1、MSC.NASTRAN,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/NASTARN1983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
2、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,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）通用有限元分析系统 MSC/NASTRAN for Windows,8）商品化材料数据信息
3、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/WORK MODEL18) 控制仿真系统 MSC/EASY 5,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、
4、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 1 章 MSC.NASTRAN,1 NASTRAN与MSC/NASTRAN,NASTRAN 程序由来 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(C
5、ompnter 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,NASTRAN 专利,l COSMIC/NASTRAN:COSMIC维护的非专利版MSC/NASTRAN: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
6、公司专利版,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(NASA)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 Window1994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、 MS
7、C.PATRAN、 MSC.THERMAL、MSC.FEA、MSC.DYTRAN、MSC.FATIGUE、MSC.AFEA等1995年,MSC.NASTRAN V68.2版 1996年,MSC.NATRAN V69版1997年, MSC.NASTRAN V70版2001年,MSC.NASTRAN2001版2005年，MSC.NASTAN2005版2007年，MSC.MD Patran Nastran R22008年，MSC.MD Nastran R2.1,3 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
8、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,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），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
9、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
10、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,5 MSC/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。,第 2 章 有限元分析引言,有限元法在工程分析中
11、的作用,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,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,线性静力有限元分析步骤,例子：,1、建立结构有限元模型,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,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
12、括直角、柱面(r,z)与球面坐标系(r,),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）, 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：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
13、：CSHEAR, 六面体元（性质象块料或厚板材）, 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/NAST
14、RAN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：Nastran model1.dat,4、输入文件包括五个部分，三个限定符,NASTRAN 语
15、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求)（2） 管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
16、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”,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,MSC/NASTRAN输出文件,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,F06文件部分结果,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
17、制,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、实数和字符(也称文字型、或BCD),实数可用多种形式输入，如，“7”可采用如下形式输入,自由域、小域与大域格式,(1) MSC/NASTRAN 三种输入数据格式,(2) NASTRAN语句、文件管理段、执行控制段、情况控制段用自由格式(3) 模型数据段用三种格式中任何一种(4) NASTRAN 模型数据段每一个输入数据记录(卡)包含十个字域(5) 第一个字域填入该模型数据卡的特征名(如GRID,CBAR,MAT1,等等) 4） 第二字域至第九字域包含模型数据记录(卡)的数据输入信息 第十字域不填数据，为继续信息记录(卡)预备,典型NASTRAN模型数据记录格式，GRID记录(卡),自由域格式,自由域格式必须从第一列开始填数据；跳过字域，用逗号实现整数和字符字域不能超过八个字符由域数据不能包含嵌入的空格。,小域格式,第1字域和第10字域必须是左对齐第2字域至第9字域无需左或右对齐小域输入数据不能包含任何嵌入空格,大域格式,要求高数字精度，采用大域格式大域格式表示的每个记录只少有两行,继续卡,模型数据记录多于八个字域的数据，需要继续卡 如：简单梁性质卡PBAR：,输入(.DAT)文件,
