Nastran频率响应分析

Nastran频率响应分析

目录

Nastran频率响应分析(1).......................................................................4

1.内容简述..................................................4

2.Nastran频率响应分析基础...................................4

2.1频率响应分析原理........................................5

2.2频率响应分析的应用......................................6

3.Nastran频率响应分析步骤...................................7

3.1前处理...................................................8

3.1.1模型准备...............................................9

3.1.2材料属性定义..........................................10

3.1.3边界条件设置..........................................11

3.2求解设置...............................................13

3.2.1分析类型选择..........................................14

3.2.2求解选项设置.........................................15

3.3后处理...................................................16

3.3.1结果查看..............................................18

3.3.2频率响应曲线绘制......................................18

4.Nastran频率响应分析实例..................................20

4.1简单梁的频率响应分析....................................21

4.2复杂结构的频率响应分析..................................21

5.Nastran频率响应分析高级技巧............................22

5.1参数化模型..............................................23

5.2谐波分析................................................24

5.3稳态分析................................................25

6.频率响应分析结果分析....................................26

6.1频率响应曲线分析........................................27

6.2频率响应分析结果解释....................................28

Nastran频率响应分析(2).......................................................................29

1.Nastran频率响应分析概述.................................29

2.Nastran频率响应分析准备.................................30

2.1前处理..................................................31

2.1.1模型建立..............................................32

2.1.2材料属性定义.........................................33

2.1.3边界条件设置..........................................34

2.2后处理..................................................35

2.2.1结果查看..............................................36

2.2.2数据提取..............................................37

3.Nastran频率响应分析步骤..................................38

3.1定义分析类型............................................38

3.2设置分析参数............................................40

3.2.1频率范围..............................................41

3.2.2频率步长..............................................42

3.2.3模态分析选项..........................................43

3.3运行分析................................................44

3.4查看分析结果............................................44

3.4.1频率响应曲线..........................................45

3.4.2阻尼比分析...........................................46

3.4.3位移、速度和加速度响应................................48

4.Nastran频率响应分析实例..................................49

4.1实例介绍................................................50

4.2模型建立................................................51

4.3材料属性定义............................................52

4.4边界条件设置............................................53

4.5频率响应分析设置.......................................54

4.6分析结果分析............................................56

5.Nastran频率响应分析常见问题与解决方案...................57

5.1分析结果异常............................................57

5.2计算效率低..............................................58

5.3模型精度问题..........................................59

5.4软件操作技巧............................................60

6.Nastran频率响应分析高级应用..............................62

6.1多点激励频率响应分析....................................63

6.2频率响应分析在优化设计中的应用.........................64

汽车、土木结构等领域。在频率响应分析中，系统受到外部激励的作用，这种激励可以

是周期性变化的力或位移，也可以是随机振动。Nastran通过求解结构的振动方程，获

得结构的动态响应，包括振幅、频率响应函数等参数。这对于预测结构的振动特性、优

化设计、避免共振等问题具有重要意义。在进行Nastran频率响应分析时，需要建立精

确的结构模型，选择合适的激励类型和参数，并考虑结构的材料属性、几何形状等因素。

此外，还需要对分析结果进行验证和实验对比，以确保其准确性和可靠性。掌握Nastran

频率响应分析的基本原理和方法是进行结构动力学分析和优化设计的重要基础。通过频

率响应分析，可以优化结陶的设计方案，提高结构的性能和使用寿命。

2.1频率响应分析原理

在进行频率响应分析(FrequencyResponseAnalysis)时，我们主要关注的是结

构系统在不同频率下的响应情况。频率响应分析是有限元分析的一种重要应用，它主要

用于研究结构系统对不同激励力频率的响应特性。

在结构系统中，当受到周期性或简谐激励时，其内部各部分将产生相应的振动响应。

频率响应分析的目的就是通过有限元模型计算出这些响应的振幅和相位随频率变化的

关系，从而帮助工程师理解系统的固有频率、共振现象以及非线性效应等特性。

频率响应分析的基本步骤包括：

1.建立模型：首先需要根据实际问题构建一个准确的有限元模型，这一步骤涉及到

材料属性、几何形状以及边界条件的选择。

2.施加激励：通常情况下，激励可以是简谐力的形式，即激励力随时间变化遵循正

弦波的形式。这种形式的激励能够方便地分析系统的动态响应。

3.求解与分析：利用软件工具如Nastran,对上述建立的模型施加简谐激励，并求

解系统在不同激励频率下的响应。这一步骤通常会得到一系列关于振幅和相位随

频率变化的数据。

4.结果解释：通过对求解得到的结果进行分析，可以识别系统的固有频率、最大振

幅以及可能存在的共振现象等关键信息。

Nastran是一款功能强大的有限元分析软件，支持多种类型的分析，包括但不限于

静态分析、动力学分析、热分析等。在进行频率响应分析时，用户可以选择专门的模块

或者使用现有的分析模板来执行相关的计算。通过深入理解和应用频率响应分析，工程

师能够更有效地设计和优叱结构系统，以应对各种工作环境中的动态载荷。

2.2频率响应分析的应用

频率响应分析是一种重要的结构动力分析方法，广三应用于工程领域，特别是对结

构系统在动态荷载下的动杰响应进行预测和优化设计。以下将详细介绍频率响应分析的

应用。

结构系统固有频率和振型的确定：

通过频率响应分析，可以确定结构系统的固有频率和振型。这些参数对于理解结构

在动态荷载下的动态行为至关重要，固有频率反映了结构在无约束自由振动时的自然频

率，而振型则描述了结构在振动时的变形模式。

结构系统阻尼特性的评估：

频率响应分析还可以用于评估结构系统的阻尼特性，阻尼是结构在振动过程中能量

耗散的度量，对结构的地震响应、风振响应等动态响应具有重要影响。通过分析频率响

应曲线，可以确定结构的阻尼比和损耗因子，从而为结构设计提供指导。

结构系统稳定性及稳定性的改进：

通过对结构系统的频率响应进行分析，可以判断其在特定频率荷载下的稳定性。如

果结构在某些频率下发生共振，可能会导致结构破坏或性能下降。因此，频率响应分析

有助于及时发现并改进结陶的稳定性问题。

结构系统优化设计：

频率响应分析还可以应用于结构系统的优化设计，通过调整结构的设计参数（如材

料、截面尺寸、连接方式等），可以改善结构的动态性能，如降低固有频率、增加阻尼

比等。这种优化设计可以提高结构的安全性和经济性。

结构系统故障诊断与监测：

在实际应用中，频率响应分析也可以用于结构系统的故障诊断与监测。当结构出现

故障时，其频率响应会发生异常变化。通过对比正常状态和故障状态的频率响应曲线，

可以判断结构是否发生故障以及故障的严重程度。此外，频率响应分析还可以用于实时

监测结构的状态，为结构的安全运行提供保障。

频率响应分析在结构系统设计、评估、优化及故障诊断等方面具有广泛的应用价值。

3.Nastran频率响应分析步骤

L模型准备：

•首先，确保有限元模型（FEM）已经建立并正确地反映了实际结构的几何形状、

材料属性和边界条件。

•对模型进行必要的网格划分，确保网格质量满足分析要求。

2.设置分析类型：

•在Nastran中，通过选择合适的分析类型来指定频率响应分析。在分析设置中，

选择“频率响应分析”或“频率响应谱分析”。

3.定义频率范围：

•根据分析需求，定义分析的频率范围，包括起始频率、结束频率和频率间隔。

4.设置求解选项:

•在求解选项中，指定求解器和求解选项，如求解精度、迭代次数等，以确保求解

的稳定性和准确性。

5.边界条件与载荷：

•根据实际情况，在模型上施加适当的边界条件和载荷。对于频率响应分析，通常

需要在模型的一个或多个自由度上施加激励。

6.执行分析：

•运行Nastran求解器进行频率响应分析。求解器将自动计算结构在不同频率下的

响应。

7.结果处理：

•分析完成后，Nastran将输出频率响应分析的结果，包括振型、频率响应函数（FRF）

和频响曲线等。

•使用Nastran后处理工具查看和分析结果，如绘制频响曲线、计算特征值和特征

向量等。

8.验证与优化：

•对分析结果进行验证，确保其准确性和可靠性。必要时，根据分析结果对模型或

设计进行优化。

9.报告撰写：

•根据分析目的和结果，撰写频率响应分析报告，包括分析背景、方法、垢果和结

论等内容。

3.1前处理

1.定义材料属性：根据实际工程需求，为模型中的结构元素定义相应的材料属性。

这包括材料的弹性模量、泊松比、密度等参数。

2.定义边界条件和载荷：根据实际工程情况，为模型设置合适的边界条件和载荷。

例如，可以设置固定边界、自由边界、集中载荷、均布载荷等。

3.定义网格划分：根据模型的几何形状和尺寸，对模型进行网格划分。合理的网格

划分可以提高计算潸度和效率。

4.定义荷载步长：根据模型的特点和计算要求，选择合适的荷载步长。较大的荷载

步长可能导致数值不稳定，而较小的荷载步长可能导致计算时间过长。

5.定义初始条件：根据实际工程需求，为模型设置初始条件，如温度场、压力场、

位移场等。

6.检查模型完整性：在完成前处理后，需要检查模型的完整性，确保所有元素都已

正确定义，没有遗漏或重复。

3.1.1模型准备

1.模型导入与检查：首先，需要将模型导入Nastran。这通常涉及将CAD模型转换

为Nastran可识别的中性文件格式，如IGES或STEP。导入后，需要对槿型进行

完整性检查，确保所有必要的几何和属性都已包含在内。

2.材料属性定义：在模型中定义正确的材料属性是必要的。这包括弹性模量、密度、

泊松比等参数，这些参数对于频率响应分析至关重要。确保使用准确的材料数据

以获取可靠的模拟结果。

3.连接和界面处理：模型中各个部件之间的连接和界面条件需要仔细处理。这包括

焊缝、钾钉连接、胶粘连接等。正确的界面模拟可以显著提高分析的准确性。

4.有限元网格划分：针对频率响应分析，适当的网格划分是关键。精细的网格可以

在关键区域提供更高的精度，同时避免不必要的计算开销。这一阶段可能需要使

用特定的网格生成工具或策略。

5.模型简化：在某些情况下，为了计算效率，可能需要对模型进行简化。这可能涉

及删除对分析影响不大的细节或合并相似的元素，然而，这种简化应在不损失关

键动态特性的前提下进行。

6.载荷和边界条件定义：根据分析需求定义适当的载荷和边界条件。这可能包括静

态或动态载荷、约束和支撑条件等。确保这些条件反映实际使用情况。

7.验证与校准：在模型准备阶段结束时，应对模型进行验证和校准。这可以通过与

实验数据或先前分析结果的比较来完成，以确保模型的准确性。

8.频率响应分析设置：根据分析的目的和要求设置频率响应分析参数。这可能包括

频率范围、分析类型（如模态分析、谐响应分析等）等。

通过以上步骤，可以为Nastran频率响应分析准备一个高质量的模型，从而为后续

的分析工作打下坚实的基础。

3.1.2材料属性定义

在进行Nastran频率响应分析时，材料属件的定义是至关重要的一步.这涉及到材

料的力学特性，包括但不限于弹性模量、泊松比、密度等参数，这些参数将直接影响到

结构的响应结果。

在Nastran中，可以使用不同的材料模型来描述材料的特性，常见的有线性弹性模

型、非线性弹性模型（例如考虑剪切硬化效应）、塑性模型以及复合材料模型等。具体

选择哪种模型取决于所研究材料的具体性质和分析的需求。

对于线性弹性材料，通常通过E（弹性模量）、v（泊松比）和p（密度）三个参

数来定义材料属性。对于非线性材料，可能需要更多参数或者特定的材料模型来准确地

描述其行为。

在Nastran的输入文件中，材料属性可以通过定义材料族来实现。首先，在MATERIAL

命令中指定一个材料族名，然后在后面跟随一系列参数来定义该材料族的具体属性。例

如：

MASSDENSITY7.85E-03

ELASTICE2100000000.0N/mm2NU0.3

在进行频率响应分析时，除了材料属性之外，还需要定义边界条件、载荷条件等，

以确保整个分析过程能够准确反映结构在不同频率下的响应情况。

3.1.3边界条件设置

在进行Nastran频率响应分析时，边界条件的设置对于准确模拟结构在各种工况下

的动态响应至关重要。本节将详细介绍如何合理设置边界条件，以确保分析结果的可靠

性。

首先，需要明确结构所处的环境，包括地面条件、气象条件等。这些外部因素将直

接影响结构的边界条件设置。

对于静态加载情况，通常采用以下几种边界条件：

1.无质量或刚体边界：结构上的所有质量均视为零，且结构本身无刚度。这种设置

适用于刚体模型，如梁、柱等。

2.固定支撑边界：结构的一端或两端固定，另一端允许自由移动。这种设置适用于

需要模拟结构在固定支座上的振动情况。

3.较接边界：结构的连接处允许相对转动，但不允许沿连接线移动。这种设置适用

于具有柔性连接的结构，如桥梁中的较接支座。

对于动态加载情况，边界条件的设置将更为复杂。除了上述静态边界条件外，还需

要考虑以下因素:

1.自然频率：结构的自然频率是其在特定频率下振动的特性。在进行动态分析时，

需要确保边界条件的设置不会改变结构的自然频率。

2.阻尼：结构在振动过程中会产生阻尼，这会影响振动的衰减速度。在设置边界条

件时，应考虑结构的阻尼特性，以确保分析结果的准确性。

3.外部激励：在动态分析中，通常需要施加外部激励来模拟实际工况下的振动。边

界条件的设置应确保外部激励能够有效地作用于结构。

此外，在设置边界条件时，还需要注意以下几点：

1.对称性：对于具有对称性的结构，可以简化边界条件的设置，从而提高计算效率。

2.一致性：在分析过程中，应确保所有相关部分的边界条件保持一致，以避免出现

不一致的结果。

3.合理性：边界条件的设置应基于结构力学的基本原理和实际工程背景，确保其合

理性和可行性。

在Nastran频率响应分析中，合理的边界条件设置是获得准确分析结果的关键环节。

通过充分考虑结构所处的环境、加载情况以及边界条件的具体设置方法，可以有效地模

拟结构在各种工况下的动态响应。

3.2求解设置

1.求解类型选择：

Nastran提供了多种求解类型，如子空间迭代法、逆迭代法、矩阵迭代法等。针对

频率响应分析，通常选择“子空间迭代法”或“逆迭代法”，这两种方法适用于求解大

型结构系统的频率响应。

2.频率范围设定：

根据分析需求，设定求解的频率范围。这包括频率的最小值和最大值，以及频率步

长。合理的频率范围和步长能够确保分析结果的全面性和准确性。

3.求解精度设置：

为了得到精确的频率响应结果，需要设置合适的求解精度。这包括相对误差和绝对

误差，通常，相对误差设定在le-4到le-6之间，绝对误差设定在le-3到le-5之间。

4.阻尼设置：

在频率响应分析中，阻尼的设置对结果影响较大。根据实际情况，可以选抵线性阻

尼、非线性阻尼或材料阻尼。阻尼比的选择应在0.01到0.1之间，具体数值需根据结

构的特点和振动特性确定。

5.模式扩展设置：

为了提高求解效率，可以在求解过程中设置模式扩展。模式扩展可以减少计算时间,

但可能会牺牲一定的精度。通常，模式扩展数设置为10到50之间。

6.求解器选项：

Nastran提供了多种求解器选项，如静态求解器、模态求解器、频率响应求解器等。

在频率响应分析中，应选择“频率响应求解器”，以确保求解过程的正确性和效率。

7.求解器参数优化：

为了进一步提高求解效率，可以对求解器参数进行优化。例如，调整迭代次数、收

敛条件等。优化后的求解器参数能够有效减少计算时间，同时保证分析结果的准确性。

通过以上求解设置，可以确保Nastran频率响应分析得到准确、可靠的结果。在实

际应用中，应根据具体问题特点和需求，灵活调整求解设置，以达到最佳的分析效果。

3.2.1分析类型选择

1.线性分析:适用于大多数结构系统,特别是当系统的动态行为可以近似为线性时。

这种分析可以用于评估系统在特定频率下的响应，以及确定系统在该频率下是否

会出现非线性效应。

2.模态分析：对于具有多个自由度的复杂系统，模态分析可以帮助识别系统中的主

要振动模式。这种分析通常用于评估系统的固有特性，如频率和振型。

3.谐波分析：适用于需要研究特定频率成分对系统响应影响的情况。通过将时间域

内的输入信号分解为多个谐波分量，可以更精确地分析这些特定频率成分对系统

的影响。

4.随机振动分析：当考虑环境或外部激励对系统的影响时，随机振动分析是一种常

用的方法。这种分析可以评估系统在随机激励下的稳态响应，并确定系统的稳定

性。

5.瞬态分析：适用于需要研究系统在瞬态载荷作用下的行为的情况。这种分析可以

评估系统在瞬态加载下的响应，包括位移、应力和加速度等参数。

6.稳态分析：适用于需要研究系统在长期运行过程中的行为的情况。这种分析可以

评估系统在稳态载荷作用下的响应，并预测系统在未来一段时间内的发展趋势。

7.疲劳分析：当考虑结构的耐久性时，疲劳分析是一种重要的分析类型。这种分析

可以评估结构在反复加载下的疲劳寿命，并帮助设计人员采取适当的预防措施来

延长结构的使用寿命。

在选择分析类型时，应考虑以下因素：

•系统的特性：包括自由度、质量分布、刚度和阻尼特性等。

•载荷条件：包括静载、动载、随机激励等。

•预期的应用需求：例如，是否需要评估结构的稳定性、耐久性或疲劳寿命。

•计算资源：根据可用的计算机资源（如处理器速度、内存大小等）选择合适的分

析类型。

根据上述因素，用户可以选择最适合其特定问题和目标的分析类型，以获得准确和

可靠的频率响应分析结果。

3.2.2求解选项设置

1.频率范围设置：

•根据分析需求，确定频率响应分析的范围。这包括最低频率、最高频率以及分析

的频率步长。

•根据结构或部件的固有频率，合理设置分析频率点，确保捕捉到结构的关键动态

特性。

2.载荷类型与幅值：

•根据实际情况选择施加在结构上的载荷类型，如简谐载荷、随机载荷等。

•设置载荷的幅值，这对于计算结构的响应至关重要。

3.模态提取方法：

•Nastran提供了多种模态提取方法，如子空间迭代法、块Lanczos法等0根据问

题的规模和特性选择合适的模态提取方法。

•设置提取的模态数量，通常包括所有关心的模态以及一定数量的高阶模态。

4.响应类型与输出：

•根据分析目的选择响应类型，如位移、速度、加速度、应力等。

•设置输出格式和详细程度，以便于后续的数据处理和结果分析。

5.求解器选项：

•选择合适的求解器，如直接求解器、迭代求解器等。对于大规模问题，迭代求解

器可能更为高效。

•根据求解器的特性调整相关参数，如迭代次数、收敛准则等。

6.收敛性判断：

•设置收敛判据，如力收敛判据、位移收敛判据等。确保分析达到预设的收敛精度。

•对于复杂结构或非线性问题，可能需要多次迭代才能达到收敛标准。

7.并行计算选项：

•如果计算资源充足，可以开启并行计算以加速频率响应分析的过程。

•设置并行计算的参数，如任务分配策略、通信策略等。

8.其他高级选项：

•包括对模型进行预条件处理、使用高级算法选项等，这些可以根据具体问题和模

型特性进行设置。

正确设置求解选项是确保Nastran频率响应分析准确性和效率的关键步骤。在设定

过程中，需要考虑结构特性、分析目的、计算资源等多方面因素，进行综合考虑和权衡。

3.3后处理

1.结果检查：首先，需要检查计算结果是否符合预期。这包括确认所有输入参数的

正确性以及模型几何形状和材料特性的准确性。此外，还需检查是否有任何错误

信息出现。

2.绘制频率响应曲线：使用Nastran后处理器或外部软件，绘制频率响应曲线图。

这些曲线可以展示结构在不同频率下的位移、速度、加速度等响应情况。通常，

频率响应曲线图可以帮助识别结构的共振频率，并评估其在不同频率范围内的性

能。

3.模式分解与模态分析：如果进行了模态分析，可以进一步分析每个模式的振动特

性。这有助于了解结构的动态行为，比如哪个部分是主要的振动源。模式分解还

可以帮助理解结构的稳定性和刚度分布。

4.结果解释：基于绘制的图表和分析结果，对结构进行详细解释。例如，如果在某

个特定频率下观察到显著的响应，这可能意味着该频率与结构的固有频率相近，

可能引起共振现象。

5.结果比较：将所得结果与理论值或其他实验数据进行比较，以验证分析的准确性

和可靠性。这有助于确保分析的有效性并发现可能存在的误差来源。

6.报告撰写：根据上述分析结果编写详细的报告，总结研究过程、关键发现及结论。

报告应清晰地传达研究目的、方法、结果及其意义，为后续设计优化或工程应用

提供指导。

在进行Nastran频率响应分析时，充分重视后处理阶段，能够更全面地理解和利用

分析结果，从而提高工程设计的质量和效率。

3.3.1结果查看

在“Nastran频率响应分析”文档中，”3.3.1结果查看”段落可能包含以下内容：

在进行Nastran频率响应分析后，用户可以通过一系列步骤来查看和分析所得结果°

首先，确保您已成功运行分析并保存了结果文件。接下来，请按照以下指南进行结果查

看：

1.启动Nastran软件：打开Nastran软件，并加载您之前保存的分析结果文件。

2.选择分析类型：在软件界面中，选择您想要查看的结果类型。通常，您可以选择

查看模态频率响应、随机振动响应或地震响应等。

3.查看模态频谱：在分析结果列表中，找到并双击相应的模态频谱结果。这将打开

一个新窗口，显示模态频率响应的详细信息，包括频率、振型和阻尼比等参数。

4.分析随机振动响应：如果您需要查看随机振动响应结果，请执行类似的操作。在

结果列表中选择相应的随机振动响应数据，并双击以查看详细信息。

5.探索地震响应数据:对于地震响应分析，您可以在结果列表中找到地震响应数据。

双击相应的数据集，以图形方式展示地震动时程记录或反应谱。

3.3.2频率响应曲线绘制

在Nastran进行频率响应分析后，获取的频率响应数据是绘制频率响应曲线的基础。

频率响应曲线主要展示结阂或系统在不同频率下的响应特性，如位移、速度、加速度、

应力等。以下为绘制频率响应曲线的具体步骤：

1.数据准备：首先，确保频率响应分析已经完成，并且成功获得了频率响应数据。

这些数据通常包括不同频率卜.的响应值和对应的频率点。

2.选择分析结果：在Nastran后处理模块中，选择需要进行频率响应曲线绘制的分

析结果。这通常涉及到选择特定的响应量（如位移、速度等）。

3.设置绘图参数：

•X轴：将X轴设置为频率轴，确保频率值按顺序排列。

•Y轴：根据所选的响应量，设置Y轴的范闱和刻度°例如，如果分析的是位移响

应，Y轴可能表示位移的幅值。

•曲线类型：选择曲线的类型，如线形、折线、平滑曲线等。

•标签和标题：为图表添加合适的标题和轴标签，以便于理解和分析。

4.绘制曲线：根据设置好的参数，Nastran将自动绘制频率响应曲线。用户可以调

整曲线的颜色、线型等，以提高图表的可读性。

5.分析曲线：绘制完成后，仔细分析曲线的形状和特征。曲线的峰值和谷值可能对

应于共振频率，曲线的趋势则反映了结构或系统的动态特性。

6.优化和细化：根据分析结果，可能需要对曲线进行进一步的优化和细化，如调整

曲线的平滑度、添加注释等。

通过以上步骤，可以有效地在Nastran中绘制频率响应曲线，为结构设计和优化提

供重要的参考依据。

4.Nastran频率响应分析实例

假设我们有一个质量-弹簧-阻尼系统的模型，其参数如下:

•质量m=1kg

•弹簧刚度k=50N/m

•阻尼系数c=20Ns/m

•初始位移x0=0n

•初始速度vO=0n/s

我们将使用以下命令来定义模型:

idefinesystemmass(mass,m)

idefinesystemstiffnessfstiffness^k)

idefinesystemdamping(damping,c)

■definesysteminitial_velocity(initial_velocity,vO)

■definesysteminitial_displacement(initial_displacementzxO)

idefinesystemfrequencyresponse(frequency_response,f)

接下来，我们需要为模型设置边界条件。在这个例子中，我们将使用固定边界条件,

这意味着所有节点的速度和位移都将为零。

!setboundaryconditions(boundary_conditions,fixed)

现在我们可以运行频率响应分析，并查看结果。例如，我们可以使用以下命令来运

行分析:

■runfrequency_response(frequency_response,f)

这将返回一个包含频率响应数据的列表，其中包含了不同频率下的位移、速度和加

速度等数据。通过观察这些数据，我们可以了解系统在不同频率下的行为。

4.1简单梁的频率响应分析

在Nastran中进行频率响应分析时，结构中的各种组件如梁、板、壳等都需要考虑

其特定的动态特性。其中，简单梁的频率响应分析是基础和常见的一类分析。本部分将

介绍如何使用Nastran对简单梁进行频率响应分析。

1.模型建立：首先，需要建立包含简单梁的有限元模型。这涉及定义梁的尺寸、材

料属性、连接方式等。Nastran提供了丰富的库和工具来支持这一过程。

2.载荷和动界条件定义：在模型中定义外部载荷和约束条件，由胆条件将影响梁的

频率响应。例如，可能需要考虑重力、风载或其他动态载荷，以及固定支撑或弹

性支撑等。

3.频率响应分析设置：使用Nastran的频率响应分析功能，通常涉及到设定分析类

型（例如模态分析或谐波分析）、频率范围以及求解器的选择等。这些设置应根

据具体的应用场景和工程需求来确定。

4.2复杂结构的频率响应分析

在进行复杂的结构频率响应分析时，通常会遇到多个自由度、复杂边界条件和非线

性材料特性等挑战。这些因素使得分析过程更加复杂且计兑量显著增加，为了应对这些

复杂情况，可以采用多种方法和技术来简化和优化分析流程。

首先，使用适当的模型简化技术是关键。这包括但不限于子结构法、有限元离散化

等，通过合理地忽略次要效应或将大系统分解为更小的、易于处理的部分，以减少求解

的复杂度和提高效率。此外，对于复杂的边界条件，可以通过引入虚拟约束或者使用耦

合分析的方法来处理。

其次，针对非线性问题，需要采用迭代算法来进行数值求解。例如，在考虑材料非

线性时，可以使用牛顿-拉夫森方法或其他非线性方程求解器；而在考虑儿何非线性时,

则需考虑大型刚体运动和位移-应变关系的非线性影响。此外，对于动态非线性问题，

还需要特别注意初始条件的选择以及系统的稳定性分析。

再者，高效的并行计算技术和高性能计算(HPC)平台的应用也是提升频率响应分

析性能的重要手段。通过将计算任务分配到多台计算机上并行执行，可以极大地缩短求

解时间。同时，利用GPU加速技术也能显著加快计算速度，尤其是在进行大规模并行计

算时更为有效。

5.Nastran频率响应分析高级技巧

(1)网格划分与细化

•自动网格划分：利用Nastran的自动网格划分功能，根据问题的特点自动生成合

适的网格密度，以提高计算精度。

•手动网格调整：在自动划分的基础上，根据需要手动调整网格的密度和分布，以

优化特定区域的计算精度。

(2)预处理与后处理

•预处理技术：采用预处理技术(如阻尼、预加载等)来改善模型的初始条件，从

而提高频率响应分析的准确性。

•后处理方法：利用Nastran提供的一系列后处理工具，如频谱分析、波埼图等，

对分析结果进行深入解读。

(3)参数优化

•敏感性分析：通过敏感性分析，了解不同参数对频率响应结果的影响程度，从而

有针对性地调整设计参数。

•多目标优化：在复杂问题中，可能需要对多个设计参数进行优化。Nastran支持

多目标优化算法，帮助您找到满足多个目标的最佳设计方案。

（4）模型降阶与等效

•模型降阶：在保证精度的前提下，将复杂模型简化为更易处理的子模型，以降低

计算难度。

•等效模型：通过等效模型技术，将非线性模型转换为线性模型，从而简化分析过

程并提高计算效率。

（5）并行计算与分布式处理

•并行计算:利用现代计算机硬件资源,通过并行计算技术加速频率响应分析过程。

•分布式处理：在多核处理器或集群环境中，将计算任务分配到多个计算节点上，

以实现更高效的分布式处理。

掌握这些高级技巧后，您将能够更加灵活地运用Nastran进行频率响应分析，解决

更复杂的问题并提高设计性能。

5.1参数化模型

1.模型简化：通过参数化模型，我们可以将实际结构简化为包含关键几何和物理特

性的简化模型。这有助于减少计算量和分析时间，同时仍能捕捉到结构的主要动

态行为。

2.几何参数化：几何参数化允许我们通过一组可变的几何参数来描述结构。这些参

数可以是长、宽、高、厚度等，通过调整这些参数，可以快速生成多种结构配置,

以便进行不同条件下的频率响应分析。

3.材料属性参数化:材料属性也是影响结构动态响应的重要因素。在参数化模型中，

我们可以定义材料属性（如弹性模量、密度、泊松比等）作为参数，从而在分析

中方便地调整材料属性，研究其对频率响应的影响。

4.连接和约束参数化：在结构中，连接和约束条件对频率响应有着显著影响。参数

化模型允许我们定义连接类型（如较接、焊接等）和约束条件（如固定、自由等）,

并通过参数调整这些条件，以模拟不同结构配置下的频率响应。

5.模型验证：在实际应用中，参数化模型的准确怛需要通过实验或已有数据来验证。

通过对比分析结果与实际测量数据，我们可以不断优化模型参数，提高分析结果

的可靠性。

5.2谐波分析

在Nastran中，谐波分析用于确定结构在特定频率下的响应。这有助于评估结构的

动态特性，如振动、疲劳和共振等。

谐波分析的步骤如下：

1.定义输入激励：首先，您需要创建一个或多个输入激励，这些激励将用于模拟结

构在各种频率下的行为。这些激励可以是正弦波、方波或其他类型的波形。

2.选择模型类型：接下来，您需要选择一个适当的模型类型来描述您的结构。这可

能包括梁、壳、实体等。

3.设置材料属性：然后，您需要设置材料的弹性模量、泊松比和其他相关属性。这

将影响结构对输入激励的反应。

4.定义边界条件；最后，您需要定义结构的边界条件，例如固定、自由或滑动。这

将影响结构在输入激励下的响应。

5.运行分析：一旦所有设置都完成，您可以运行分析以获取结构在特定频率下的响

应。这将包括位移、应力和力等数据。

6.分析结果解释：分析结果将显示结构在特定频率下的响应。您可以使用这些结果

来评估结构的动态特性，如振动、疲劳和共振等。

7.优化设计：根据分析结果，您可以对结构设计进行优化，以提高其性能或降低其

风险。

通过执行上述步骤，您可以在Nastran中进行谐波分析，以评估结构的动态特性并

优化其设计。

5.3稳态分析

在Nastran频率响应分析中，稳态分析是一个重要的环节，它主要研究系统在不同

频率下的长期响应。这一分析通常用于评估结构在持续周期性载荷作用下的稳定性。稳

态分析在机械、航空航天和其他工程领域中共为关键，因为它能够预测结构在正常工作

条件下的振动特性和响应嗝度。

在Nastran中执行稳态分析时，会考虑结构的动态特性，如自然频率、模态形状和

阻尼比。通过模拟不同频率下的外部激励，可以分析结构在不同频率下的响应，包括振

幅、相位和频率响应函数等。这种分析能够揭示结构在特定频率范围内的敏感点，从而

帮助工程师在设计阶段优叱结构以降低潜在振动和噪声问题。

稳态分析的具体步骤包括：

1.定义分析类型和边界条件：根据工程需求设定分析类型（如模态分析、谐波分析

等），并定义结构的边界条件和约束。

2.应用外部激励；根据实际需求，将外部激励（如周期性载荷、正弦激励等）应用

到结构上。

3.运行模拟：使用Nastran求解器运行模拟，计算结构在不同频率下的响应。

4.结果后处理：分析模拟结果，包括振幅谱、相位谱和频率响应函数等，评估结构

的性能并识别潜在问题。

5.结构优化：基于分析结果，对结构进行优化设计，以提高其在特定频率下的稳定

性和性能。

通过稳态分析，工程师可以深入了解结构的动态响应特性，从而在设计阶段预防潜

在问题，提高结构的性能和可靠性。

6.频率响应分析结果分析

1.频率响应曲线的解读：首先，查看频率响应曲线（通常为振型和固有频率随频率

变化的关系图）。识别哪些振型在特定频率下表现出显著的响应，这有助于确定

结构中哪些部分可能在某些频率下最为敏感。

2.共振现象的检测：寻找共振峰，即在特定频率下的响应极大值。这些共振峰指示

了系统在该频率附近容易发生过度振动，这是需要特别关注的区域，因为它可能

导致结构损坏或其他不良后果。

3.响应幅度与频率的关系：分析不同频率下的响应幅度。如果响应幅度过大，则可

能需要采取减振措施以防止损害。此外，还可以考虑优化设计来减少这些响应幅

度。

4.非线性效应的识别：在某些情况下，即使频率响应分析是线性的，也可能存在非

线性效应。识别这些非线性效应并评估它们对结构响应的影响非常重要，非线性

效应可能包括材料的弹塑性行为、摩擦力的变化等。

5.与其他分析方法的比较:将频率响应分析的结果与其他类型的分析（如静力分析、

模态分析）的结果进行比较，以确认分析的一致性和有效性。这有助于确保没有

遗漏任何重要的结阂特性。

6.建议的改进措施：基于分析结果，提出改善结构性能的建议。这可能包括调整材

料属性、改变结构形状、增加阻尼器等。

通过上述步骤，可以全面地理解和评估频率响应分析的结果，并据此做出有效的改

进措施，从而提高结构的安全性和可靠性。

6.1频率响应曲线分析

频率响应曲线是结构动力分析中一种重要的分析方法，它用于描述结构在特定频率

的激励下产生的相应位移或内力的变化规律。在Nasiran中，频率响应分析是通过迭代

求解器来实现的，它可以考虑结构的几何形状、材料属性、边界条件以及外部激励等多

种因素。

曲线绘制方法：

在进行频率响应分析时，首先需要确定结构的模态参数，包括频率、振型和阻尼比

等。然后，利用这些参数绘制出结构的频率响应曲线。通常，频率响应曲线是以频率为

横坐标，以结构相应位移（或内力）的平方根为纵坐标的曲线。

在Nastran中，可以通过设置分析选项来控制曲线的显示方式和细节程度。例如，

可以选择在不同的频率范闱内显示曲线，或者对曲线进行缩放和平滑处理，以便更清晰

地观察结构在不同频率激励下的响应特性。

应用：

频率响应曲线在结构分析中具有广泛的应用，首先，它可以用于评估结构在地震、

风振等随机激励下的动力稳定性。通过观察曲线的峰值和波动情况，可以判断垢构是否

存在局部或整体的失稳现象。

其次，频率响应曲线还可以用于优化结构的设计。例如，在结构优化过程中，可以

通过调整结构的几何形状、材料属性或连接方式等，来改善结构的频率响应特性，从而

提高结构的整体性能和耐久性。

此外，频率响应曲线还可以用于结构故障诊断。当结构在实际使用过程中出现故障

时，通过对比正常状态和故障状态的频率响应曲线，可以初步判断故障的原因和位置。

频率响应曲线是结构动力分析中一种非常重要的工具，它可以帮助工程师更好地理

解结构在特定频率激励下的响应特性，为结构的设计、优化和故障诊断提供有力的支持。

6.2频率响应分析结果解释

1.自振频率分析•：首先，需要检查结构系统的自振频率，这代表了结构在自由振动

状态下的自然振动频率。通过比较设计频率和自振频率，可以评估结构在预期工

作频率范围内的稳定性。自振频率的分析结果应确保没有共振点落在设计的工作

频率范围内。

2.振型分析：振型反映了结构在特定频率下的振动模式。通过观察振型图，可以了

解结构在振动时的变形情况。振型分析有助于识别结构可能出现的薄弱环节，如

梁的弯曲、板的振动等，从而为结构优化提供依据。

3.频率响应函数（FRF）分析：FRF描述了系统在特定频率下的响应特性。通过分

析FRF,可以评估结构在不同频率下的刚度和阻尼特性。具体而言，FRF可以帮

助确定以下内容：

•结构在不同频率下的固有响应幅度；

•结构的阻尼特性，包括临界阻尼比和阻尼比；

•结构的动态放大系数，即结构在受到激励时的响应放大程度。

4.频响曲线分析；频响曲线展示了结构在不同频率下的响应变化趋势。通过分析频

响曲线，可以识别出以下关键信息：

•结构的共振频率和共振峰值；

•结构的阻尼特性变叱；

•结构在不同频率下的刚度变化。

5.模态分析：模态分析是频率响应分析的基础，通过模态分析可以确定结构的模态

参数，如频率、振型和阻尼比。模态参数对于预测结构的动态响应和优化设计至

关重要。

6.实际应用验证：将分析结果与实际测量数据进行对比，验证分析模型的准确性和

可靠性。实际应用险证可以通过现场测试、实验数据对比等方式进行。

通过上述分析，可以全面了解结构的动态特性，为结构设计、优化和故障诊断提供

科学依据。在解释频率响应分析结果时，应注意以下几点：

•分析结果的合理性和准确性；

•结构在特定频率下的动态性能；

•结构可能存在的共振风险；

•结构设计优化的可能性。

Nastran频率响应分析（2）

1.Nastran频率响应分析概述

Nastran是一款广泛应用于结构工程领域的有限元分析软件，它能够模拟各种复杂

的物理和力学行为，包括材料的非线性特性、儿何非线性以及流体动力学效应。在材料

科学、航空航天、汽车工程、生物医学等领域，Nastran被广泛用来进行结构强度、振

动、疲劳、热分析和流体-结构相互作用等分析。

频率响应分析是Nastran中的一项核心功能，它允许用户输入一系列的频率值（即

简谐运动），并观察这些频率下结构的动态响应。这种分析对于理解结构在不同激励频

率下的振动特性至关重要，特别是在评估结构的耐久性和安全性时。通过频率响应分析,

工程师可以确定结构的关键共振频率，从而避免在设计阶段产生不期望的共振现象。此

外，这项分析还有助于识别可能引起结构疲劳或损伤的频率范围，为优化设计和延长结

构寿命提供依据。

频率响应分析是Nastran中一项关键的分析工具，它使得用户可以深入理解结构的

动态行为，为工程设计和性能优化提供重要信息。

2.Nastran频率响应分析准备

1.理解分析需求：首先，需要明确分析的目的和目标。这可能是为了优化结构设计,

预测结构的振动特性，或者评估结构在不同频率下的响应。理解这些需求有助于

确定分析的参数和边界条件。

2.模型准备：建立一个准确的有限元模型是频率响应分析的基础。这包括定义结构

材料属性、几何形状、连接细节等。确保模型能够真实反映实际结构的动态特性。

3.设定分析参数：根据分析需求，设定合适的频率范围和分析步长。此外，考虑包

括重力、风载等外部载荷对结构的影响。确保设定的参数能够准确反映实际情况。

4.选择适当的求解器：Nastran提供了多种求解器选项，如模态求解器、瞬态动力

学求解器等。根据分析需求选择合适的求解器进行频率响应分析。

5.边界条件设置：根据实际需要设定合适的边界条件，如固定约束、弹簧支撑等。

这些条件会影响结陶的动态特性，进而影响分析结果。

2.1前处理

在开始频率响应分析之前，首先需要对模型进行前处理，包括几何建模、材料属性

定义、边界条件设定和网格划分等步骤。这些步骤对于保证分析结果的准确性至关重要。

(1)几何建模

几何建模是创建物理对象的过程，这一步骤包括创建或导入实体模型。对于复杂形

状，可能需要使用曲面建模技术来定义壳体结构或薄壁结构。模型应当尽可能地接近真

实情况，以确保后续分析结果的有效性。

（2）材料属性定义

材料属性定义是为模型中的每个材料单元指定其力学参数的过程。这些参数通常包

括弹性模量（E）、泊松比（v）以及密度（p）。对于不同的材料，可能需要定义不同

的属性值。在进行频率响应分析时，材料属性的准确定义对于预测结构的振动特性非常

重要。

（3）边界条件设定

边界条件设定指明了模型的自由度是否可以移动或者旋转，对于频率响应分析而言,

最常见的是将所有自由度固定在某一点（即固定边界），以模拟实际应用中结构与支撑

之间的接触情况。此外，还需要考虑施加适当的激励载荷，例如集中力、分布力或旋转

力矩等，以模拟外部作用。

（4）网格划分

网格划分是指将连续的几何体分解成多个离散的小单元的过程。对于不同类型的结

构，采用的网格类型也有所不同。例如，对于刚性结构，可能只需要非常粗略的网格；

而对于具有复杂几何形状的柔性结构，则需要精细的网格以捕捉细节特征。网格的大小

和形状直接影响到分析结果的精度，通常，需要通过试验来确定最佳的网格设置。

完成上述前处理步骤后，就可以准备进行Nastran频率响应分析了。

2.1.1模型建立

在进行Nastran频率响应分析时，模型建立是至关重要的一步。首先，需要明确分

析对象，这可能是一个结构物、机械系统或电子设备。接下来，定义分析对象的结构和

边界条件，确保这些条件能够准确反映实际工况。

在模型中，需要选择合适的单元类型来离散化结构，并为每个单元分配适当的材料

属性。对于复杂的结构，可能需要使用子模型或分区来简化分析。此外，还需耍定义加

载条件和边界条件，如载荷的大小、方向、分布以及固定约束等。

为了提高计算精度和效率，可以利用Nastran的自动形状函数和网格划分功能。通

过调整网格大小和形状，可以优化模型的精度和计算时间。同时，利用Nastra「的后处

理功能，可以对模型进行详细的频谱分析和结果可视化，从而更直观地了解结构在频率

响应下的性能表现。

在模型建立过程中，需要不断验证和分析结果的合理性，以确保模型能够准确反映

实际工况并满足分析要求。

2.1.2材料属性定义

1.弹性模量（E）：弹性模量是材料抵抗拉伸或压缩变形的能力的度量。在Nastran

中，弹性模量通常以Pa（帕斯卡）或MPa（兆帕）为单位。用户需要在材料属性

卡片（MaterialPropertyCard,简称MPC）中指定弹性模量的值。

2.泊松比（v）：泊松比是材料在受到压缩时横向应变与纵向应变的比值。它描述

了材料在受力时的膨胀或收缩特性，在Nastran中，泊松比通常以小数形式表示，

需要在MPC中指定。

3.密度（P）：密度是单位体积的质量，通常以《g/n?或g/cn?为单位。在Nastran

中，密度用于计算结构的惯性质量，因此需要在MPC中正确设定。

具体操作步骤如下：

（1）进入Nastran软件，选择相应的分析类型，例如频率响应分析。

（2）在模型准备阶段，创建材料属性卡片（MPC）o在MPC中，为每种材料定义一

个唯一的材料编号，并输入相应的材料属性值。

（3）将创建的材料属性卡片与结构模型中的材料进行关联。在模型中，为每个节

点或单元指定对应的材料编号。

(4)在模型求解过程中，Nastran将根据材料属性计算结构在频率响应分析中的

动态响应特性。

需要注意的是，在实际工程应用中，材料的属性可能随温度、应力水平等因素发生

变化。在这种情况下，用户需要在Nastran中进行相应的材料属性调整，以获得准确的

频率响应分析结果。

2.1.3边界条件设置

1.自由振动：在开始频率响应分析之前，需要确保模型的自由振动频率(Free

VibrationFrequencies)与实际结构或系统的自然频率相匹配。如果自由振动

频率不在预定范围内，可能需要调整模型参数或重新定义自由度以匹配实际情况。

2.固定边界：在模型上施加固定边界，以确保模型在分析过程中保持静止。这通常

通过在模型的某个点上施加约束来实现，在施加固定边界时，应注意避免过度约

束，以免影响模型的真实行为。

3.支撑条件：根据分析的目的和所研究的结构特件，选择合适的支撑条件.常见的

支撑条件包括固定支撑、简支支撑和悬臂支撑等。每种支撑条件都有其特定的力

学行为，因此在设置边界条件时，应确保选择的支撑条件与实际结构相符。

4.加载条件：在边界条件下施加适当的载荷或激励，以模拟实际工况下的结构响应。

这些加载条件可以包括集中力、均布载荷、旋转力矩、温度变化等。在施加加我

条件时，应注意确保载荷的大小和方向符合实际情况，以避免产生过大的应力或

变形。

5.阻尼器和隔振器：在某些情况下，为了减小结构的振动幅度或提高结构的稳定性，

可以在模型上添加阻尼器或隔振器。这些元件可以吸收能量、减缓振动传播速度，

从而改善结构的性能。然而，在设置边界条件时，应注意不要过度增加阻尼或隔

震效果，以免影响模型的真实性能。

在设置边界条件时，应综合考虑实际结构的特性、分析目的以及所采用的数值方法

等因素。通过合理设置边界条件，可以提高Nastran频率响应分析的准确性和可靠性，

为工程设计和优化提供有力的支持。

2.2后处理

后处理在Nastran频率响应分析中起着关键作用，是提取并分析模拟结果的关键环

节。在模拟运行结束后，我们获得了频率响应分析的仿真结果数据，接下来我们需要对

结果进行处理和解释。这一阶段通常包括以下步骤和内容：

一、结果文件解析

Nastran模拟完成后，会生成一系列结果文件，包括载荷位移响应、模态分析数据

等。我们需要对这些文件进行详细解析，提取出所需的频率响应数据。这包括每个频率

下的位移响应、应力分布等关键信息。

二、数据可视化处理

为了更直观地理解频率响应分析结果，我们需要进行数据可视化处理。Nastran支

持将结果数据导入到后处理软件中，如HyperView等，进行图形化展示。通过这种方式,

我们可以清晰地看到结构在不同频率下的振动模式以及各个关键点的位移和应力变化。

这对于分析和优化结构性能至关重要。

三、结果分析

在获取并可视化频率响应数据后，我们需要对这些数据进行深入分析。这包括识别

结构的固有频率、模态形状以及各个频率下的应力分布和位移响应。通过对比预期目标

和实际结果，我们可以评估结构的性能是否满足设计要求。此外，我们还可以识别出结

构中的薄弱环节，为进一步优化提供依据。

2.2.1结果查看

在进行Nastran频率响应分析之后，结果的查看是至关重要的步骤，这将帮助工程

师们理解结构在不同频率下的动态行为。在Nastran中，可以通过多种方式查看频率响

应分析的结果，包括使用Nastran的用户界面和命令行工具。

在Nastran的用户界面中，可以打开“Result”窗口来查看频率响应分析的结果。

该窗口提供了频率响应数据的详细信息，包括各个频率点下的振型、固有频率以及模态

阻尼比等参数。此外,通过选择不同的选项卡,如“Amplitude"（振幅）或“Phase”

（相位），还可以进一步分析每个频率点下振型的幅值和相位变化情况。

在命令行环境中，Nastran同样支持杳看频率响应分析的结果。使用特定的命令，

例如RESULT命令配合适当的输入参数，可以获取和打印出详细的频率响应数据。这些

命令通常需要结合Nastran的配置文件和相应的输入文件来运行，以确保准确地提取所

需的信息。

无论是通过Nastran的用户界面还是命令行工具，都需要根据具体的分析需求和配

置文件中的设置来定制查看结果的方式。对于复杂的模型或高精度的要求，可能还需要

进一步的数据处理和可视叱工具来更好地理解和解释分析结果。

2.2.2数据提取

在Nastran中，数据提取是通过输入文件中的特定指令来完成的。首先，需要准备

一个包含结构化数据的输入文件，该文件通常采用XML或CSV格式。输入文件中的数据

应按照Nastran的要求进行格式化，以便软件能够正确解析。

接下来，在Nastran的命令行界面中，使用SET命令指定输入文件的路