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文檔簡介

1、0第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來UG 有限元分析第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來1.1有限元分析方法介紹計算機軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展,給工程分析、科學研究以至人類社會帶來急劇的革命性變化,數(shù)值模擬即為這一技術(shù)革命在工程分析、設(shè)計和科學研究中的具體表現(xiàn)。數(shù)值模擬技術(shù)通過汲取當今計算數(shù)學、力學、計算機圖形學和計算機硬件發(fā)展的最新成果,根據(jù)不同行業(yè)的需求,不斷擴充、更新和完善。1.1.1有限單元法的形成近三十年來,計算機計算能力的飛速提高和數(shù)值計算技術(shù)的長足進步,誕生了商業(yè)化的有限元數(shù)值分析軟件,并發(fā)展成為一門專門的學科計算機輔助工程CAE ( Compu

2、terAided Engineering )。這些商品化的CAE 軟件具有越來越人性化的操作界面和易用性,使得這一工具的使用者由學?;蜓芯克膶I(yè)人員逐步擴展到企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計人員或分析人員,CAE 在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到不斷普及并逐步向縱深發(fā)展,CAE 工程仿真在工業(yè)設(shè)計中的作用變得日益重要。許多行業(yè)中已經(jīng)將CAE 分析方法和計算要求設(shè)置在產(chǎn)品研發(fā)流程中,作為產(chǎn)品上市前必不可少的環(huán)節(jié)。CAE 仿真在產(chǎn)品開發(fā)、研制與設(shè)計及科學研究中已顯示出明顯的優(yōu)越性:CAE 仿真可有效縮短新產(chǎn)品的開發(fā)研究周期。虛擬樣機的引入減少了實物樣機的試驗次數(shù)。大幅度地降低產(chǎn)品研發(fā)成本。在精確的分析結(jié)果指導(dǎo)下制造出高

3、質(zhì)量的產(chǎn)品。能夠快速對設(shè)計變更作出反應(yīng)。能充分和CAD 模型相結(jié)合并對不同類型的問題進行分析。能夠精確預(yù)測出產(chǎn)品的性能。增加產(chǎn)品和工程的可靠性。采用優(yōu)化設(shè)計,降低材料的消耗或成本。在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題。模擬各種試驗方案,減少試驗時間和經(jīng)費。專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來1進行機械事故分析,查找事故原因。當前流行的商業(yè)化CAE 軟件有很多種,國際上早在20 世紀 50 年代末、 60 年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局( NASA )在1965 年委托美國計算科

4、學公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的Nastran有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十個版本,是目前世界上規(guī)模最大、功能最強的有限元分析系統(tǒng)。從那時到現(xiàn)在,世界各地的研究機構(gòu)和大學也發(fā)展了一批專用或通用有限元分析軟件, 除了 Nastran 以外,主要還有德國的 ASKA 、英國的 PAFEC、法國的 SYSTUS 、美國的 ABAQUS 、ADINA 、ANSYS 、BERSAFE 、BOSOR 、COSMOS 、ELAS 、 MARC 和 STARDYNE 等公司的產(chǎn)品。 雖然軟件種類繁多, 但是萬變不離其宗, 其核心求解方法都是有限單元法,也簡稱為有限元法(Finite Element Me

5、thod )。在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi),經(jīng)常會遇到兩類典型的問題。其中的第一類問題,可以歸結(jié)為有限個已知單元體的組合。例如,材料力學中的連續(xù)梁、建筑結(jié)構(gòu)框架和桁架結(jié)構(gòu),把這類問題稱為離散系統(tǒng)。如圖1-1 所示的平面桁架結(jié)構(gòu),是由6 個承受軸向力的“桿單元”組成。這種簡單的離散系統(tǒng)可以手工進行求解,而且可以得到其精確的理論解。而對于類似圖 1-2 所示的這類復(fù)雜的離散系統(tǒng),雖然理論上來說是可解的,但是由于計算工作量非常龐大,就需要借助計算機技術(shù)。圖 1-1平面桁架系統(tǒng)圖 1-2某車身有限元模型第二類問題,通??梢越⑺鼈儜?yīng)遵循的基本方程,即微分方程和相應(yīng)的邊界條件。例如彈性力學問題,熱傳導(dǎo)問題,電磁場問

6、題等。由于建立基本方程所研究的對象通常是無限小的單元,這類問題稱為連續(xù)系統(tǒng)。這里以熱傳導(dǎo)問題為例做一個簡單的說明。下面是熱傳導(dǎo)問題的控制方程與換熱邊界條件:TTTTxxyyQc( 1-1)zzt初始溫度場也可以是不均勻的,但各點溫度值是已知的:T t 0T0x,y,z( 1-2)通常的熱邊界有三種,第三類邊界條件如下形式:專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。2第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來 Th T Tf( 1-3)n盡管已經(jīng)建立了連續(xù)系統(tǒng)的基本方程,由于邊界條件的限制,通常只能得到少數(shù)簡單問題的精確解答。對于許多實際的工程問題,還無法給出精確的解答。為了解決這一困難,工程

7、師們和數(shù)學家們提出了許多近似方法。在尋找連續(xù)系統(tǒng)求解方法的過程中,工程師和數(shù)學家從兩個不同的路線得到了相同的結(jié)果,即有限元法。有限元法的形成可以回顧到 20 世紀 50 年代,來源于固體力學中矩陣結(jié)構(gòu)法的發(fā)展和工程師對結(jié)構(gòu)相似性的直覺判斷。從固體力學的角度來看,桁架結(jié)構(gòu)等標準離散系統(tǒng)與人為地分割成有限個分區(qū)后的連續(xù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在相似性。1956 年, M.J.Turner , R.W.Clough , H.C.Martin , L.J.Topp 在紐約舉行的航空學會年會上介紹了一種新的計算方法,將矩陣位移法推廣到求解平面應(yīng)力問題。他們把連續(xù)幾何模型劃分成一個個三角形和矩形的 “單元”,并為所

8、使用的單元指定近似位移函數(shù), 進而求得單元節(jié)點力與節(jié)點位移關(guān)系的單元剛度矩陣。1954 1955 年, J.H.Argyris 在航空工程雜志上發(fā)表了一組能量原理和結(jié)構(gòu)分析論文。1960 年, Clough 在著名的題為 “ The Finite Element in plane stress analysis ”的論文中首次提出了有限元( Finite Element)這一術(shù)語,并在后來被廣泛地引用,成為這種數(shù)值方法的標準稱謂。與此同時,數(shù)學家們則發(fā)展了微分方程的近似解法,包括有限差分方法,變分原理和加權(quán)余量法,這為有限元方法在以后的發(fā)展奠定了數(shù)學和理論基礎(chǔ)。在 1963 年前后,經(jīng)過 J.

9、F.Besseling,R.J.Melosh ,R.E.Jones,R.H.Gallaher ,T.H.H.Pian(卞學磺) 等許多人的工作,人們認識到有限元法就是變分原理中Ritz 近似法的一種變形,從而發(fā)展了使用各種不同變分原理導(dǎo)出的有限元計算公式。1965 年 O.C.Zienkiewicz 和 Y.K.Cheung(張佑啟)發(fā)現(xiàn),對于所有的場問題,只要能將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的變分形式,即可以用與固體力學有限元法的相同步驟求解。1969 年 B.A.Szabo 和 G.C.Lee 指出可以用加權(quán)余量法特別是迦遼金(Galerkin )法,導(dǎo)出標準的有限元過程來求解非結(jié)構(gòu)問題。我國的力學工作者

10、為有限元方法的初期發(fā)展做出了許多貢獻,其中比較著名的有:陳伯屏(結(jié)構(gòu)矩陣方法) ,錢令希(余能原理) ,錢偉長(廣義變分原理),胡海昌(廣義變分原理),馮康(有限單元法理論)。1.1.2有限元法的基本思路有限元法的基本思路可以歸結(jié)為:將連續(xù)系統(tǒng)分割成有限個分區(qū)或單元,對每個單元提出一個近似解,再將所有單元按標準方法加以組合,從而形成原有系統(tǒng)的一個數(shù)值近似系統(tǒng),也就是形成相應(yīng)的數(shù)值模型。下面用在自重作用下的等截面直桿來說明有限元法的思路。等截面直桿在自重作用下的材料力學解答:受自重作用的等截面直桿如圖1-3 所示,桿的長度為L ,截面積為A,彈性模量為E,專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1

11、章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來3單位長度的重量為q,桿的內(nèi)力為N。試求:桿的位移分布、桿的應(yīng)變和應(yīng)力。N ( x)q( Lx)dL( x)N (x)dxq( L x)dxEAEA2x N (x)dxqu (x)x( 1-4)0( Lx)EAEA2xduq(Lx)dxEAxE xq (L x)A圖 1-3 受自重作用的等截面直桿圖 1-4 離散后的直桿等截面直桿在自重作用下的有限元法解答:(1)連續(xù)系統(tǒng)離散化如圖 1-4 所示,將直桿劃分成n 個有限段,有限段之間通過公共點相連接。在有限元法中將兩段之間的公共連接點稱為節(jié)點,將每個有限段稱為單元。節(jié)點和單元組成的離散模型就稱為

12、對應(yīng)于連續(xù)系統(tǒng)的“有限元模型”。有限元模型中的第 i 個單元,其長度為L i,包含第 i, i+1 個節(jié)點。(2)用單元節(jié)點位移表示單元內(nèi)部位移第 i 個單元中的位移用所包含的節(jié)點位移來表示:u( x) uiui 1 ui ( x xi )( 1-5)Li其中 ui 為第 i 節(jié)點的位移, xi為第 i 節(jié)點的坐標。 第 i 個單元的應(yīng)變?yōu)閕 ,應(yīng)力為 i ,內(nèi)力為 N i :duui 1ui( 1-6)iLidxiE iE(ui1ui )( 1-7)Li專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。4第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來N i AEA(ui 1 ui )( 1-8)iLi

13、(3)把外載荷歸集到節(jié)點上把第 i 單元和第i +1 單元重量的一半q(Li Li 1 ) ,歸集到第i +1 節(jié)點上,如圖 1-52所示。圖 1-5集中單元重量(4)建立節(jié)點的力平衡方程對于第 i+1 節(jié)點,由力的平衡方程可得:N i N iq( LiLi 1 )( 1-9)1Li2令 i,并將( 1-8)代入得:Li 1ui(1 i )ui 1i ui 2q (11 )L2i( 1-10)2EAi根據(jù)約束條件, u10 。對于第 n+1個節(jié)點,qL nN n2unqL2n(1-11)un 12EA建立所有節(jié)點的力平衡方程,可以得到由n+1個方程構(gòu)成的方程組,可解出n+1 個未知的節(jié)點位移。

14、1.1.3有限元法的計算步驟專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來5有限元法的計算步驟歸納為以下3 個基本步驟:網(wǎng)格劃分、單元分析、整體分析。(1)網(wǎng)格劃分有限元法的基本做法是用有限個單元體的集合來代替原有的連續(xù)體。因此首先要對彈性體進行必要的簡化,再將彈性體劃分為有限個單元組成的離散體。單元之間通過節(jié)點相連接。由單元、節(jié)點、節(jié)點連線構(gòu)成的集合稱為網(wǎng)格。通常把三維實體劃分成四面體或六面體單元的實體網(wǎng)格,平面問題劃分成三角形或四邊形單元的面網(wǎng)格,如圖1-6圖 1-14 所示。圖 1-6四面體四節(jié)點單元圖 1-7六面體八節(jié)點單元圖 1-8三維實體

15、的四面體單元劃分圖 1-9三維實體的六面體單元劃分圖 1-10三角形三節(jié)點單元圖 1-11四邊形四節(jié)點單元專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。6第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來圖 1-12平面問題的三角形單元劃分圖 1-13平面問題的四邊形單元劃分圖 1-14二維及三維混合網(wǎng)格劃分(2)單元分析對于彈性力學問題,單元分析就是建立各個單元的節(jié)點位移和節(jié)點力之間的關(guān)系式。由于將單元的節(jié)點位移作為基本變量,進行單元分析首先要為單元內(nèi)部的位移確定一個近似表達式,然后計算單元的應(yīng)變、應(yīng)力,再建立單元中節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系式。以平面問題的三角形三節(jié)點單元為例。如圖1-15 所示,單元有

16、三個節(jié)點I、 J、 M,每個節(jié)點有兩個位移u、 v 和兩個節(jié)點力U、 V。單元的所有節(jié)點位移、節(jié)點力,可以表示為節(jié)點位移向量(Vector):專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來7uiU iviVi節(jié)點位移eu j節(jié)點力 F eU jv jV jumU mvmVm圖 1-15三角形三節(jié)點單元單元的節(jié)點位移和節(jié)點力之間的關(guān)系用張量(Tensor)來表示,eeeFK( 1-12)(3)整體分析對由各個單元組成的整體進行分析,建立節(jié)點外載荷與節(jié)點位移的關(guān)系,以解出節(jié)點位移,這個過程稱為整體分析。同樣以彈性力學的平面問題為例,如圖1-16 所示,在

17、邊界節(jié)點 i 上受到集中力 Pxi , Pyi 作用。節(jié)點 i 是三個單元的結(jié)合點, 因此要把這三個單元在同一節(jié)點上的節(jié)點力匯集在一起建立平衡方程。圖 1-16整體分析專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。8第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來i 節(jié)點的節(jié)點力:U i(1)U i(2)U i(3 )U i( e)eVi(1)Vi ( 2)Vi(3)Vi ( e)ei 節(jié)點的平衡方程:U i( e)Pxie( 1-13)Vi (e)Pyie1.1.4有限元法的進展與應(yīng)用有限元法不僅能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析,還能解決歸結(jié)為場問題的工程問題,從20 世紀 60年代中期以來,有限元法得到了巨大的發(fā)

18、展,為工程設(shè)計和優(yōu)化提供了有力的工具。當今國際上 FEA 方法和軟件發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下一些特征:從單純的結(jié)構(gòu)力學計算發(fā)展到求解許多物理場問題。有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來,逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學分析,實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明,只要用于離散求解對象的單元足夠小,所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算,最近又發(fā)展到求解幾個交叉學科的問題。例如比較常見的是將溫度場和結(jié)構(gòu)場之間進行耦合計算,確定由于溫度場分布不均勻引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形等。由求解線性工程問題

19、進展到分析非線性問題隨著科學技術(shù)的發(fā)展,線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn),就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題;航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力,也要考慮材料的非線性問題;諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn),僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題,只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知,非線性的數(shù)值計算是很復(fù)雜的,它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技巧,很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)求解非線性問題的分析功能,并廣泛應(yīng)用于工程實踐。增強可視化的前后處理功能。早期有限元分析

20、軟件的研究重點在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善,尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展,整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少,而準備數(shù)值模型和處理計算結(jié)果的時間占整個分析工程的比例越來越高。據(jù)統(tǒng)計,整個分析流程中,前處理占用的工作時間大致在80%,而加上后處理部分,占用的時間就要超過 95%。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強的前后處理模塊與之相配合。在強調(diào)“可視化”的今天,很多程序都建立了對用戶非常友好的專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來9GUI ( Graphics User Interf

21、ace ),使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分,生成有限元分析所需數(shù)據(jù),并按要求將大量的計算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖,便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。與 CAD 軟件的無縫集成。當今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點是與通用CAD 軟件的集成使用, 即在用 CAD 軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后,自動生成有限元網(wǎng)格并進行計算,如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求則重新進行造型和計算,直到滿意為止, 從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。 現(xiàn)在,工程師可以在集成的 CAD 和 FEA 軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以目前所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了著名的 CAD

22、 軟件(例如 Unigraphics 、 Pro/ENGINEER 、 SolidEdge 、 SolidWorks 等)接口。1.2NX Nastran 的由來1.2.1Nastran程序的起源Nastran,即 NASA 結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng),是 1966 年美國國家航空航天局( NASA )為了滿足當時航空航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)分析的迫切需求,主持開發(fā)大型應(yīng)用有限元程序的招標,有多家軟件開發(fā)商中標并參與了結(jié)構(gòu)分析求解器的開發(fā)過程。1969 年 NASA推出了其第一個Nastran 版本,稱為 COSMIC Nastran 。 COSMIC Nastran 是放在 Public Domain 上的公開發(fā)售

23、版本, Nastran 和 COSMIC 是 NASA 的注冊商標。1972 年, MSC.Software 公司獲得了一個版本的COSMIC Nastran,并推出了自己的商業(yè)化產(chǎn)品 MSC Nastran 。這個版本的Nastran 也是在市場上最為著名的Nastran 版本。到了20 世紀 80 年代,又有另外兩家公司UAI 、CSAR 基于 NASA 的 COSMIC Nastran 源代碼推出了各自的商業(yè)版本, 從而市場上形成了由主要三家Nastran供應(yīng)商(MSC 、UAI 和 CSAR )相互競爭的局面。 Nastran 是工程分析界應(yīng)用最為廣泛的有限元軟件,絕大多數(shù)的商業(yè)化前后

24、處理器都對 Nastran 有良好的支持, 其文本格式已成為標準格式, 其計算結(jié)果也成為 CAE 分析的規(guī)范。1.2.2NX Nastran的由來1999 年,MSC 收購了 UAI 和 CSAR,成為市場上惟一提供 Nastran 商業(yè)代碼的供應(yīng)商。而以后的幾年, MSC Nastran 的價格上漲,但是其相關(guān)功能和服務(wù)卻沒有得到提升,從而引發(fā)大量客戶的抱怨,并向美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會(FTC)申訴。經(jīng)過調(diào)查, FTC 認定 MSC Nastran 壟斷。為了重建Nastran 市場的競爭, FTC 做出了如下的幾項裁決(關(guān)于FTC 官方裁決,可參看FTC 網(wǎng)站相應(yīng)內(nèi)容) 。MSC.Softwa

25、re公司必須共享 MSCNastran 最新商業(yè)版(當時為2002 年 11 月v2001r9 ,以重新建立Nastran 市場競爭,該版本即NX Nastran V1.0 )。專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。10第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來共享內(nèi)容包括用于 Nastran 開發(fā)、銷售用的所有 MSC Nastran 的源代碼、目標代碼、測試案例、開發(fā)環(huán)境和所有文檔的永久使用權(quán)許可。告知在過去3 年多時間 (僅限美國) 已購買了MSC.Software 公司的永久使用許可的用戶。這些用戶有權(quán)轉(zhuǎn)而使用UGS 的 NX Nastran ,并由 MSC.Software 退

26、還差額賠償。MSC 和 UGS 必須保證在未來3 年內(nèi)數(shù)據(jù)的兼容性,NXNastran 將繼續(xù)使用通用的 Nastran 格式,以確保那些轉(zhuǎn)到 NX Nastran 的用戶能使用過去的 Nastran 輸入 / 輸出文件。獲得許可的機構(gòu)( EDS)應(yīng)獲得 MSC.Software 、UAI 和 CSAR 公司雇員的名單,并有權(quán)雇傭他們。FTC 的裁決使得一個強有力的公司 UGS 加入到 Nastran 的市場中來, Nastran 由單一供應(yīng)商 MSC 轉(zhuǎn)為兩家互相競爭的供應(yīng)商, MSC Nastran 在各行業(yè)得到的認證同樣適用于 NX Nastran 產(chǎn)品,不需要進行再次認證。2003 年

27、 9 月, NX Nastran 產(chǎn)品正式發(fā)布。UGS 承諾將全力開發(fā)支持NXNastran 和NX Nastran 前后處理器( NX MaterFEM , Femap, NX Scenario ),并在近兩年中每年推出兩個 NX Nastran 新版本。由于 FTC 的裁決使得 MSC 公司的雇員名單也已共享,因此已經(jīng)有許多資深的 Nastran 專家加入到 UGS PLM Solutions 的開發(fā)隊伍中來。包括:Dr. Louis Komzsik ,前 MSC 的首席算法專家, 有超過 30 年的結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗和 20 年在 MSC 的工作經(jīng)歷。Dr. Tom Kowalski ,前 M

28、SC 數(shù)值計算專家,10 年專注于高性能科學計算研究。Mr. Ken Burrell ,前 MSC 和 UAI 程序開發(fā)人員,20 年開發(fā)經(jīng)驗。Mr. Richard Bush ,前 MSC 市場負責人,17 年 MSC 市場運作管理經(jīng)驗。Dr. Mark Donley等 。UGS 有超過兩千人的研發(fā)隊伍,其中僅CAE 開發(fā)人員就已經(jīng)超過100 人。這些人員有平均 15 年以上的開發(fā)經(jīng)驗,而且在2004 年和 2005 年將繼續(xù)擴大隊伍。UGS 中國上海研發(fā)中心已經(jīng)成立,將專注于CAE 研發(fā)和本地化。由于UGS 投入了大量的CAE 研發(fā)力量,許多國際用戶對NX Nastran 的未來發(fā)展充滿信

29、心,并有大量用戶已經(jīng)從MSC Nastran轉(zhuǎn)到了 NX Nastran 。在 NX Nastran 推向市場的三個月內(nèi),有超過5000 個 license 的國際用戶轉(zhuǎn)而應(yīng)用 NX Nastran ,其中包括 Daimler Chrysler , Caterpillar Tractor ,Lockheed-Martin , GE Power Systems,Nissan R&D- USA ,F(xiàn)ORD Europe ,EADS ,Matra Automotive ,Liebherr Spac,Gulf Aircraft Maintenance ,Yokohama Rubber ,Hyundai

30、 Heavy Ind ,Tata Steel,Honeywell Aerospace 等。1.3NX Nastran 軟件功能介紹1.3.1產(chǎn)品描述專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來11Nastran 是國際上應(yīng)用最廣泛的CAE 工具,大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來設(shè)計和生產(chǎn)更加安全可靠的產(chǎn)品,得到更優(yōu)化的設(shè)計,縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。三十多年來, Nastran已經(jīng)成為了幾乎所有國際大企業(yè)的工程分析工具,應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、軍工、船舶、重型機械設(shè)備、醫(yī)藥和消費品等,這也使得其分析結(jié)果成為了工業(yè)化的標準。對于大型企業(yè)來說,NX Nas

31、tran 是一個獨立的解決方案。它通常運行于局域網(wǎng)上,支持多用戶,多平臺系統(tǒng),并可以和多種有限元前后處理器協(xié)同工作。這些處理器包括EDS和其他許多CAE 供應(yīng)商提供的高效易用的專業(yè)產(chǎn)品。NX Nastran 適用于需要完成大量流程化分析計算的用戶。它的特點是靈活、可靠并能同大量的其他分析軟件協(xié)同運作,形成統(tǒng)一高效的分析流程,并在整個流程中承擔核心求解功能。它的數(shù)據(jù)格式可以在絕大多數(shù)的 CAE 軟件中識別和使用,使得同其他 CAE 使用者交換數(shù)據(jù)的方式靈活方便,大大減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和共享的工作量。1.3.2產(chǎn)品模塊配置目前的 NX Nastran產(chǎn)品包括:NX Nastran Basic:NX N

32、astran 的基本模塊,包括線性靜力、模態(tài)、屈曲和熱傳遞功能。NX Nastran Nonlinear :支持材料非線性、幾何非線性和接觸分析。NX Nastran Dynamic Response:在時域和頻域中計算結(jié)構(gòu)在外在激勵下的動力學響應(yīng)。NX Nastran Superelements:將超大模型分解為小的子結(jié)構(gòu)求解。NX Nastran Direct Matrix Abstraction Program ( DMAP ):允許用戶進行二次開發(fā),將自己的算法和應(yīng)用擴充到NX Nastran 中。NX Nastran Aeroelasticity :對氣流作用下的模型進行分析。NX

33、Nastran Optimization :自動迭代完成優(yōu)化設(shè)計。Nastran for Femap:基于 Windows 環(huán)境,將Femap 的前后處理功能和NX Nastran分析能力結(jié)合在一起。NX Nastran Advanced Aeroelasticity :預(yù)測結(jié)構(gòu)在氣流作用下的響應(yīng),并可以進行超音速分析。1.3.3產(chǎn)品功能及特性1各產(chǎn)品模塊功能NX Nastran Basic 主要計算功能包括:線性靜力、正則模態(tài)、屈曲分析、靜態(tài)和瞬態(tài)熱傳遞、無限模型大小、載荷工況組合。NX Nastran Nonlinear 主要計算功能包括:材料非線性、幾何非線性、接觸分析、小應(yīng)變非線性彈性

34、、大應(yīng)變超彈性、塑性、粘彈性(蠕變) 、非線性屈曲、后屈曲、非線性模態(tài)。專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。12第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來NX Nastran Dynamic Response 主要計算功能是計算產(chǎn)品的受迫振動響應(yīng)。激勵形式可以是隨時間或頻率的位移或載荷。該模塊是NX Nastran Basic 的附加模塊。NXNastran Superelements: NXNastran 使用稀疏矩陣算法求解大模型,而NXNastran Superelements 提供了更加高效的方法超單元。對于非常龐大和復(fù)雜的模型,該方法將其分解為小的等效模型塊,稱之為超單元,這

35、些單元可以利用NX Nastran 的所有分析功能。該模塊是NX Nastran Basic 的附加模塊。NX Nastran Optimization :設(shè)計滿足特定要求的產(chǎn)品是幾乎每個制造商的要求。使用優(yōu)化技術(shù),工程師可以改進現(xiàn)有的設(shè)計,用最小的成本得到最優(yōu)的設(shè)計方案。優(yōu)化過程涉及到多次計算迭代過程, 而 NX Nastran Optimization 的自動迭代將用戶從繁復(fù)的迭代工作中解放出來。NX Nastran Aeroelasticity :氣彈分析用來計算結(jié)構(gòu)在氣流作用下的響應(yīng)。使用NXNastran Aeroelasticity ,可以在通用的有限元模型上進行應(yīng)力、載荷、氣彈和

36、控制系統(tǒng)設(shè)計計算。該模塊是 NX Nastran Basic 的附加模塊。NX Nastran Advanced Aeroelasticity ,是在 NX Nastran Basic 和 Aero -elasticity 上的附加模塊。在該模塊中針對超音速流動開發(fā)了與亞音速渦格法相似的方法。這種氣彈方法是由 ZONA Technology, Inc.開發(fā),并集成在NX Nastran 中,主要進行結(jié)構(gòu)在超音速狀態(tài)下的計算分析。NX Nastran Direct Matrix Abstraction Program(DMAP )進行用戶二次開發(fā)編程??梢詫⒅虚g數(shù)據(jù)(主要是矩陣)從Nastran

37、 中導(dǎo)出或?qū)隢astran;將最新的軟件功能添加進來;得到非標準的結(jié)果輸出等。該模塊是NX Nastran Basic 的附加模塊。NX Nastran for Femap:高效的 Windows 集成環(huán)境,將 Femap 高效的前后處理功能和 Nastran 可靠的分析能力結(jié)合在一起。2各分析功能技術(shù)特點( 1)靜力分析靜力分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計人員使用最為頻繁的分析手段,主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或時間作用效果可忽略的靜力載荷(如集中載荷、分布載荷、溫度載荷、強制位移、慣性載荷等)作用下的響應(yīng)、得出所需的節(jié)點位移、節(jié)點力、約束反力、單元內(nèi)力、單元應(yīng)力、應(yīng)變能等。該分析同時還提供結(jié)構(gòu)的重量和

38、重心數(shù)據(jù)。 NX Nastran 支持全范圍的材料模式,包括:均質(zhì)各向同性材料,正交各向異性材料,各向異性材料,隨溫度變化的材料等。具有慣性釋放的靜力分析考慮結(jié)構(gòu)的慣性作用,可計算無約束自由結(jié)構(gòu)在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準靜態(tài)響應(yīng)。非線性靜力分析在靜力分析中同時可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性。主要包括幾何非線性(大變形、大應(yīng)變、大轉(zhuǎn)動),材料非線性(如塑性、蠕變) ,接觸非線性等(非線性靜力分析需非線性模塊的支持)。專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來13( 2)屈曲分析屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷,

39、NXNastran 中的屈曲分析包括兩類:線性屈曲分析和非線性屈曲分析。線性屈曲分析又稱為特征值屈曲分析,可以考慮固定的預(yù)載荷,也可使用慣性釋放。非線性屈曲分析包括幾何非線性屈曲分析,彈塑性屈曲分析以及非線性后屈曲(Snap-Through )分析。在算法上,NXNastran 采用先進的微分剛度概念,考慮高階應(yīng)變-位移關(guān)系,結(jié)合NX Nastran 特征值提取算法可精確地判別出相應(yīng)的失穩(wěn)臨界點。該方法較其他有限元軟件中所使用的限定載荷量級法具有更高的精確度和可靠性。此外,NXNastran 還提供了另外三種不同的弧長法( Arc-Length ),特別適用于非穩(wěn)定段和后屈曲問題的求解,不但可

40、確定失穩(wěn)點,而且可以跟蹤計算結(jié)構(gòu)的非穩(wěn)定階段及后屈曲點以后的響應(yīng)(非線性屈曲分析需要非線性模塊的支持)。( 3)動力學分析NX Nastran 在結(jié)構(gòu)動力學分析中有非常多的技術(shù)特點,具有其他有限元分析軟件所無法比擬的強大分析功能。結(jié)構(gòu)動力分析不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響,同時還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。全面的 NX Nastran 動力學分析功能包括:正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、頻率及瞬態(tài)響應(yīng)分析、(噪)聲學分析、隨機響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。針對于中小及超大型問題不同的解題規(guī)模,用戶可選擇NX Nastran 不同的動力學方法加以求解。在處理大型

41、結(jié)構(gòu)動力學問題時如不利用特征縮減技術(shù)將會使解題效率大大降低,而NXNastran 的通用動力縮減算法( GDR 法)在運算時可自動略去對分析影響不大的自由度,而不必像其他縮減法那樣更多地需要由用戶進行手工干預(yù)。此外速度更快、磁盤空間更節(jié)省的稀疏矩陣解算器適用于所有的動力分析類型,半帶寬縮減時的自動內(nèi)部重排序功能及并行向量化的運算方法可使動力解算效率大大提高。為求解動力學問題,NX Nastran 提供了求解所需齊備的動力和阻尼單元,如瞬態(tài)響應(yīng)分析的非線性彈性單元、各類阻尼單元、(噪)聲學阻滯單元及吸收單元等。眾多的阻尼類型包括:結(jié)構(gòu)阻尼、材料阻尼、不同的模態(tài)阻尼(含等效粘滯阻尼)、(噪)聲阻滯

42、阻尼和吸收阻尼、可變的模態(tài)阻尼(等效粘性阻尼,臨界阻尼的分數(shù),品質(zhì)因數(shù))、離散的粘性阻尼單元、隨頻率變化的非線性阻尼器以及動力傳遞函數(shù),直接矩陣輸入、動力傳遞函數(shù)定義等。 NX Nastran 可在時域或頻域內(nèi)定義各種動力學載荷,包括動態(tài)定義所有的靜載荷、強迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延時、時間窗口、解析顯式時間函數(shù)、實復(fù)相位和相角、作為結(jié)構(gòu)響應(yīng)函數(shù)的非線性載荷、基于位移和速度的非線性瞬態(tài)加載、隨載荷或受迫運動不同而不同的時間歷程等。模態(tài)凝聚法有Guyan 凝聚(靜凝聚) ,廣義動態(tài)凝聚,部分模態(tài)綜合,精確分析的殘余向量等。NX Nastran 的高級動力學功能還可分析更深層、更復(fù)雜

43、的工程問題如控制系統(tǒng)、流固耦合分析、傳遞函數(shù)計算、輸入載荷的快速傅里葉變換、陀螺及進動效應(yīng)分析(需DMAP模塊)、模態(tài)綜合分析(需 Superelement 模塊)。所有動力計算數(shù)據(jù)可利用矩陣法、位移法或模態(tài)加速法快速地恢復(fù),或直接輸出到機構(gòu)仿真或相關(guān)性測試分析系統(tǒng)中去。NX Nastran 的主要動力學分析功能:如特征模態(tài)分析、直接復(fù)特征值分析、直接瞬態(tài)專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。14第 1 章有限元分析方法及NX Nastran 的由來響應(yīng)分析、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析、模態(tài)復(fù)特征值分析、直接頻率響應(yīng)分析、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、非線性瞬態(tài)分析、模態(tài)綜合、動力靈敏度分析等可簡述如下:正則

44、模態(tài)分析正則模態(tài)分析用于求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和相應(yīng)的振動模態(tài),計算廣義質(zhì)量,正則化模態(tài)節(jié)點位移,約束力和正則化的單元力及應(yīng)力,并可同時考慮剛體模態(tài)。具體包括:線性模態(tài)分析又稱實特征值分析。實特征值縮減法包括: Lanczos 法、增強逆迭代法、 Givens 法、改進 Givens 法、 Householder 法,并可進行 Givens 和改進 Givens 法自動選擇、 帶 Sturm 序列檢查的逆迭代法, 所有的特征值解法均適用于無約束模型??紤]拉伸剛化效應(yīng)的非線性特征模態(tài)分析,或稱預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的模態(tài)分析。復(fù)特征值分析復(fù)特征值分析主要用于求解具有阻尼效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征值和振型,分析過程與實特征

45、值分析類似。 此外 Nastran 的復(fù)特征值計算還可考慮阻尼、質(zhì)量及剛度矩陣的非對稱性。復(fù)特征值抽取方法包括直接復(fù)特征值抽取和模態(tài)復(fù)特征值抽取兩種:直接復(fù)特征值分析通過復(fù)特征值抽取可求得含有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼的結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài),給出正則化的復(fù)特征矢量和節(jié)點的約束力,及復(fù)單元內(nèi)力和單元應(yīng)力。主要算法包括: Delerminated 法、 Hossen-bery 法、新 Hossenbery、逆迭代法、復(fù)Lanczos 法,適用于集中質(zhì)量和分布質(zhì)量、 對稱與反對稱結(jié)構(gòu), 并可利用 DMAP 工具檢查與測試分析的相關(guān)性。模態(tài)復(fù)特征值分析此分析與直接復(fù)特征值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼進行實

46、特征值分析,得到模態(tài)向量。然后采用廣義模態(tài)坐標,求出廣義質(zhì)量矩陣和廣義剛度矩陣,再計算出廣義阻尼矩陣,形成模態(tài)坐標下的結(jié)構(gòu)控制方程,求出復(fù)特征值。模態(tài)復(fù)特征值分析得到輸出類型與用直接復(fù)特征值分析得到輸出類型相同。瞬態(tài)響應(yīng)分析(時間-歷程分析)瞬態(tài)響應(yīng)分析在時域內(nèi)計算結(jié)構(gòu)在隨時間變化的載荷作用下的動力響應(yīng),分為直接瞬態(tài)響應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。直接瞬態(tài)響應(yīng)分析該分析給出一個結(jié)構(gòu)隨時間變化的載荷的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以同時具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。該分析在節(jié)點自由度上直接形成耦合的微分方程并對這些方程進行數(shù)值積分,直接瞬態(tài)響應(yīng)分析求出隨時間變化的位移、速度、加速度和約束力以及

47、單元應(yīng)力。模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析在此分析中,直接瞬態(tài)響應(yīng)問題用上面所述的模態(tài)分析進行相同的變換,對問題的規(guī)模進行壓縮,再對壓縮了的方程進行數(shù)值積分,從而得出與用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析類型相同的輸出結(jié)果。專業(yè)文檔供參考,如有幫助請下載。第 1 章 有限元分析方法及 NX Nastran 的由來15隨機振動分析該分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計規(guī)律分布的載荷作用下的隨機響應(yīng)。 例如地震波, 海洋波,飛機超過建筑物的氣壓波動,以及火箭和噴氣發(fā)動機的噪音激勵,通常人們只能得到按概率分布的函數(shù),如功率譜密度(PSD)函數(shù),激勵的大小在任何時刻都不能明確給出,在這種載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用隨機振動分析來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。NX

48、Nastran 中的PSD 可輸入自身或交叉譜密度,分別表示單個或多個時間歷程的交叉作用的頻譜特性。計算出響應(yīng)功率譜密度、自相關(guān)函數(shù)及響應(yīng)的 RMS 值等。計算過程中, NX Nastran 不僅可以像其他有限元分析那樣利用已知譜,而且還可自行生成用戶所需的譜。響應(yīng)譜分析響應(yīng)譜分析(有時稱為沖擊譜分析)提供了一個有別于瞬態(tài)響應(yīng)的分析功能,在分析中結(jié)構(gòu)的激勵用各個小的分量來表示,結(jié)構(gòu)對于這些分量的響應(yīng)則是這個結(jié)構(gòu)每個模態(tài)的最大響應(yīng)的組合。頻率響應(yīng)分析頻率響應(yīng)分析主要用于計算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng)。計算結(jié)果分實部和虛部兩部分。實部代表響應(yīng)的幅度,虛部代表響應(yīng)的相角。直接頻

49、率響應(yīng)分析直接頻率響應(yīng)通過求解整個模型的阻尼耦合方程,得出各頻率對于外載荷的響應(yīng)。該類分析在頻域中主要求解兩類問題。第一類是求結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼,分析得到復(fù)位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應(yīng)力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數(shù)。第二類是求解結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)態(tài)隨機載荷作用下的響應(yīng)。此載荷由它的互功率譜密度定義。而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來表征。分析得出位移、加速度、約束力或單元應(yīng)力的自相關(guān)系數(shù)。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應(yīng)的均方根值。模態(tài)頻率響應(yīng)模態(tài)頻率響應(yīng)分析和隨機響應(yīng)分析在頻域中解決的兩類問題與直接頻率響應(yīng)分析解決相同的問題。結(jié)構(gòu)矩陣用忽略阻尼的實特征值分析進行了壓縮,然后用模態(tài)坐標建立廣義剛度和質(zhì)量矩陣。

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