUAD4 23 1 25 26 37 36CQUAD4 24 1 26 27 38 37CQUAD4 25 1 27 28 39 38CQUAD4 26 1 28 29 40 39CQUAD4 27 1 29 30 41 40CQUAD4 28 1 30 31 42 41CQUAD4 29 1 31 32 43 42CQUAD4 30 1 32 33 44 43CQUAD4 31 1 34 35 46 45CQUAD4 32 1 35 36 47 46CQUAD4 33 1 36 37 48 47CQUAD4 34 1 37 38 49 48CQUAD4 35 1 38 39 50 49CQUAD4 36 1 39 40 51 50 CQUAD4 37 1 40 41 52 51 CQUAD4 38 1 41 42 53 52 CQUAD4 39 1 42 43 54 53 CQUAD4 40 1 43 44 55 54 MAT1 1 3.+7 .3 .282 GRID 1 0. 0. 0.GRID 2 .5 0. 0.GRID 3 1. 0. 0.GRID 4 1.5 0. 0.GRID 5 2. 0. 0.GRID 6 2.5 0. 0.GRID 7 3. 0. 0.GRID 8 3.5 0. 0.GRID 9 4. 0. 0.GRID 10 4.5 0. 0.GRID 11 5. 0. 0.GRID 12 0. .5 0.GRID 13 .5 .5 0.GRID 14 1. .5 0.GRID 15 1.5 .5 0.GRID 16 2. .5 0.GRID 17 2.5 .5 0.GRID 18 3. .5 0.GRID 19 3.5 .5 0.GRID 20 4. .5 0.GRID 21 4.5 .5 0.GRID 22 5. .5 0.GRID 23 0. 1. 0.GRID 24 .5 1. 0.GRID 25 1. 1. 0.GRID 26 1.5 1. 0.GRID 27 2. 1. 0.GRID 28 2.5 1. 0.GRID 29 3. 1. 0.GRID 30 3.5 1. 0.GRID 31 4. 1. 0.GRID 32 4.5 1. 0.GRID 33 5. 1. 0.GRID 34 0. 1.5 0.GRID 35 .5 1.5 0.GRID 36 1. 1.5 0.GRID 37 1.5 1.5 0.GRID 38 2. 1.5 0.GRID 39 2.5 1.5 0.GRID 40 3. 1.5 0.GRID 41 3.5 1.5 0.GRID 42 4. 1.5 0.GRID 43 4.5 1.5 0.GRID 44 5. 1.5 0.GRID 45 0. 2. 0.GRID 46 .5 2. 0.GRID 47 1. 2. 0.GRID 48 1.5 2. 0.GRID 49 2. 2. 0.GRID 50 2.5 2. 0.GRID 51 3. 2. 0.GRID 52 3.5 2. 0.GRID 53 4. 2. 0.GRID 54 4.5 2. 0.GRID 55 5. 2. 0.SPC1 1 12345 1 12 23 34 45（b）Nastran输入文件ID SEMINAR, PROB1SOL 103TIME 600CENDTITLE = NORMAL MODES EXAMPLE ECHO = UNSORTEDSUBCASE 1SUBTITLE= USING LANCZOS METHOD = 1SPC = 1VECTOR=ALLBEGIN BULKPARAM COUPMASS 1PARAM WTMASS .00259EIGRL 1 10 0PSHELL 1 1 .1 1 1CQUAD4 1 1 1 2 13 12=,*1,=,*1,*1,*1,*1=8CQUAD4 11 1 12 13 24 23=,*1,=,*1,*1,*1,*1=8CQUAD4 21 1 23 24 35 34=,*1,=,*1,*1,*1,*1=8CQUAD4 31 1 34 35 46 45=,*1,=,*1,*1,*1,*1=8MAT1 1 3.+7 .3 .282GRID 1 0. 0. 0.=,*1,=,*0.5,===9GRID 12 0. .5 0.=,*1,=,*0.5,===9GRID 23 0. 1. 0.=,*1,=,*0.5,===9GRID 34 0. 1.5 0.=,*1,=,*0.5,===9GRID 45 0. 2. 0.=,*1,=,*0.5,===9SPC1 1 12345 1 12 23 34 45 ENDDATA。