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MSC Nastran:业界领先的多学科FEA解决方案
MSC Nastran: NASA Structural Analysis System

Nastran是美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA)为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。该系统称为NASA Structural Analysis System,即Nastran。
通过提供极限的并行设计仿真能力,MSC Nastran使企业能够:
  • 产品更快速投放市场——快速透彻了解整个设计性能,能够使设计环节速度更快和使整个方案时间缩短50%以上。
  • 更低的制造成本——在设计过程中更早地了解设计产品的性能,从而能够在设计获批准之前发现和修改缺陷。同时,能够更早地确定可加工性、优化制造环节时间、减少材料余量和防止不必要设备的投资。
  • 提高分析效率——对共同分析数据模型的支持,避免了在不同学科仿真之间手工传递信息和数据。
  • 改善产品质量和降低维护成本——通过对多学科之间复杂交互作用的准确描述,MSC Nastran仿真结果更准确地反映了真实结果,消除了使用过程中意想不到的操作错误。
MSC Nastran多学科技术在仿真时支持多种学科之间的交互作用和耦合效应,无论是线性、非线性、运动学,还是显式动力学,MSC Nastran都能够让多种学科一起工作,从而准确地、适时地在多学科之间提供正确的工程和力学反馈。
多学科技术特点
2.多学科仿真
1.公共的数据模型,共同的框架
目前用于工程分析的CAE软件很多,无论是结构,流体,噪声,电磁,还是多体动力学和控制方面,都有相应的分析软件,由于各自平台的差异,需要分散建立各学科的CAE模型。相比将多个独立的仿真工具捆绑在一起分析的方法,多学科技术可以减少50%的仿真时间,这主要是因为用户现在可以工作在一个公共的数据模型上来完成各类仿真。由于基于系统级的公共模型同时对多个学科的物理过程进行了表述,因此多学科技术允许所有的设计人员从通用的模型中调用数据。但这并不意味着所有学科都用完全一样的模型,而是意味着能够从一个模型中提取出所需的载荷和约束来完成各类仿真。多学科技术根据相互耦合的学科类型来决定分析是同时的、集成的、交叉的还是松散的耦合。而且多学科技术还可以扩展功能,使用统一的用户子程序,更加开放,更适合二次开发。
对于单个学科专家仍然要通过许多离散的分析步骤来手工模拟仿真学科之间的复杂交互作用。这样必然会带来信息传输的丢失、降低模拟的精度。工程师有时还手工传递计算信息,或者将运动的信息作为静态的信息来施加到系统中,这个过程可重复性差,人为错误也难以避免。多学科仿真是通过链式分析方法模拟多种物理场之间的相互作用。无论是线性、非线性、运动、CFD,还是显式非线性动力学,多学科仿真允许多学科在求解器内核上的集成仿真,而不是仅仅简单地相互之间进行连接。它已完全超越传统的多物理场系统,将多种学科进行深层次的链接/集成。
3.高性能计算
4.实现真正的多学科优化
10年前,我们还在为CAE分析模型规模的限制找各种简化的方法,而现在,进行上千万自由度有限元模型的线性、振动、噪声、非线性分析已经是很平常的事情。 Nastran第一个真正将软件移植到IPL-64系统,消除了以往仿真工具对物理内存利用能力的限制,可以充分利用硬件平台的物理内存,大幅度提高计算效率。Nastran运行性能针对64位的超级计算机平台进行了专门优化,复杂的、超大的模型仍可以通过多个64位处理器并行计算而得以仿真。Nastran进行的算法优化以充分利用并行和64位计算结构的革新,可以快速地得到极其复杂工程问题的准确结果。优化了在64位超级计算环境中的运行性能后,Nastran既可以做简单的线性静力分析,也能够做数百万自由度的极其复杂的瞬态非线性分析。例如,有2400万个自由度的发动机模型,在小型机上运算,采用新加的迭代求解器,不到50分钟即可求解一个线性静力载荷工况。
Nastran的优化功能具有尺寸、形状、拓扑、形貌等优化能力以及组合优化能力,可以提高整个设计效率并预测产品全生命周期内的性能。Nastran独特的优化序列能够综合考虑各种工况,例如静力、屈曲、动力学、NVH、内外噪声等,进行鲁棒性优化设计。
  • 有效的优化技术——尺寸,形状,拓扑,形貌和拓扑优化。
  • 在优化中可以定义粘接接触。
  • 可以集成自己的优化算法。
  • 非线性优化。
  • 随机仿真功能。
  • 设计响应跨越多学科,同时访问尺寸、形状和拓扑优化的高级系统优化。
Nastran的功能
2.高级非线性功能

1.预测产品寿命、优化设计
如果产品召回和保修涉及到巨额成本,则疲劳分析将成为产品开发的重要组成部分。为使工程师们能够在产品开发的初期更深入地了解与疲劳有关的行为,企业不断投入重金。
为更好地预测产品行为,工程师们通过采用非线性分析突破了线性领域的限制。非线性分析比线性分析更加错综复杂,其他有限元分析解算器一般不提供此类功能。Nastran所包含的非线性功能使工程师能够:
以某种汽车轮架为例,常用的疲劳方法需要 8 小时 11 分钟,而使用Nastran嵌入式疲劳功能,这一过程只需 38 分钟,相当于速度提高了 12 倍。
  • 同一个有限元(FE)模型用于非线性分析来扩展线性有限元模型的价值。
  • 通过研究接触部件的行为以及载荷传递来进行系统级分析。
  • 避免装配体中相邻部件之间的干涉。
  • 对由大量部件组成的系统使用简单的接触体定义。
  • 多学科链式分析用于多个事件的仿真。
  • 仿真具有高度动态性的事件。
  • 使用FSI技术研究结构与周围流体之间的相互作用。
  • 热与结构之间相互影响的耦合分析。
  • 表征大量非线性材料的特性。
  • 通过对复合材料结构进行渐进失效分析,突破高级复合材料首层失效分析的局限性。
此外,Nastran的优化技术可充分发挥产品性能,能在满足疲劳寿命目标的前提下最大限度地减轻产品重量。在某个案例中,优化后的设计变使质量减轻13%,寿命从105个循环提高到108个循环。
如果产品召回和保修涉及到巨额成本,则疲劳分析将成为产品开发的重要组成部分。为使工程师们能够在产品开发的初期更深入地了解与疲劳有关的行为,企业不断投入重金。
Nastran嵌入式疲劳功能包括:
  • 应力—寿命。
  • 应变—寿命。
  • 安全因子(FOS)分析(S-N与E-N均可)。
  • 采用临界面法处理多轴响应。
  • 并行处理(可高达100个线程)。
  • 实用工具。
  • 可在提交的单个任务中执行多个疲劳分析。
4.卓有成效地研究结构设计的动态响应

3.开发高性能复合材料
Nastran提供了大量功能,可深入了解复合材料结构的复杂行为,有助于不断减轻结构设计的重量。借助Nastran,工程师们能够:
在对大型振动系统进行建模和分析时,Nastran是市面上最出色、最高效的解决方案。它的核心功能使工程师们能够:
  • 有多种特征值提取方法可供选择,可高效地确定无阻尼与有阻尼结构的正则模态。
  • 可检查基于频率和瞬变的载荷所产生的结构响应。
  • 借助传输路径分析(TPA)监测载荷路径和通过结构的能量流动。
  • 针对具有转动部件动力学特征的结构,可了解不平衡系统、确定系统稳定性、检测即将出现的产品失效、计算安全工作范围。
  • 通过利用外部超级元技术可方便地共享设计模型并保留专用信息。
  • 使用多个功能进行内部和外部声学分析,例如参与因子分析、整饰材料分析、单元灵敏度、弱耦合声学等。
  • 为初步设计和详细设计进行静态和动态领域的仿真分析。
  • 采用一组专门针对高级复合材料的高效有限单元进行高保真建模。
  • 通过使用Nastran的脱层分析功能来预测复合材料结构内的损伤轨迹,从而减少子部件试验。
  • 通过对复合材料结构进行渐进失效分析,突破高级复合材料首层失效分析的局限性,改进复合材料结构的损伤——容限特性。
  • 采用内置的优化工具来减轻重量、改善结构性能,该工具使您能够进行跨越多个设计优化的同时,进行跨越多个学科的优化。
  • 研究承受快速加载的复合材料设计的复杂行为。
5.针对高性能计算而设计
6.出色地优化产品性能


开发性能卓越的产品是每一个工程师所秉持的共同目标,但实现这一目标绝非易事,必须要考虑到多个设计变量、约束及目标。MSC Nastran提供了大量的优化功能,可主动搜索设计空间内的最佳设计,有助于实现这一目标。使用MSC Nastran可以:
MSC Nastran迅速跟进并充分利用了最新的高性能计算优势和硬件。借助MSC Nastran您可以:
  • 在采用自动部件模态综合法进行大模型的分析和 NVH 研究时可快速得到结果。
  • 通过将GPU硬件作为高性能计算资源的一部分来加快仿真。。
  • 充分利用最新的并行技术,可用于从小型到大型的集群多处理器系统。
  • 采用自动超单元技术高效地分析关键结构部段。
  • 通过多模型优化功能同时优化多个设计、横跨多个分析领域。
  • 使用Nastran的形状及拓扑优化功能可确定临界载荷的有效材料分布,且无需在强度和刚度上作出让步。
  • 通过拓扑优化提升加筋平板的性能。
  • 采用Nastran的形貌/尺寸优化功能找出薄壁结构设计的最佳厚度分布。
  • 通过组合使用Nastran的各种优化功能,可有效地减轻复合材料结构的重量。
7.多学科仿真
8.多物理场仿真

结构必须满足单一学科设计标准的情况较为罕见。为获得有效的设计,通常需要考虑多种因素、多个学科。多学科分析既可以是简单的应用,如线性静态分析、频率响应研究;也可以是复杂的应用,如考虑来自多体动力学分析中的负载,用于汽车安全性的研究。多学科分析还可以分步完成:先对预应力结构进行隐式非线性分析,然后采用显式分析进行冲击研究,最后还可以接着进行残余应力的隐式分析。
产品开发团队需要对设计所经受的各种情况进行验证、优化,例如热或流体加载。借助多物理场仿真可了解热载过程或热状态对结构行为的影响、车辆内饰对车内声学的影响,或者流体引发的应力或变形对系统行为的影响。
Nastran支持链式耦合或非耦合分析方法,为在设计中纳入多种物理现象的影响提供了灵活性。Nastran的可扩展性还能使您在不牺牲精度的前提下对整个结构进行研究。多物理场典型的例子有:
  • 制动尖叫分析。
  • 流体灌装。
  • 湿路打滑。
  • 制动生热。
  • 成型过程的塑性生热。
分析工程师通常需要采用多种不兼容工具进行分析,以便解决设计中各个方面的问题。MSC Nastran在同一个环境中提供了针对所有这些学科的分析功能并将其紧密集成,使工程师们能够精确地表征结构的行为。

“MSC 集成的线性和非线性计算解决方案可方便地重复使用模型,节省了大量的前处理时间,使我们在与其他部门或外部供应商协作时实现了车身模型数据交换格式的标准化。”——Sylvain Calmels,标致雪铁龙集团经理