MSC Nastran 新功能培训
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– 点焊和缝焊 – 多轴评估 – 2 Pass和3 Pass通道疲劳分析 – 对于实体单元使用表面应力进行疲劳分析 – 支持超单元
• 在MSC Nastran 2017, NEF的功能扩展到频域的疲劳分析
• 现在可以通过频响应分析的随机振动分析计算疲劳寿命和损伤
– SOL 108 – SOL 111
Multi-axial Assessment
2016 NEF新增功能
Nodal Averaged
Surface Resolved Stress
MSC Nastran内嵌振动疲劳
• 自从第一次在MSC Nastran 2013中引入内嵌疲劳（NEF），MSC Nastran Embedded Fatigue (NEF)就不断有新功能增加：
― 精度 ― 计算速度 ― 易用性 ― 利和弊：频域相对于时域
MSC Nastran内嵌振动疲劳
精度
• 损伤图示例 • 一般情况下，两次计算的损伤指数在2以
内 => 大多数情况是可以接受的 易用性 • TF和PSD矩阵代替大量的时间信号和模态 参与因子
计算速度
• 频域计算速度更高 (可能快2倍以上) 频域分析的利弊
1
2
3
4
5
6
7
8
ACLOAD SID UNIT1 UNIT2 SCLR SCLI LSQID
9
10
• LSQID, 2016.0新增加的内容，允许使用者选取由Actran生 成的载荷文件中的载荷工况 。
• 执行一个MSC Nastran作业，同一ACLOAD中可以使用不同 乘子进行多个subcase的叠加
MSC Nastran内嵌振动疲劳
什么是振动疲劳? • 传统疲劳分析是在时域里完成的：
P1(t)
P1(t)
局部应力曲线
ij (t)
P2(t)
P2(t)
疲劳寿命
• 振动疲劳是在频域中进行疲劳分析：
(Stress)2
ij ( f ) Hz fk
m0 m1 m2 m4
Gk(f)
Frequency, Hz
MSC Nastran2017 新功能培训
• 演讲人: 赵鹏
• 目录
❶ 动力学&噪声 ❷ 高级分线性 ❸ 转子动力学 ❹ 优化 ❺ 数值方法与HPC ❻ 用户界面
动力学 & 噪声
什么是内嵌疲劳（NEF）
• NEF = Nastran Embedded Fatigue • 疲劳求解器被直接嵌入FEA工具
• 优势 – 频率响应识别不再需要由分析师手动完成 – 可以减少有效进行参与因子计算的Nastran运行数量
• 如下新的工况控制卡片控制峰值识别
PEAKOUT 参与因子分析
• 在工况控制部分，PFPANEL, PFGRID 和 PFMODE卡片的SOLUTION关键词中有新的 选项：
PEAKOUT 参与因子分析– 用户案例
NEF 计算任务完全在 MSC Nastran中进行
Fatigue output
NEF功能发展
• MSC Nastran 2013 – 应力-寿命 – 应变-寿命 – 安全系数(S-N & E-N) – 临界面方法 (m/axial) – 支持超单元 – 支持NEF重启动 – 支持优化 – 外进程 – 静力失效检查 – 并行进程 – Utilities工具
• 较少的数据点 • 更直观的分析
MSC Nastran内嵌振动疲劳
注意事项 • Patran 2017支持前后处理 • 新的 MSC Nastran 内嵌振动疲劳用户手册
(包含在文档安装包中)
• MSC Nastran内嵌振动疲劳需要新的license
PEAKOUT 参与因子分析
• 在频响应中找到峰值，并且在一次运算中自动对这些峰值进行参与因子计算 • 支持PFPANEL,PFGRID 和 PFMODE
• 全内饰车身振动噪声 • 2M 板壳单元, 4M实体单元，大约20M自由
度 • 6 个工况, 1000 个激励频率 • ~3000 阶结构模态, 120 阶流体模态 • 128 个随机样本（每个工况） • 对不同的dmp并行选项做了研究
串行DMP 16 => 10x 加速
ACLOAD功能增强
• ACLOAD – 施加Actran计算的噪声载荷到MSC Nastran SOL 108/111
• 实例
• 单一剪切实例
– 3 块平板
– 上部的板有6个接触体，每 个都有紧固件
– 定义2种不同的黏着力刚度 (定值)
针对各种粘接接触的有黏着力接触
• 普通粘接和黏着力粘接结果的比较 • 一边固定，另一边加载 • 研究X方向的位移 • 可以打印出力/力矩结果到f06文件
普通粘接接触 (最大值 0.183)
有黏着力接触的粘接接触
• 很多仿真涉及到多个组件的装配。装配过程通过各种工艺流程实现，如铆接， 螺栓，点焊，缝焊，或粘合。
– 对每一个离散的连接都建立模型往往成本太高 – 粘接接触功能是用来简化降低计算成本的。虽然这种方法容易使用，但往往会导致
结构过于刚性，因为高效的连接是刚性连接。
• 为了缓解这一点，引入了有黏着力的接触功能
疲劳
MSC Nastran内嵌振动疲劳
为什么要有振动疲劳? • 很多行业使用频域的方法
– 推进系统 – 飞行器结构 – 卫星 – 风能 – 发射系统/导弹 – 动力总成 – 排气 – 防御系统 – 全车/卡车车身 – 组件 – 海洋工程
MSC Nastran内嵌振动疲劳
为什么要有振动疲劳?
• 随机响应和疲劳求解器
• 保留初始间隙和过盈
• 增加BCONPRG卡片
初始间隙
焊料蠕变和Anand 本构模型
• 在集成电路生产和封装过程中，焊料广泛用于连接不同的芯片或线路，其蠕变 行为对芯片的性能和耐久性有显著影响。
• Anand蠕变模型在IC工业中被广泛采用，用以描述焊料材料的蠕变行为。 • 在现有的SOL 400的粘塑形材料增加了新的选项 (MATVP)
– SOL 108 / 111 – 频响应分析
– 快速输出应力到疲劳寿命/损伤分析
– 简单操作 – 不再是后处理行为
• 适用于非常大的模型 – Scratch文件最小或者完全删除
• 文件减少高达 90%
– 内核计算
• 支持优化
8.34GB file
limit of some 1st
generation solvers
2016 NEF新增功能
• 损伤和疲劳寿命基于： – 节点应力平均 – 恢复出的表面应力 – 单元节点或中心点应力
• 益处 – 更好地工程应用价值 – 与客户当前工作流程一致
• 输入 – FTGPARM
Solid Model 3D Stress State on Surface
Skinned Model 2D Stress State on Surface
高级非线性 (SOL 400)
梁的segment-to-segment接触
• 可以准确考虑梁的形状 • 新增两个卡片: BCPFLG 和 BCSCAP (可选) • 默认设置不包含新的选项:
• 所有梁元segment的形状都需要考虑 • 梁上没有边沿 • 同样可以考虑管状梁外壁与管状梁内壁的接触.
• 使用PLT Viewer做后处理 (由MSC Nastran提供)
实例: Nascar 模型
• 含PEM的声腔和车身的小演示模型 • 进行如下概率仿真：
– 20 个随机样例 – 0.005 结构刚度变化增量
结构响应(均值和 90% 置信度)
流体响应(均值和 90% 置信度)
实例: 汽车车身振动噪声问题
– 疲劳是求解的一部分，计算完全在Nastran中进行 – 不是一种应力的后处理 – 计算速度更快，特别适合超大规模疲劳耐久模型 – 计算文件更小 – 数据转换更快捷，无中间数据 – 更便于设置，直接使用Nastran卡片格式设定 – 设计更优，直接可以基于疲劳寿命进行优化设计（SOL200）
FE model
Software has no practical limitation Only based on machine capability
2000 GB
run times (mins)
Number of Grid ID’s
MSC Nastran内嵌振动疲劳
功能 • 同时支持 S-N 和 E-N 分析 • 随机载荷 • 有或无静应力偏移的单输入随机载荷
MSC Nastran内嵌振动疲劳
示例 • 转向节SOL 111求解 • 多个事件(3个方向/工况, 2个事件) • 使用TIM2PSD将时域信号转换到PSD及CPSD计算 • 提供每个事件的结果和一个负载周期的总和
X
Y
Z
MSC Nastran内嵌振动疲劳
示例 • 卡车驾驶室, 通常用SOL 112求解疲劳仿真 • 这个例子展示了时域和频域疲劳的对比 • 12 个输入 (4 安装点 x 3 个方向) • 一个负载周期10个事件 • 对于SOL 111, 使用了TIM2PSD • 特征值频率算到 80Hz + 残余向量 • 这个例子可以展现以下问题：
– 多载荷随机输入，包含有或无静应力偏移 的互相关性
• 确定性载荷 – 确定性载荷 (单正弦波和窄带) – 谐波载荷 (同时施加多个正弦波） – 正弦和窄带扫描
• 负载周期 – 以上所有的载荷类型均可以组合为载荷事 件或序列
• 时域到PSD的转换 – 能够自动将时域载荷转换为等效的PSD – 直接在分析中应用时域信号 – 从时域转换到频域非常容易
驾驶员耳朵的压力 响应
中频噪声
背景 • 概率统计的方法更适合测量中频范围300Hz – 2000 Hz的响应
– 模态密度特别高并且非均匀 – 响应相对于模型参数高度敏感，如，材料和几何特性
• 中频噪声通过运行蒙特卡洛仿真添加到SOL 111的功能中，基于非参数变化法 (NPVM)
优势 • NPVM 方法允许用户在SOL 111中有效的运行概率蒙特卡洛仿真，从而处理模型
• 使用PEAKOUT输入请求参与因子分析
- 3 个峰值 - 在两个峰值之间最小5.0 Hz 分隔 - 声响应用分贝（DB）表示 • 2 个工况subcases • 前支柱激励 • 驾驶员和前排乘客耳朵的压力响应 • 面板和点上的贡献因子输出请求
PEAKOUT 参与因子分析
• 测试工况的结果 F06 输出
黏着力粘接接触(最大值 0.215)
转子动力学
3-D转子动力学
支持的单元：
0D: CONM1, CONM2 1D: CBEAM, CBAR 2D: CQUADX (CQUADH), CTRIAX (CTRIAH) (仅适用于固定参考系) 3D: CTETRA, CPENTA, CHEXA, CQUAD4, CQUAD8, CTRIA3, CTRIA6
的不确定性 • 新增的功能允许以HDF5的格式输出蒙特卡洛仿真的结果，这种格式的结果可以
读入到PLT Viewer中进一步做后处理 • 依赖DMP使得NPVM方法高度可扩展
Байду номын сангаас
中频噪声
用户界面 • 很容易将确定的SOL 111转换为概率分析
– MONCARL Case Control – MONCARL Bulk data entry (结构和流体可变的参数)
– 连接不再是刚性的 – 用户输入组件之间的有效刚度
• 支持SOL 101 – 112, 200 和 SOL 400
– 一般和永久接触 – SOL 103 - SOL 112只有永久接触 – 只支持Segment 对Segment
针对各种粘接接触的有黏着力接触
• 用户界面
– 使用 PARAM,CDBMSG05,2 输出初始准刚度值 – 刚度通过几何接触参数 BCONPRG定义 – 需要定义有黏着力接触的法向和切向刚度 – 可以是定值，或者依赖于相对位移和温度变化
Anand 焊料蠕变材料模型
模块 – 包含内嵌组件; 引脚 – 连接模块和PCB 焊点 – 作为引脚和PCB之间的连接； 粘胶 – 帮助支撑模块，释放焊料和引脚之间 的应力
实例
• 倒装芯片封装中焊料球的轴对称分析
焊料
• 焊料球的材料特性随温度变化 • 温度载荷
– 初始温度是 20 C – 工作温度是125 C
• MSC Nastran 2014 – 焊点SN分析（支持优化） – 焊缝SN分析（支持优化） – 支持多通道RPC文件. – 支持3-Pass NEF运行 – 针对多个MAT1的 MATFTG – 双轴/多轴评估 – 块载荷
焊点和焊缝疲劳支持SOL 101(静力) , SOL 103 (模态) , SOL 112 (模态法 瞬态响应) 和 SOL 200 (优化)
• 在MSC Nastran 2017, NEF的功能扩展到频域的疲劳分析
• 现在可以通过频响应分析的随机振动分析计算疲劳寿命和损伤
– SOL 108 – SOL 111
Multi-axial Assessment
2016 NEF新增功能
Nodal Averaged
Surface Resolved Stress
MSC Nastran内嵌振动疲劳
• 自从第一次在MSC Nastran 2013中引入内嵌疲劳（NEF），MSC Nastran Embedded Fatigue (NEF)就不断有新功能增加：
― 精度 ― 计算速度 ― 易用性 ― 利和弊：频域相对于时域
MSC Nastran内嵌振动疲劳
精度
• 损伤图示例 • 一般情况下，两次计算的损伤指数在2以
内 => 大多数情况是可以接受的 易用性 • TF和PSD矩阵代替大量的时间信号和模态 参与因子
计算速度
• 频域计算速度更高 (可能快2倍以上) 频域分析的利弊
1
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ACLOAD SID UNIT1 UNIT2 SCLR SCLI LSQID
9
10
• LSQID, 2016.0新增加的内容，允许使用者选取由Actran生 成的载荷文件中的载荷工况 。
• 执行一个MSC Nastran作业，同一ACLOAD中可以使用不同 乘子进行多个subcase的叠加
MSC Nastran内嵌振动疲劳
什么是振动疲劳? • 传统疲劳分析是在时域里完成的：
P1(t)
P1(t)
局部应力曲线
ij (t)
P2(t)
P2(t)
疲劳寿命
• 振动疲劳是在频域中进行疲劳分析：
(Stress)2
ij ( f ) Hz fk
m0 m1 m2 m4
Gk(f)
Frequency, Hz
MSC Nastran2017 新功能培训
• 演讲人: 赵鹏
• 目录
❶ 动力学&噪声 ❷ 高级分线性 ❸ 转子动力学 ❹ 优化 ❺ 数值方法与HPC ❻ 用户界面
动力学 & 噪声
什么是内嵌疲劳（NEF）
• NEF = Nastran Embedded Fatigue • 疲劳求解器被直接嵌入FEA工具
• 优势 – 频率响应识别不再需要由分析师手动完成 – 可以减少有效进行参与因子计算的Nastran运行数量
• 如下新的工况控制卡片控制峰值识别
PEAKOUT 参与因子分析
• 在工况控制部分，PFPANEL, PFGRID 和 PFMODE卡片的SOLUTION关键词中有新的 选项：
PEAKOUT 参与因子分析– 用户案例
NEF 计算任务完全在 MSC Nastran中进行
Fatigue output
NEF功能发展
• MSC Nastran 2013 – 应力-寿命 – 应变-寿命 – 安全系数(S-N & E-N) – 临界面方法 (m/axial) – 支持超单元 – 支持NEF重启动 – 支持优化 – 外进程 – 静力失效检查 – 并行进程 – Utilities工具
• 较少的数据点 • 更直观的分析
MSC Nastran内嵌振动疲劳
注意事项 • Patran 2017支持前后处理 • 新的 MSC Nastran 内嵌振动疲劳用户手册
(包含在文档安装包中)
• MSC Nastran内嵌振动疲劳需要新的license
PEAKOUT 参与因子分析
• 在频响应中找到峰值，并且在一次运算中自动对这些峰值进行参与因子计算 • 支持PFPANEL,PFGRID 和 PFMODE
• 全内饰车身振动噪声 • 2M 板壳单元, 4M实体单元，大约20M自由
度 • 6 个工况, 1000 个激励频率 • ~3000 阶结构模态, 120 阶流体模态 • 128 个随机样本（每个工况） • 对不同的dmp并行选项做了研究
串行DMP 16 => 10x 加速
ACLOAD功能增强
• ACLOAD – 施加Actran计算的噪声载荷到MSC Nastran SOL 108/111
• 实例
• 单一剪切实例
– 3 块平板
– 上部的板有6个接触体，每 个都有紧固件
– 定义2种不同的黏着力刚度 (定值)
针对各种粘接接触的有黏着力接触
• 普通粘接和黏着力粘接结果的比较 • 一边固定，另一边加载 • 研究X方向的位移 • 可以打印出力/力矩结果到f06文件
普通粘接接触 (最大值 0.183)
有黏着力接触的粘接接触
• 很多仿真涉及到多个组件的装配。装配过程通过各种工艺流程实现，如铆接， 螺栓，点焊，缝焊，或粘合。
– 对每一个离散的连接都建立模型往往成本太高 – 粘接接触功能是用来简化降低计算成本的。虽然这种方法容易使用，但往往会导致
结构过于刚性，因为高效的连接是刚性连接。
• 为了缓解这一点，引入了有黏着力的接触功能
疲劳
MSC Nastran内嵌振动疲劳
为什么要有振动疲劳? • 很多行业使用频域的方法
– 推进系统 – 飞行器结构 – 卫星 – 风能 – 发射系统/导弹 – 动力总成 – 排气 – 防御系统 – 全车/卡车车身 – 组件 – 海洋工程
MSC Nastran内嵌振动疲劳
为什么要有振动疲劳?
• 随机响应和疲劳求解器
• 保留初始间隙和过盈
• 增加BCONPRG卡片
初始间隙
焊料蠕变和Anand 本构模型
• 在集成电路生产和封装过程中，焊料广泛用于连接不同的芯片或线路，其蠕变 行为对芯片的性能和耐久性有显著影响。
• Anand蠕变模型在IC工业中被广泛采用，用以描述焊料材料的蠕变行为。 • 在现有的SOL 400的粘塑形材料增加了新的选项 (MATVP)
– SOL 108 / 111 – 频响应分析
– 快速输出应力到疲劳寿命/损伤分析
– 简单操作 – 不再是后处理行为
• 适用于非常大的模型 – Scratch文件最小或者完全删除
• 文件减少高达 90%
– 内核计算
• 支持优化
8.34GB file
limit of some 1st
generation solvers
2016 NEF新增功能
• 损伤和疲劳寿命基于： – 节点应力平均 – 恢复出的表面应力 – 单元节点或中心点应力
• 益处 – 更好地工程应用价值 – 与客户当前工作流程一致
• 输入 – FTGPARM
Solid Model 3D Stress State on Surface
Skinned Model 2D Stress State on Surface
高级非线性 (SOL 400)
梁的segment-to-segment接触
• 可以准确考虑梁的形状 • 新增两个卡片: BCPFLG 和 BCSCAP (可选) • 默认设置不包含新的选项:
• 所有梁元segment的形状都需要考虑 • 梁上没有边沿 • 同样可以考虑管状梁外壁与管状梁内壁的接触.
• 使用PLT Viewer做后处理 (由MSC Nastran提供)
实例: Nascar 模型
• 含PEM的声腔和车身的小演示模型 • 进行如下概率仿真：
– 20 个随机样例 – 0.005 结构刚度变化增量
结构响应(均值和 90% 置信度)
流体响应(均值和 90% 置信度)
实例: 汽车车身振动噪声问题
– 疲劳是求解的一部分，计算完全在Nastran中进行 – 不是一种应力的后处理 – 计算速度更快，特别适合超大规模疲劳耐久模型 – 计算文件更小 – 数据转换更快捷，无中间数据 – 更便于设置，直接使用Nastran卡片格式设定 – 设计更优，直接可以基于疲劳寿命进行优化设计（SOL200）
FE model
Software has no practical limitation Only based on machine capability
2000 GB
run times (mins)
Number of Grid ID’s
MSC Nastran内嵌振动疲劳
功能 • 同时支持 S-N 和 E-N 分析 • 随机载荷 • 有或无静应力偏移的单输入随机载荷
MSC Nastran内嵌振动疲劳
示例 • 转向节SOL 111求解 • 多个事件(3个方向/工况, 2个事件) • 使用TIM2PSD将时域信号转换到PSD及CPSD计算 • 提供每个事件的结果和一个负载周期的总和
X
Y
Z
MSC Nastran内嵌振动疲劳
示例 • 卡车驾驶室, 通常用SOL 112求解疲劳仿真 • 这个例子展示了时域和频域疲劳的对比 • 12 个输入 (4 安装点 x 3 个方向) • 一个负载周期10个事件 • 对于SOL 111, 使用了TIM2PSD • 特征值频率算到 80Hz + 残余向量 • 这个例子可以展现以下问题：
– 多载荷随机输入，包含有或无静应力偏移 的互相关性
• 确定性载荷 – 确定性载荷 (单正弦波和窄带) – 谐波载荷 (同时施加多个正弦波） – 正弦和窄带扫描
• 负载周期 – 以上所有的载荷类型均可以组合为载荷事 件或序列
• 时域到PSD的转换 – 能够自动将时域载荷转换为等效的PSD – 直接在分析中应用时域信号 – 从时域转换到频域非常容易
驾驶员耳朵的压力 响应
中频噪声
背景 • 概率统计的方法更适合测量中频范围300Hz – 2000 Hz的响应
– 模态密度特别高并且非均匀 – 响应相对于模型参数高度敏感，如，材料和几何特性
• 中频噪声通过运行蒙特卡洛仿真添加到SOL 111的功能中，基于非参数变化法 (NPVM)
优势 • NPVM 方法允许用户在SOL 111中有效的运行概率蒙特卡洛仿真，从而处理模型
• 使用PEAKOUT输入请求参与因子分析
- 3 个峰值 - 在两个峰值之间最小5.0 Hz 分隔 - 声响应用分贝（DB）表示 • 2 个工况subcases • 前支柱激励 • 驾驶员和前排乘客耳朵的压力响应 • 面板和点上的贡献因子输出请求
PEAKOUT 参与因子分析
• 测试工况的结果 F06 输出
黏着力粘接接触(最大值 0.215)
转子动力学
3-D转子动力学
支持的单元：
0D: CONM1, CONM2 1D: CBEAM, CBAR 2D: CQUADX (CQUADH), CTRIAX (CTRIAH) (仅适用于固定参考系) 3D: CTETRA, CPENTA, CHEXA, CQUAD4, CQUAD8, CTRIA3, CTRIA6
的不确定性 • 新增的功能允许以HDF5的格式输出蒙特卡洛仿真的结果，这种格式的结果可以
读入到PLT Viewer中进一步做后处理 • 依赖DMP使得NPVM方法高度可扩展
Байду номын сангаас
中频噪声
用户界面 • 很容易将确定的SOL 111转换为概率分析
– MONCARL Case Control – MONCARL Bulk data entry (结构和流体可变的参数)
– 连接不再是刚性的 – 用户输入组件之间的有效刚度
• 支持SOL 101 – 112, 200 和 SOL 400
– 一般和永久接触 – SOL 103 - SOL 112只有永久接触 – 只支持Segment 对Segment
针对各种粘接接触的有黏着力接触
• 用户界面
– 使用 PARAM,CDBMSG05,2 输出初始准刚度值 – 刚度通过几何接触参数 BCONPRG定义 – 需要定义有黏着力接触的法向和切向刚度 – 可以是定值，或者依赖于相对位移和温度变化
Anand 焊料蠕变材料模型
模块 – 包含内嵌组件; 引脚 – 连接模块和PCB 焊点 – 作为引脚和PCB之间的连接； 粘胶 – 帮助支撑模块，释放焊料和引脚之间 的应力
实例
• 倒装芯片封装中焊料球的轴对称分析
焊料
• 焊料球的材料特性随温度变化 • 温度载荷
– 初始温度是 20 C – 工作温度是125 C
• MSC Nastran 2014 – 焊点SN分析（支持优化） – 焊缝SN分析（支持优化） – 支持多通道RPC文件. – 支持3-Pass NEF运行 – 针对多个MAT1的 MATFTG – 双轴/多轴评估 – 块载荷
焊点和焊缝疲劳支持SOL 101(静力) , SOL 103 (模态) , SOL 112 (模态法 瞬态响应) 和 SOL 200 (优化)