MSC-Nastran操作与实战培训教程剖析

MSCNastran操作与实战培训教程第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AriesTechnology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WorkModel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•主要产品：•1）大型通用有限元程序MSC/NASTRAN•2）非线性有限元分析程序MSC/MARC•3）三维非线性和瞬态动力学软件MSC/DYTRAN•4）通用有限元前后置处理系统MSC/PATRAN•5）结构疲劳寿命预测仿真系统MSC/FATIGUE•6）机构运动仿真软件MSC/ADAMS•7）通用有限元分析系统MSC/NASTRANforWindows•8）基于CAD技术的有限元前后处理器MSC/ARIES8）商品化材料数据信息系统MSC/MVISION9）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）机构运动仿真系统MSC/WORKMODEL18)控制仿真系统MSC/EASY5MSC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1章MSC.NASTRAN1NASTRAN与MSC/NASTRAN•NASTRAN程序由来1)NASTRAN(NAsaSTRucturalANalysis）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(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，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(CompnterSciences)、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•NASTRAN专利lCOSMIC/NASTRAN:COSMIC维护的非专利版lMSC/NASTRAN:MSC公司发展的专利版lUAI/NASTRAN:通用分析专利版本lSPERRY/NASTRAN:SPERRYUNIVAC公司专利版lMARC/NASTRAN：MARC分析与研究专利版lDTNSRDC/NASTRAN：DavidTaylor海军舰艇研究发展中心专利版lNKF/NASTRAN：NKF工程协会专利版lCOSMOS/NASTRAN:COSMOS公司专利版•2MSC/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/NASTRAN1973年，MSC指定为NASTRAN(NASA)维护商1989年,发布经重大改进的MSC/NASTRAN661991年，将CAD技术引入MSC/NASTRANV67.5及相应产品NastranforWindow1994年，MSC公司发布了经重大改进的MSC/NASRANV68版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/NASTRANV68.2版1996年,MSC/NATRANV69版1997年,MSC/NASTRANV70版2001年,MSC/NASTRAN2001版3MSC/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•4MSC/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），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。5)多级超单元分析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5MSC/NASTRAN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。6MSC/NASTRAN的文档资料1、MSC/NASTRAN使用入门（GettingStartedWithMSC/NASTRANUser’sGuide）2、用户指南3、MSC/NASTRAN快速参考手册(MSC/NASTRANQuickReferenceGuide)4、MSC/NASTRAN参考手册(MSC/NASTRANReferemceManual)第2章有限元分析引言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有限元法的过程线性静力分析的基本矩阵方程单元刚度矩阵21211111uuLEAFFuKF[K]=刚度矩阵{F}=力向量(已知){u}=由{F}引起的未知位移向量总体刚度矩阵uuKKKKFF21aaaa21uuKKKKFF32bbbb32uuuKK0KKKK0KKFFF321bbbbaaaa321线性静力有限元分析步骤结构离散形成单元刚度矩阵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F=10000磅L=10英寸YINL=10英寸面积A=1.5英寸2弹性模量E=10×106磅/英寸2面积A=2.0英寸2弹性模量E=10×106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②单元①2、形成单元刚度矩阵3、总装刚度矩阵4、施加边界条件5、施加作用载荷6、求解矩阵方程7、计算单元应力0005.0100.0005.0LuuLL12)1(el　0006667.010005.001167.0LuuLL23)2(el　24-6)1(el)1(el)/(5000-=10×)5-(×10×10=εE=σ英寸磅　24-6)2(el)2(el)/(6667-=10×)667.6-(×10×10=εE=σ英寸磅　第三章NASTRAN有限元模型知识离散化结构的描述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,θ,z)与球面坐标系(r,θ,φ)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)有限单元Nastran中，单元名前字母C是表“connection”■弹簧元（性质如简单拉伸或扭转弹簧）CELAS1～4■线单元（性质象杆、棒或梁）杆元：CROD，CONROD直梁元：CBAR，CBEAM曲梁元：CBEND■面单元（性质象膜或薄板）三结点三角形板元：CTRIA3六结点三角形板元：CTRIA6四结点四边形板元：CQUAD4八结点四边形板元：CQUAD8四结点剪力板元：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■约束元（无限刚硬，称为刚性元）l刚性杆：RRODl刚性梁：RBARl刚性三角板：RTRPLTl刚性体：RBE1，RBE2l均方加权约束元：RBE3l内插约束元：RSPLINE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材料性质NASTRAN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)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：Nastranmodel1.dat4、输入文件包括五个部分，三个限定符NASTRAN语句文件管理语句执行控制语句CEND情况控制指令BEGINBULK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