Natran官方培訓(xùn)教程N(yùn)astran靜力分析13章

MSC.NASTRAN基礎(chǔ)培訓(xùn)

MSC公司成都辦事處第一頁，共五十九頁。第0章MSC.Software公司

公司概況MSC公司建于1963年?？偛浚好绹迳紮C(jī)。分部：歐洲（德國）和日本辦事處：30多個(gè)國家設(shè)有辦事處亞太辦事處：東京總部，大板分公司漢城，悉尼，臺(tái)北中國辦事處：北京、上海、成都、深圳雇員：技術(shù)工程師680多人第二頁，共五十九頁。MSC.Software公司第一筆業(yè)務(wù)：NASA通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序NASTRAN開發(fā)（1963年）1970年開發(fā)NASTRAN商業(yè)版本MSC/NASTARN1983年股票上市1993年收購世界著名CAD軟件供應(yīng)商AriesTechnology公司1994年收購CAE領(lǐng)域第二軟件供應(yīng)商PDA工程公司

1998年收購MARC公司1999年收購WorkModel公司2001年與法國DASSAULT戰(zhàn)略同盟2002年收購MDI公司（ADAMS機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真)2002年收收購波音公司控制仿真系統(tǒng)EASY5第三頁，共五十九頁。主要產(chǎn)品：1）大型通用有限元程序MSC/NASTRAN2）非線性有限元分析程序MSC/MARC3）三維非線性和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)軟件MSC/DYTRAN4）通用有限元前后置處理系統(tǒng)MSC/PATRAN5）結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測仿真系統(tǒng)MSC/FATIGUE6）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真軟件MSC/ADAMS7）通用有限元分析系統(tǒng)MSC/NASTRANforWindows8）基于CAD技術(shù)的有限元前后處理器MSC/ARIES第四頁，共五十九頁。

8）商品化材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)MSC/MVISION9）鍛壓仿真系統(tǒng)MSC/SuperForm10)速跌落試驗(yàn)仿真系統(tǒng)MSC/DropTest11)面向設(shè)計(jì)人員的分析軟件MSC/InCheck12）車輛舒適性預(yù)測仿真系統(tǒng)MSC/NVH-Manager13）預(yù)測系統(tǒng)MSC/AKUSMOD14）汽車有限元模型處理系統(tǒng)MSC/AMS15）拓?fù)浼靶螤顑?yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)MSC/Construct16）成型仿真系統(tǒng)MSC/SuperModel17）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)MSC/WORKMODEL18)控制仿真系統(tǒng)MSC/EASY5第五頁，共五十九頁。MSC產(chǎn)品應(yīng)用

航空航天、機(jī)械、汽車、船舶、鐵道、建筑電子、化工、材料、核能、冶金、地礦、生物醫(yī)學(xué)及教學(xué)與科研等領(lǐng)域和部門

92%的機(jī)械設(shè)計(jì)制造;97%的汽車;95%的航空航天;98%國防。MSC公司產(chǎn)品占CAE領(lǐng)域40%市場

第六頁，共五十九頁。服務(wù)方式

1）熱線咨詢服務(wù)2）遍布世界各地的MSC辦事處3）定期與專門培訓(xùn)4）定期召開MSC用戶會(huì)議5）網(wǎng)上服務(wù)

第七頁，共五十九頁。第1章MSC.NASTRAN第八頁，共五十九頁。1NASTRAN與MSC/NASTRAN

NASTRAN程序由來

1)NASTRAN(NAsaSTRucturalANalysis）是一個(gè)大型、通用有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算機(jī)程序2)在美國國家宇航局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，簡稱NASA)主辦下研制與發(fā)展的3)1964年1月，NASA制定任務(wù)書4)由計(jì)算機(jī)科學(xué)(CompnterSciences)、Martin公司和MSC組成研制隊(duì)承包程序研制5)1968年5月，該程序首先在Goddard運(yùn)行

第九頁，共五十九頁。NASTRAN專利

l

COSMIC/NASTRAN:COSMIC維護(hù)的非專利版MSC/NASTRAN:MSC公司發(fā)展的專利版

UAI/NASTRAN:通用分析專利版本

SPERRY/NASTRAN:SPERRYUNIVAC公司專利版MARC/NASTRAN：MARC分析與研究專利版

DTNSRDC/NASTRAN：DavidTaylor海軍艦艇研究發(fā)展中心專利版NKF/NASTRAN：NKF工程協(xié)會(huì)專利版COSMOS/NASTRAN:COSMOS公司專利版第十頁，共五十九頁。2MSC/NASTRAN開發(fā)歷史

1964年，MSC承擔(dān)美國航空航天局（NASA）主持

NASTRAN的開發(fā)

1971年，MSC推出專利版MSC/NASTRAN1973年，MSC指定為NASTRAN(NASA)維護(hù)商

1989年,發(fā)布經(jīng)重大改進(jìn)的MSC/NASTRAN66

1991年，將CAD技術(shù)引入MSC/NASTRANV67.5及相應(yīng)產(chǎn)品NastranforWindow

1994年，MSC公司發(fā)布了經(jīng)重大改進(jìn)的MSC/NASRANV68版第十一頁，共五十九頁。1994年，MSC與PDAE合并,形成了以MSC/NASTRAN

為核心的MSC產(chǎn)品系列如：MSC.MVISION、MSC.PATRAN、MSC.THERMAL、MSC.FEA、MSC/DYTRAN、MSC.FATIGUE、MSC.AFEA等

1995年,MSC/NASTRANV68.2版

1996年,MSC/NATRANV69版

1997年,MSC/NASTRANV70版

2001年,MSC/NASTRAN2001版第十二頁，共五十九頁。3MSC/NASTRAN主要特點(diǎn)與功能MSC/NASTRAN的主要特點(diǎn)1)大型、通用、功能齊全、適用面廣

2)極高的軟件可靠性

3)世界領(lǐng)先的計(jì)算結(jié)構(gòu)技術(shù)先進(jìn)性

4)獨(dú)特的DMAP語言

5)標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出格式

第十三頁，共五十九頁。4MSC/NASTRAN主要功能1)靜力分析l

線性靜力分析（包括慣性卸載）l

屈曲分析

包括線彈性屈曲，彈性非線性屈曲和彈塑性屈曲分析。l

靜力幾何與材料非線性分析

包括：大變形（大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)以及跟隨力），非線性彈性，彈塑性，蠕變，粘彈性以及接觸問題。2)動(dòng)力分析l

正交模態(tài)分析（固有頻率與振動(dòng)模態(tài)）l

直接復(fù)特征值分析l

模態(tài)復(fù)特征值分析l

直接頻率響應(yīng)分析l

模態(tài)頻率響應(yīng)分析l

直接瞬態(tài)響應(yīng)分析l

模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析l

響應(yīng)譜分析l

隨機(jī)動(dòng)力分析l

具有幾何和（或）材料非線性的瞬態(tài)響應(yīng)分析第十四頁，共五十九頁。3)熱傳導(dǎo)分析l線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析l

非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析l

瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析l非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析

4)氣動(dòng)彈性分析l靜態(tài)氣動(dòng)彈性分析l動(dòng)氣動(dòng)彈性分析包括顫振分析，頻率響應(yīng)分析，瞬態(tài)響應(yīng)分析，隨機(jī)響應(yīng)分析，以及氣動(dòng)伺服彈性分析。第十五頁，共五十九頁。5)多級(jí)超單元分析l

線性靜力超單元分析l

屈曲超單元分析l

動(dòng)力超單元分析（模態(tài)綜合法）包括固有模態(tài)分析，直接與模態(tài)復(fù)特征值，直接與模態(tài)頻率響應(yīng)和直接與模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)。l

氣動(dòng)彈性響應(yīng)超單元分析l

顫振超單元分析l

穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱傳導(dǎo)超單元分析

l循環(huán)對(duì)稱（靜力、屈曲）超單元分析6)設(shè)計(jì)敏度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化l

設(shè)計(jì)敏度分析l多約束結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第十六頁，共五十九頁。7)通用矩陣運(yùn)算

l

運(yùn)用DMAP修改MSC/NASTRAN固定流程

l

建立用戶自己的有限元求解系列8)特殊分析功能l

聲響分析l

流體與結(jié)構(gòu)耦合分析l

循環(huán)對(duì)稱分析l層復(fù)合材料分析

第十七頁，共五十九頁。5MSC/NASTRAN的前后處理

1、MSC公司提供的MSC/PATRAN,MSC/ARIES2、通用CAD軟件如Unigraphics(UG),Pro/ENGINEER與I-DEAS等3、所有著名CAD/CAM系統(tǒng)及專用有限元前后處理軟件都與MSC/NASTRAN有接口，均可生成MSC/NASTRAN的輸入文件，并進(jìn)行后處理。第十八頁，共五十九頁。6MSC/NASTRAN的文檔資料

1、MSC/NASTRAN使用入門

（GettingStartedWithMSC/NASTRANUser’sGuide）

2、用戶指南

3、MSC/NASTRAN快速參考手冊(cè)

(MSC/NASTRANQuickReferenceGuide)

4、MSC/NASTRAN參考手冊(cè)(MSC/NASTRANReferemceManual)第十九頁，共五十九頁。第二十頁，共五十九頁。第2章有限元分析引言第二十一頁，共五十九頁。有限元法在工程分析中的作用

工程分析經(jīng)典法數(shù)值法精確解法近似解法能量法邊界元法有限差分法有限元法第二十二頁，共五十九頁。有限元法的過程第二十三頁，共五十九頁。線性靜力分析的基本矩陣方程單元?jiǎng)偠染仃?/p>

[K]=剛度矩陣{F}=力向量(已知){u}=由{F}引起的未知位移向量

第二十四頁，共五十九頁?？傮w剛度矩陣第二十五頁，共五十九頁。線性靜力有限元分析步驟

結(jié)構(gòu)離散形成單元?jiǎng)偠染仃囇b配總體剛度矩陣施加約束邊界條件施加載荷求解方程計(jì)算位移、應(yīng)力等第二十六頁，共五十九頁。F=10000磅L=10英寸YINL=10英寸面積A=1.5英寸2彈性模量E=10×106磅/英寸2面積A=2.0英寸2彈性模量E=10×106磅/英寸2例子：1、建立結(jié)構(gòu)有限元模型

L=10英寸A=1.5英寸2L=10英寸A=2.0英寸2結(jié)點(diǎn)3#結(jié)點(diǎn)1#結(jié)點(diǎn)2#單元②單元①第二十七頁，共五十九頁。2、形成單元?jiǎng)偠染仃?、總裝剛度矩陣第二十八頁，共五十九頁。4、施加邊界條件5、施加作用載荷第二十九頁，共五十九頁。6、求解矩陣方程7、計(jì)算單元應(yīng)力第三十頁，共五十九頁。第三章

NASTRAN有限元模型知識(shí)

第三十一頁，共五十九頁。離散化結(jié)構(gòu)的描述l

有限元模型所需數(shù)據(jù)：l

坐標(biāo)系l

模型幾何l

有限單元l

載荷l

邊界條件l

材料性質(zhì)第三十二頁，共五十九頁。坐標(biāo)系MSC/NASTRAN有直角笛卡爾坐標(biāo)系,稱為基本坐標(biāo)系,也稱缺省坐標(biāo)系

MSC/NASTRAN允許建局部坐標(biāo)系,包括直角、柱面(r,θ,z)與球面坐標(biāo)系(r,θ,φ)

第三十三頁，共五十九頁。模型幾何MSC/NASTRAN中，模型幾何用結(jié)點(diǎn)定義

結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)加載而移動(dòng)結(jié)構(gòu)模型每一結(jié)點(diǎn)有六個(gè)可能位移（自由度）三個(gè)移動(dòng)(在X、Y和Z方向)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(關(guān)于X、Y和Z軸)

第三十四頁，共五十九頁。有限單元

Nastran中，單元名前字母C是表“connection”

■

彈簧元（性質(zhì)如簡單拉伸或扭轉(zhuǎn)彈簧）CELAS1～4■

線單元（性質(zhì)象桿、棒或梁）桿元：CROD，CONROD直梁元：CBAR，CBEAM曲梁元：CBEND第三十五頁，共五十九頁。

■

面單元（性質(zhì)象膜或薄板）

三結(jié)點(diǎn)三角形板元：CTRIA3六結(jié)點(diǎn)三角形板元：CTRIA6四結(jié)點(diǎn)四邊形板元：CQUAD4八結(jié)點(diǎn)四邊形板元：CQUAD8四結(jié)點(diǎn)剪力板元：CSHEAR■

六面體元（性質(zhì)象塊料或厚板材）

六面體元CHEXA五面體元CPENTA四面體元CTETRA第三十六頁，共五十九頁?！?/p>

約束元（無限剛硬，稱為剛性元）

l

剛性桿：RRODl

剛性梁：RBARl

剛性三角板：RTRPLTl

剛性體：RBE1，RBE2l

均方加權(quán)約束元：RBE3l

內(nèi)插約束元：RSPLINE第三十七頁，共五十九頁。載荷

(1)

MSC/NASTRAN可處理的載荷包括靜力載荷、動(dòng)力瞬態(tài)、振動(dòng)載荷、熱載、地震加速度和隨機(jī)載荷……(2)

靜力載荷包括：l

板和體面上的壓力載荷

l

重力載荷l

由加速度引起的載荷l強(qiáng)迫位移

l

集中力和力矩l梁上的分布載荷第三十八頁，共五十九頁。邊界條件

(1)

結(jié)構(gòu)對(duì)載荷的響應(yīng)通過約束點(diǎn)或結(jié)構(gòu)點(diǎn)處產(chǎn)生反力來響應(yīng)（2）一些簡單邊界件（3）MSC/NASTRAN中，邊界條件通過約束適當(dāng)自由度為零位移來處理第三十九頁，共五十九頁。材料性質(zhì)

NASTRAN可處理材料包括：

各向同性，各向異性，非線性(與應(yīng)力相關(guān))，流體，溫度相關(guān)的，以及復(fù)合材料等

第四十頁，共五十九頁。MSC/NASTRAN輸入文件結(jié)構(gòu)

1、MSC/NASTRAN輸入文件內(nèi)容l要執(zhí)行的分析類型l

計(jì)算結(jié)果輸出要求l

模型幾何l

單元集l

材料l

載荷l

約束(邊界條件)第四十一頁，共五十九頁。2、輸入文件是文本文件默認(rèn)擴(kuò)展名為DAT，由文本編輯軟件或有限元前處理軟件建立

3、運(yùn)行MSC/NASTRAN命令

NASTRAN輸入文件名如：Nastranmodel1.dat4、輸入文件包括五個(gè)部分，三個(gè)限定符第四十二頁，共五十九頁。NASTRAN語句文件管理語句執(zhí)行控制語句CEND情況控制指令BEGINBULK模型數(shù)據(jù)集ENDDATA可選可選必須必須限定符必須限定符必須的限定符第四十三頁，共五十九頁。NASTRAN語句（可選的）

主要用來修改一些操作參數(shù)如：工作存儲(chǔ)器狀況，數(shù)據(jù)塊大小，數(shù)據(jù)塊參數(shù)等文件管理段（可選的）

主要用于初始化數(shù)據(jù)庫和FORTRAN文件執(zhí)行控制段（必須的）（1）主要功能：規(guī)定執(zhí)行作業(yè)分析解法類型（2）其它一般功能：1）可選ID語句，識(shí)別作業(yè)2）可選TIME語句，設(shè)置作業(yè)執(zhí)行最大時(shí)間限（3）結(jié)束用CEND限定符標(biāo)識(shí)第四十四頁，共五十九頁。情況控制段（必須）

（1）

規(guī)定與控制分析結(jié)果輸出要求(即力、應(yīng)力和位移的輸出要求)（2）

管理一組模型數(shù)據(jù)輸入（3）

定義分析子情況(如一個(gè)作業(yè)中施加多組載荷)，選取載荷和邊界條件（4）

位于執(zhí)行控制段后，而在模型數(shù)據(jù)段前模型數(shù)據(jù)段（必須）（1）

在情況控制段之后，以限定符“BEGINBULK”開始（2）

包含描述有限元模型的全部數(shù)據(jù)：幾何、坐標(biāo)系、有限單元、單元性質(zhì)、載荷、邊界條件以及材料性質(zhì)模型數(shù)據(jù)段記錄可以按任何秩序排列，但最后一條必是限定符“ENDDATA”第四十五頁，共五十九頁。例子截面直徑0.25英寸

，一端固定，另一端作用20磅軸力。求軸力引起的伸長

第四十六頁，共五十九頁。MSC/NASTRAN輸入文件ROD.DAT為第四十七頁，共五十九頁。MSC/NASTRAN輸出文件ROD.DBALL包含數(shù)據(jù)庫運(yùn)行的永久性數(shù)據(jù)ROD.F04包含數(shù)據(jù)庫文件信息和模塊執(zhí)行摘要ROD.F06包含MSC/NASTRAN的分析結(jié)果ROD.LOG包含系統(tǒng)信息和系統(tǒng)錯(cuò)誤信息ROD.MASTE數(shù)據(jù)庫運(yùn)行總辭典MSC/NASTRAN輸出文件包括無重起動(dòng)，MASTER和DBALL文件在作業(yè)完成后自動(dòng)清除

第四十八頁，共五十九頁。F06文件部分結(jié)果第四十九頁，共五十九頁。MSC/NASTRAN輸入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)單位

MSC/NASTRAN對(duì)物理單位無限制用戶在形成有限元模型時(shí)使用一致性單位制量英制SI輸入量：

結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)英寸米彈性模量磅/英寸2牛頓/米2作用力矩英寸磅牛頓米作用力磅牛頓質(zhì)量磅秒2/英寸千克時(shí)間秒秒輸出量：

位移英寸米應(yīng)力磅/英寸2牛頓/米2第五十頁，共五十九頁。輸入數(shù)據(jù)格式實(shí)數(shù)、整數(shù)和符號(hào)輸入數(shù)據(jù)

MSC/NASTRAN有三種可能數(shù)據(jù)整數(shù)、實(shí)數(shù)和字符(也稱文字型、或BCD)整數(shù)不能包含小數(shù)點(diǎn)實(shí)數(shù)必須包含小數(shù)點(diǎn)字符以字母開頭，其長度最多為8個(gè)字母實(shí)數(shù)可用多種形式輸入，如，“7”可采用如下形式輸入第五十一頁，共五十九頁。自由域、小域與大域格式

(1)MSC/NASTRAN三種輸入數(shù)據(jù)格式自由域格式輸入數(shù)據(jù)字域是用逗號(hào)分開小域格式

共十個(gè)字域，每個(gè)字域有八個(gè)字符大域格式十個(gè)字域，每個(gè)字域包含16個(gè)字符

(2)NASTRAN語句、文件管理段、執(zhí)行控制段、情況控制段用自由格式(3)模