Nastran静力分析13章概述课件

1、MSC.NASTRAN基础培训 MSC公司成都办事处第1页，共58页。第 0 章 MSC.Software公司 公司概况MSC公司建于1963年。总部：美国洛杉机。分部：欧洲（德国）和日本办事处：30多个国家设有办事处亚太办事处：东京总部，大板分公司 汉城，悉尼，台北 中国办事处：北京、上海、成都、深圳雇员：技术工程师680多人第2页，共58页。MSC.Software公司 第一笔业务： NASA通用有限元结构分析程序NASTRAN开发（1963年） 1970年开发NASTRAN商业版本MSC/NASTARN 1983年股票上市 1993年收购世界著名CAD软件供应商Aries Technol

2、ogy 公司 1994年收购CAE领域第二软件供应商PDA工程公司 1998年收购MARC公司 1999年收购Work Model 公司2001年与法国DASSAULT战略同盟 2002年收购MDI公司（ADAMS机构运动仿真)2002年收收购波音公司控制仿真系统EASY5第3页，共58页。主要产品：1）大型通用有限元程序 MSC/NASTRAN2）非线性有限元分析程序 MSC/MARC3）三维非线性和瞬态动力学软件 MSC/DYTRAN4）通用有限元前后置处理系统 MSC/PATRAN5）结构疲劳寿命预测仿真系统 MSC/FATIGUE6）机构运动仿真软件 MSC/ADAMS7）通用有限元分

3、析系统 MSC/NASTRAN for Windows8）基于CAD技术的有限元前后处理器 MSC/ARIES第4页，共58页。 8）商品化材料数据信息系统 MSC/MVISION 9）锻压仿真系统 MSC/SuperForm10) 速跌落试验仿真系统 MSC/DropTest11) 面向设计人员的分析软件 MSC/InCheck12）车辆舒适性预测仿真系统 MSC/NVH-Manager13）预测系统 MSC/AKUSMOD14）汽车有限元模型处理系统 MSC/AMS15）拓扑及形状优化设计软件系统 MSC/Construct16）成型仿真系统 MSC/SuperModel17）机构运动仿真

4、系统 MSC/WORK MODEL18) 控制仿真系统 MSC/EASY 5第5页，共58页。MSC产品应用 航空航天、机械、汽车、船舶、铁道、建筑电子、化工、材料、核能、冶金、地矿、生物医学及教学与科研等领域和部门 92%的机械设计制造; 97%的汽车; 95%的航空航天;98%国防。 MSC公司产品占CAE领域40%市场 第6页，共58页。服务方式 1）热线咨询服务2）遍布世界各地的MSC办事处3）定期与专门培训4）定期召开MSC用户会议5）网上服务 第7页，共58页。第 1 章 MSC.NASTRAN第8页，共58页。1 NASTRAN与MSC/NASTRAN NASTRAN 程序由来

5、1) NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis）是一个大 型、通用有限元结构分析计算机程序2) 在美国国家宇航局 ( National Aeronautics and Space Administration，简称 NASA) 主办下研制与 发展的3) 1964年1月，NASA制定任务书4) 由计算机科学(Compnter Sciences)、Martin 公 司和MSC组成研制队承包程序研制5) 1968年5月 ，该程序首先在Goddard运行 第9页，共58页。NASTRAN 专利 l COSMIC/NASTRAN:COSMIC维护的非专利版MSC/NASTRAN

6、:MSC公司发展的专利版 UAI/NASTRAN:通用分析专利版本 SPERRY/NASTRAN: SPERRY UNIVAC公司专利版MARC/NASTRAN：MARC分析与研究专利版 DTNSRDC/NASTRAN：David Taylor海军舰艇研究发展 中心专利版NKF/NASTRAN： NKF工程协会专利版COSMOS/NASTRAN: COSMOS公司专利版第10页，共58页。2 MSC/NASTRAN开发历史 1964年，MSC承担美国航空航天局（NASA）主持 NASTRAN的开发 1971年，MSC推出专利版MSC/NASTRAN 1973年，MSC指定为NASTRAN(NA

7、SA)维护商 1989年, 发布经重大改进的 MSC/NASTRAN66 1991年，将CAD技术引入MSC/NASTRAN V67.5及相 应产品 Nastran for Window 1994年，MSC公司发布了经重大改进的MSC/NASTRANV68 版 第11页，共58页。 1994年，MSC与PDAE合并,形成了以MSC/ NASTRAN 为核心的MSC产品系列 如：MSC.MVISION、 MSC.PATRAN、 MSC.THERMAL、MSC.FEA、MSC/DYTRAN、 MSC.FATIGUE、MSC.AFEA等 1995年,MSC/NASTRAN V68.2版 1996年,

8、MSC/NATRAN V69版 1997年, MSC/NASTRAN V70版 2001年,MSC/NASTRAN2001版第12页，共58页。3 MSC/NASTRAN主要特点与功能 MSC/NASTRAN 的主要特点 1)大型、通用、功能齐全、适用面广 2)极高的软件可靠性 3)世界领先的计算结构技术先进性 4)独特的DMAP语言 5) 标准的输入/输出格式 第13页，共58页。4 MSC/NASTRAN 主要功能 1)静力分析l 线性静力分析（包括惯性卸载）l 屈曲分析 包括线弹性屈曲，弹性非线性屈曲和弹塑性屈曲分析。l 静力几何与材料非线性分析 包括：大变形（大位移、大转动以及跟随力）

9、，非线性弹性，弹塑性，蠕变， 粘弹性以及接触问题。 2)动力分析 l正交模态分析（固有频率与振动模态）l直接复特征值分析l 模态复特征值分析l 直接频率响应分析l 模态频率响应分析l 直接瞬态响应分析l 模态瞬态响应分析l 响应谱分析l 随机动力分析l 具有几何和（或）材料非线性的瞬态响应分析第14页，共58页。3)热传导分析 l 线性稳态热传导分析l 非线性稳态热传导分析l 瞬态热传导分析l 非线性瞬态热传导分析 4)气动弹性分析 l 静态气动弹性分析l 动气动弹性分析 包括颤振分析，频率响应分析，瞬态响应分析，随机响应分析， 以及气动伺服弹性分析。第15页，共58页。5) 多级超单元分析

10、l 线性静力超单元分析l 屈曲超单元分析l 动力超单元分析（模态综合法） 包括固有模态分析，直接与模态复特征值，直接与模态频率响 应和直接与模态瞬态响应。l 气动弹性响应超单元分析l 颤振超单元分析l 稳态与瞬态热传导超单元分析 l 循环对称（静力、屈曲）超单元分析 6)设计敏度分析与结构优化 l 设计敏度分析l 多约束结构优化 第16页，共58页。 7) 通用矩阵运算 l 运用DMAP修改MSC/NASTRAN固定流程 l 建立用户自己的有限元求解系列 8) 特殊分析功能 l 声响分析 l 流体与结构耦合分析 l 循环对称分析 l 层复合材料分析 第17页，共58页。5 MSC/NASTRA

11、N的前后处理 1、 MSC公司提供的 MSC/PATRAN,MSC/ARIES2、通用CAD软件 如Unigraphics(UG),Pro/ENGINEER与I-DEAS等3、所有著名CAD/CAM系统及专用有限元前后处理软件 都与MSC/NASTRAN有接口，均可生成MSC/NASTRAN的 输入文件，并进行后处理。 第18页，共58页。6 MSC/NASTRAN的文档资料 1、 MSC/NASTRAN 使用入门 （ Getting Started With MSC/NASTRAN Users Guide ） 2、用户指南 3、MSC/NASTRAN 快速参考手册 ( MSC/NASTRAN

12、 Quick Reference Guide ) 4、MSC/NASTRAN 参考手册 ( MSC/NASTRAN Reference Manual ) 第19页，共58页。第20页，共58页。第 2 章 有限元分析引言第21页，共58页。有限元法在工程分析中的作用 工程分析经典法数值法精确解法近似解法能 量 法边界元法有限差分法有限元法第22页，共58页。有限元法的过程 第23页，共58页。线性静力分析的基本矩阵方程单元刚度矩阵 K =刚度矩阵F =力向量(已知)u =由F引起的未知位移向量 第24页，共58页。总体刚度矩阵第25页，共58页。线性静力有限元分析步骤 结构离散形成单元刚度矩阵

13、装配总体刚度矩阵施加约束边界条件施加载荷求解方程计算位移、应力等第26页，共58页。F = 10000 磅L = 10 英寸YINL = 10 英寸面积 A = 1.5 英寸2弹性模量 E = 10106 磅/英寸2面积 A = 2.0 英寸2弹性模量 E = 10106 磅/英寸2例子：1、建立结构有限元模型 L=10英寸A=1.5英寸2L=10英寸A=2.0英寸2结点 3#结点 1#结点 2#单元 单元 第27页，共58页。2、形成单元刚度矩阵 3、总装刚度矩阵 第28页，共58页。4、施加边界条件 5、施加作用载荷 第29页，共58页。6、求解矩阵方程 7、计算单元应力第30页，共58页

14、。第三章NASTRAN有限元模型知识 第31页，共58页。离散化结构的描述l有限元模型所需数据：l 坐标系l 模型几何l 有限单元l 载荷l 边界条件l 材料性质第32页，共58页。坐标系MSC/NASTRAN有直角笛卡尔坐标系,称为基本坐标系,也称缺省坐标系 MSC/NASTRAN允许建局部坐标系,包括直角、柱面(r,z)与球面坐标系(r,) 第33页，共58页。模型几何MSC/NASTRAN中，模型几何用结点定义 结构结点加载而移动结构模型每一结点有六个可能位移（自由度） 三个移动(在X、Y和Z方向)和三个转动(关于X、Y和Z轴) 第34页，共58页。有限单元 Nastran中，单元名前字

15、母C是表“connection” 弹簧元（性质如简单拉伸或扭转弹簧） CELAS14 线单元（性质象杆、棒或梁） 杆元： CROD，CONROD 直梁元：CBAR，CBEAM 曲梁元：CBEND第35页，共58页。 面单元（性质象膜或薄板） 三结点三角形板元：CTRIA 3 六结点三角形板元：CTRIA 6 四结点四边形板元：CQUAD 4 八结点四边形板元：CQUAD 8 四结点剪力板元：CSHEAR 六面体元（性质象块料或厚板材） 六面体元 CHEXA五面体元CPENTA四面体元CTETRA第36页，共58页。 约束元（无限刚硬，称为刚性元） l 刚性杆：RROD l 刚性梁：RBAR l

16、 刚性三角板：RTRPLT l 刚性体：RBE1，RBE2 l 均方加权约束元：RBE3 l 内插约束元：RSPLINE第37页，共58页。载荷 (1) MSC/NASTRAN可处理的载荷包括静力载荷、动 力瞬态、振动载荷、热载、地震加速度和随机 载荷 (2) 静力载荷包括：l 板和体面上的压力载荷 l 重力载荷l由加速度引起的载荷l 强迫位移 l 集中力和力矩l 梁上的分布载荷第38页，共58页。边界条件 (1)结构对载荷的响应通过约束点或结构点处产 生反力来响应 （2）一些简单边界件（3）MSC/NASTRAN中，边界条件通过约束适当自由度 为零位移来处理 第39页，共58页。材料性质 N

17、ASTRAN可处理材料包括： 各向同性，各向异性，非线性(与应力相关)， 流体，温度相关的，以及复合材料等 第40页，共58页。MSC/NASTRAN输入文件结构 1、MSC/NASTRAN输入文件内容 l 要执行的分析类型l 计算结果输出要求l模型几何l单元集l材料l载荷l约束(边界条件)第41页，共58页。2、输入文件是文本文件默认扩展名为DAT，由文本编辑软件或有限元前处理软件建立 3、运行MSC/NASTRAN命令 NASTRAN 输入文件名 如：Nastran model1.dat 4、输入文件包括五个部分，三个限定符 第42页，共58页。NASTRAN语句文件管理语句执行控制语句C

18、END情况控制指令BEGIN BULK模型数据集ENDDATA可选可选必须必须限定符必须限定符必须的限定符第43页，共58页。 NASTRAN 语句（可选的） 主要用来修改一些操作参数 如：工作存储器状况，数据块大小，数据块参数等 文件管理段（可选的） 主要用于初始化数据库和FORTRAN 文件 执行控制段（必须的）（1）主要功能：规定执行作业分析解法类型 （2）其它一般功能：1）可选ID语句，识别作业 2）可选TIME语句，设置作业执行最大时间限 （3）结束用CEND限定符标识第44页，共58页。情况控制段（必须） （1） 规定与控制分析结果输出要求(即力、应力和位移的输出要求) （2） 管

19、理一组模型数据输入 （3） 定义分析子情况(如一个作业中施加多组载荷)，选取载荷和边界条件 （4） 位于执行控制段后，而在模型数据段前 模型数据段（必须） （1）在情况控制段之后，以限定符“BEGIN BULK”开始 （2） 包含描述有限元模型的全部数据：几何、坐标系、有限单元、单 元性质、载荷、边界条件以及材料性质模型数据段记录可以按任 何秩序排列，但最后一条必是限定符“ENDDATA” 第45页，共58页。例子截面直径0.25英寸 ，一端固定，另一端作用20磅轴力。求轴力引起的伸长 第46页，共58页。MSC/NASTRAN输入文件ROD.DAT为 第47页，共58页。MSC/NASTRA

20、N输出文件 ROD.DBALL包含数据库运行的永久性数据ROD.F04 包含数据库文件信息和模块执行摘要ROD.F06 包含MSC/NASTRAN的分析结果ROD.LOG包含系统信息和系统错误信息ROD.MASTE数据库运行总辞典MSC/NASTRAN输出文件包括无重起动， MASTER和DBALL文件在作业完成后自动清除 第48页，共58页。F06文件部分结果 第49页，共58页。MSC/NASTRAN输入数据 数据单位 MSC/NASTRAN对物理单位无限制用户在形成有限元模型时使用一致性单位制 量英制SI输入量： 结点坐标英寸米 弹性模量磅/ 英寸2牛顿/米2 作用力矩英寸磅牛顿米 作用力磅牛顿 质量磅秒2/英寸千克 时间秒秒输出量： 位移英寸米 应力磅/ 英寸2牛顿/米2第50页，共58页。输入数据格式 实数、整数和符号输入数据 MSC/NASTRAN有三种可能数据 整数、实数和