Nastran动力分析1章
NASTRAN_动力分析指南
NASTRAN_动⼒分析指南第⼀章动⼒学分析⽅法及NX NASTRAN基本使⽤介绍1.1 有限元分析⽅法介绍计算机软硬件技术的迅猛发展，给⼯程分析、科学研究以⾄⼈类社会带来急剧的⾰命性变化，数值模拟即为这⼀技术⾰命在⼯程分析、设计和科学研究中的具体表现。
数值模拟技术通过汲取当今计算数学、⼒学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同⾏业的需求，不断扩充、更新和完善。
近三⼗年来，计算机计算能⼒的飞速提⾼和数值计算技术的长⾜进步，诞⽣了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为⼀门专门的学科－计算机辅助⼯程CAE（Computer Aided Engineering）。
这些商品化的CAE软件具有越来越⼈性化的操作界⾯和易⽤性，使得这⼀⼯具的使⽤者由学校或研究所的专业⼈员逐步扩展到企业的产品设计⼈员或分析⼈员，CAE在各个⼯业领域的应⽤也得到不断普及并逐步向纵深发展，CAE⼯程仿真在⼯业设计中的作⽤变得⽇益重要。
许多⾏业中已经将CAE分析⽅法和计算要求设置在产品研发流程中，作为产品上市前必不可少的环节。
CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显⽰出明显的优越性：●CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期；●虚拟样机的引⼊减少了实物样机的试验次数；●⼤幅度地降低产品研发成本；●在精确的分析结果指导下制造出⾼质量的产品；●能够快速的对设计变更作出反应；●能充分的和CAD模型相结合并对不同类型的问题进⾏分析；●能够精确的预测出产品的性能；●增加产品和⼯程的可靠性；●采⽤优化设计，降低材料的消耗或成本；●在产品制造或⼯程施⼯前预先发现潜在的问题；●模拟各种试验⽅案，减少试验时间和经费；●进⾏机械事故分析，查找事故原因；●等等当前流⾏的商业化CAE软件有很多种，国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投⼊⼤量的⼈⼒和物⼒开发具有强⼤功能的有限元分析程序。
其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。
NASTRAN动态分析
瞬态响应分析的目的是计算结构在受到随时间变化的载荷的响应，载荷定义在时间域 上，即作用在结构上的力在每一时刻上已知。
运动方程： 中心差分法来表达速度与位移
运动方程写成：
整理得：
瞬态分析的运动方程可以写成： 其中：
由此通过递推即可求出每一时刻的位移。
讨论： 1、当M=0,B=0时，方程退化为静力分析 2、在求解过程中，需要对矩阵A1求反，当M/B/K在整个分析过程中为常数，并且
在nastran中实现考虑预紧力的模态分析的方法：
频响分析是用来分析结构在稳定的振动激励下的响应。 在频响分析中外力的形式为 由上式可以看出外力被定义在频率域上，即频率确定后激励就可确定。比如求解 转动机器在各个转动频率下的动态响应——转速确定则激励力就确定了。
在不同的频率上，激励力在时间域上按照正弦变化。其稳态响应也在时间域按照与激 励力相同的频率振动。由于系统的阻尼影响，响应的峰值发生在激励力的峰值之后， 称这种效果为相位延迟（Phase Shift）。如下图所示：
对于单自由度系统，分四种情况： 1、无阻尼自由振动 2、有阻尼自由振动 3、无阻尼强迫振动 4、有阻尼强迫振动
位移解为： 圆频率： A、B由初始条件确定:
自然频率：
周期：
简谐振动
这是一个常微分方程，因阻尼的不同其解分三种情况：
1、当系统的阻尼等于临界阻尼bcr时，
解为：
可见此时系统做随时间的指数衰减运动，系统无振动。
当 ω≈ ωn时，动态放大系数无穷大，即产生共振
在这种情况下，由初始条件引起的振动很快就衰减为零。稳态相应解为：
θ为系统由于阻尼一起的相位延迟，即，相应的峰值在力的峰值之后出现。 有阻尼系统动态放大因子：H(ω)=
Nastran基础培训1_简介
Nastran基础培训1_简介第一章 Nastran 简介一概述1 功能齐全的大型有限元软件a. 大型：有上百万条源程序语句b. 功能齐全：进行静力、动力分析，敏度，分析与优化设计c. 实用面广：航空、航天、船舶、汽车、机械、建筑、桥梁、水力、化工、海洋、能源、橡胶等2 通用性强a. NASTRAN输入/输出格式被许多行业公认为一种标准b. 几乎所有 CAD/CAM 系统都提供了与 NASTRAN 的接口c. NASTRAN 的计算结果经常作为评估其它有限元分析软件精度的参照标准3 经过严格的检验，高度可靠性a. 每一版本发行都要经过 4 个级别，5,000 多个测试题目的考核b. 30 多年的开发与不断改进c. 3、50,000 多个用户的长期工程应用验证d. NASTRAN 已成为许多工业部门法定结构分析软件。
4 强大的用户开发程序－ DMAP关于 DMAP (Direct Matrix Abstraction Programming)a. 为用户提供由 DMAP 语言组成的固定分析流程b. 用户可以根据需要用 DMAP 语言修改与重组新的流程。
5 丰富的文献资料* NASTRAN 线性静力与模态分析指南( NASTRAN Linear Static and Normal Modes Analysis User’s Guide )* NASTRAN 基本动力分析指南( NASTRAN Basic Dynamic Analysis User’s Guide )* NASTRAN 数值方法指南( NASTRAN Nunerical Methods User’s Guide )* NASTRAN 设计敏度与优化指南( NASTRAN Design Sensitivity and Opotimization User’s Guide ) * NASTRAN 气弹分析指南( NASTRAN Aeroelastic Analysis User’s Guide )* NASTRAN 热分析指南( NASTRAN Thermal Analysis User’s Guide )* NASTRAN 超单元分析指南( NASTRAN Superelement Analysis User’s Guide )* NASTRAN DMAP和数据库应用指南(NASTRAN DMAP and Database Application User’s Guide) * NASTRAN 非线性分析指南( NASTRAN Nonlinear Analysis User’s Guide )6 主要缺点(1) Nastran 只是一个求解器，没有自己的前后处理。
MSCNASTRAN颤振分析模块使用说明
MSCNASTRAN颤振分析模块使⽤说明1.MSC/NASTRAN 颤振分析模块使⽤说明1.1.颤振分析模块颤振分析模块考虑结构⽓动弹性问题的动⼒稳定性。
它可以分析亚⾳速或超⾳速流，提供五种不同的⽓动⼒理论，包括⽤于亚⾳速的Doublet Lattice理论、Strip 理论以及⽤于超⾳速的Machbox理论、Piston理论、ZONA理论等。
对于稳定性分析，系统提供三种不同的⽅法：⼆种美国⽅法(K法，KE法)和⼀种英国⽅法(PK 法)，输出结果包括阻尼、频率和每个颤振模态的振型。
本说明仅以亚⾳速Doublet Lattice理论为例。
1.2.建模的⼀般流程其中结构有限元建模技术较为普及，不予说明。
升⼒⾯建模和颤振分析⽂件以填卡较为实⽤，⼤致包括：1)建⽴⽓动坐标系；2)设定影响体；3)选择颤振解法；4)给出飞⾏环境；5)给出马赫数和减缩频率系列；6)设定求解参数，如参与耦合的频率范围或模态数；7)选择适当的⽓动理论，定义升⼒⾯⼏何及分⽹信息。
⾄此完成升⼒⾯建模，下⼀步定义结构结点与升⼒⾯单元的耦合，即选择适当的样条将升⼒⾯结点同结构结点联系起来。
其中升⼒⾯结点是在定义升⼒⾯后由系统⾃动⽣成的，定义样条时直接引⽤升⼒⾯单元号；所以我们需要做的是将参与耦合的结构结点定义为⼀个集合，以便在样条定义中引⽤。
1.3.数据⽂件组织形式颤振分析模型数据⽂件遵循固定格式：设定求解时间、标题等；设置求解采⽤的特征值解法和颤振解法；输⼊模型数据即结构刚度和质量数据，还有升⼒⾯模型数据。
结构模型和升⼒⾯模型可以分别是独⽴的数据⽂件，只在颤振分析⽂件中将其包括进来。
下⾯以⼀个简单的例⼦(HA145B)来实现上述过程，并对颤振分析常⽤的卡⽚做简略介绍。
1.3.1.升⼒⾯模型⽂件$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$定义⽓动坐标系，其X轴正向为来流⽅向（即将被AERO卡⽚引⽤）。
Nastran基础教程01_概述
平的MSC.Patran的开发、发行和支持公司
● MSC.Patran是一个开放的用于主要的有限元分析(FEA)
软件,包括MSC.Nastran 和 MSC.Marc的前后处理程序
NAS120v, Section 1, April 2010 Copyright© 2010 MSC.Software Corporation
创建有限单元网格
NAS120v, Section 1, April 2010 Copyright© 2010 MSC.Software Corporation
S1 - 14
STEP 3 -创建分析模型(续.)
约束悬臂板的一条边
NAS120v, Section 1, April 2010 Copyright© 2010 MSC.Software Corporation
使用MD Nastran 分析图示的悬臂板结构并且用 手工计算验证分析结果
材料: Steel
● ●
E = 30 x 106 psi n = 0.3
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S1 - 9
NAS120v, Section 1, April 2010 Copyright© 2010 MSC.Software Corporation
S1 - 17
STEP 3 -创建分析模型(续.)
定义模型属性.
NAS120v, Section 1, April 2010 Copyright© 2010 MSC.Software Corporation
MD Nastran
具有广泛的支持文档 (包括在线百科全书)
P023-用MSC.Nastran进行流固耦合系统的动力学分析
用MSC.Nastran进行流固耦合系统的动力学分析王安平刘兵山中国科学院光电研究院北京 100190摘要：本文用Nastran2005对一个流固耦合系统进行了模态分析，结合一个密闭的薄壁结构模型，给出了分析的一般过程和需要注意的问题，也给出了该薄壁结构的模态频率、空腔系统的声学模态频率，以及耦合系统中，结构和空腔的声学模态频率和振型的变化。
关键词：Nastran，流固耦合，声学Modal Analysis Using MSC.Nastran for CoupledFluid-Structure SystemWANG Anping, LIU BingshanAcademy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100190 ChinaAbstract：The paper introduced the modal analysis method for the coupled fluid-structure (CFS) system using MSC.Nastran2005. Combinedthe model of a sealed laminated structure, analytical approach andwatchful items are presented. And making use of the MSC software, thestructure modal analysis and the cavity acoustic modal analysis of the CFSsystem are simulated.Keywords: Nastran, Coupled fluid-structure, Acoustics0 前言流固耦合法广泛应用于声学和噪声控制领域，如发动机的噪声控制。
对空腔结构(比如汽车车室、宇宙飞船船舱)进行流固耦合分析，可以知道耦合作用对系统模态的影响，可为研究耦合系统的声学特性提供可靠的理论和试验依据。
MSC Nastran操作与实战培训教程分解
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 l 运用DMAP修改MSC/NASTRAN固定流程 建立用户自己的有限元求解系列
8) 特殊分析功能
l l l 声响分析 流体与结构耦合分析 循环对称分析
l 层复合材料分析
5 MSC/NASTRAN的前后处理
1、 MSC公司提供的
(2) 静力载荷包括：
l l 板和体面上的压力载荷 l 重力载荷 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
Ka 0 u1 F1 K a F2 K a K a K b K b u 2 F 0 u K K b b 3 3
线性静力有限元分析步骤
结构离散 施加载荷
形成单元刚度矩阵
求解方程
MSC.Software公司
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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 Technology 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
3)热传导分析
l l l l 线性稳态热传导分析 非线性稳态热传导分析 瞬态热传导分析 非线性瞬态热传导分析
Nastran静力分析1-3章讲解
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
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.NASTRAN
1 NASTRAN与MSC/NASTRAN
NASTRAN 程序由来
1) NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis）是一个大
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 l l 声响分析 流体与结构耦合分析 循环对称分析
l 层复合材料分析
5 MSC/NASTRAN的前后处理
1、 MSC公司提供的
L u 3 u 2 0.01167 0.005 0.0006667 L L 10
1) (1) σ( 106 ×(-5) × 10-4 = - 5000 (磅 / 英寸) 2 el = Eε el = 10 ×
2) ( 2) σ( 106 ×(-6.667) × 10-4 = - 6667 (磅 / 英寸) 2 el = Eε el = 10 ×
(2) 静力载荷包括：
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2)动力分析
l l l l l l l l l l 正交模态分析（固有频率与振动模态） 直接复特征值分析 模态复特征值分析 直接频率响应分析 模态频率响应分析 直接瞬态响应分析 模态瞬态响应分析 响应谱分析 随机动力分析 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 l l l 线性稳态热传导分析 非线性稳态热传导分析 瞬态热传导分析 非线性瞬态热传导分析
必须限定符
ENDDATA
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
第二章
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
F1 EA 1 1 u1 F2 L 1 1 u 2
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：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
MSC/NASTRAN输出文件
MSC/NASTRAN输出文件包括
ROD.DBALL ROD.F04 ROD.F06 ROD.LOG ROD.MASTE 包含数据库运行的永久性数据 包含数据库文件信息和模块执行摘要 包含MSC/NASTRAN的分析结果 包含系统信息和系统错误信息 数据库运行总辞典
L u 3 u 2 0.01167 0.005 0.0006667 L L 10
1) (1) σ( 106 ×(-5) × 10-4 = - 5000 (磅 / 英寸) 2 el = Eε el = 10 ×
2) ( 2) σ( 106 ×(-6.667) × 10-4 = - 6667 (磅 / 英寸) 2 el = Eε el = 10 ×
动力学方程
临界阻尼
临界阻尼比
解：
a)
欠阻尼情况
其中，
为阻尼固有频率
临界阻尼情况（无振荡发生）
过阻尼情况
无振荡发生，系统逐渐回到平衡位置（至少不会扩散）
通常分析欠阻尼情况，结构的粘性阻尼一般在0~10%范围内
单自由度系统无阻尼简谐振动
动力学方程
其中， 为激励力频率 解的形式
稳态解部分
• MSC/NASTRAN开发历史
结点 3#
单元 ②
结点 2# L=10英寸 A=2.0英寸2 单元 ①
结点 1#
2、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
(el1)
(el2)
L u 2 u1 0.005 0.0 0.0005 L L 10
Ka 0 u1 F1 K a F2 K a K a K b K b u 2 F 0 u K K b b 3 3
线性静力有限元分析步骤
结构离散 施加载荷
形成单元刚度矩阵
求解方程
有MSC/PATRAN和MSC/ARIES
2、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，并进行后置处理。
MSC/NASTRAN的文档资料
四面体元 CTETRA
■
l
l l
约束元（无限刚硬，称为刚性元）
刚性杆：RROD
刚性梁：RBAR 刚性三角板：RTRPLT
l
l l
刚性体：RBE1，RBE2
均方加权约束元：RBE3 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……
单 位
基本单位
长度L (inch, m)， 质量M（slug,kg），时间T（second）
基本与推导单位
常用变量工程单位
注意
用一致的单位制 常见错误是质量与阻尼单位
Nastran不检验单位，用户应该小心
单自由度系统无阻尼自由振动
动力学方程
解：
其中，
初始条件
解的最后形式：
单自由度系统阻尼自由振动
第三章
NASTRAN有限元模型知识
离散化结构的描述
l
l l
有限元模型所需数据：
坐标系 模型几何
l
l l l
有限单元
载荷 边界条件 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)
（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”
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
MSC/NASTRAN输入文件ROD.DAT为
ID ROD EXAMPLE 执行控制段 SOL 101
TIME 5 限定符 CEND LOAD=8 情况控制段 DISP=ALL SPCF=ALL ECHO=BOTH 限定符 BEGIN BULK GRID,1, ,0.,0.,0., ,123456 GRID,2, ,0.,8.0,0., , FORCE,8,2, ,20.,0.,1.,0. 模型数据段 CROD,1,15,1,2 PROD,15,5,4.909E-2 MAT1,5,30.E6, ,0.3 ENDDATA
(2) 静力载荷包括：
l l 板和体面上的压力载荷 l 重力载荷 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
装配总体刚度矩阵
计算位移、应力等
施加约束边界条件
F = 10000 磅
例子：
面积 A = 1.5 英寸2 弹性模量 E = 10×106 磅/英寸2
L = 10 英寸YIN
面积 A = 2.0 英寸2 弹性模量 E = 10×106 磅/英寸2
L = 10 英寸
1、建立结构有限元模型
L=10英寸 A=1.5英寸2
l 1964年，MSC承担美国航空航天局（NASA） 主持 NASTRAN的开发 l 1971年，MSC推出专利版MSC/NASTRAN l 1973年，MSC定为NASTRAN(NASA)维护商 l 1989年, 发布经重大改进的 MSC/NASTRAN66 l 1991年，将CAD技术引入MSC/NASTRAN V67.5及相应产品Nastran for Window l 1994年，MSC公司发布了经重大改进的 MSC/NASRANV68版
l 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.FATIGUE、MSC.ADVANCED FEA等
标志着CAE 领域新阶段的开始
l l l l
1995年,MSC/NASTRAN V68.2版 1996年,MSC/NATRAN V69版 1997年, MSC/NASTRAN V70版 2001年,MSC/NASTRAN2001版
[K] =刚度矩阵
{F} =力向量(已知) {u} =由{F}引起的未知位移向量
F Ku
总体刚度矩阵
F1 K a K a u1 F2 K a K a u 2 F2 K b K b u 2 u F K K b 3 3 b
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 l l 线性静力超单元分析 屈曲超单元分析 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
1、 MSC/NASTRAN
2、用户指南 3、MSC/NASTRAN 快速参考手册
使用入门
（ Getting Started With MSC/NASTRAN User’s Guide ）
( MSC/NASTRAN Quick Reference Guide )
4、MSC/NASTRAN 参考手册