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1 概述
Nastran 是美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，簡稱 NASA，又稱美國宇航局）為適應(yīng)各種工程分析問題而開發(fā)的多用途有限元分析程序。這個系統(tǒng)稱為 NASA Structural Analysis System，命名為Nastran。
20世紀(jì)60年代初，美國宇航局為登月需要，決定使用有限元法開發(fā)大型結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，并能在當(dāng)時所有大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。MacNeal-Scherndler Corporation（即MSC公司）是開發(fā)小組主要成員。Nastran程序最早在1969年通過COSMIC（Computer Software Management and Information Center）對外發(fā)行，一般稱為COSMIC.Nastran。之后又有各種版本的Nastran程序發(fā)行，其中以MSC公司所開發(fā)的MSC.Nastran程序用戶較為廣泛。長期以來MSC.Nastran已成為標(biāo)準(zhǔn)版的Nastran，是全球應(yīng)用廣泛的分析程序之一。
2 軟件功能
基本功能
Nastran 的基本模塊支持各種材料模式的線性分析,包括：均質(zhì)各向同性材料、正交各向異性材料、各向異性材料和隨溫度變化的材料等。
? 具有慣性釋放的靜力分析：
考慮結(jié)構(gòu)的慣性作用，可計(jì)算無約束自由結(jié)構(gòu)在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)
? 線性靜力分析中，可以定義接觸和粘接，為裝配體的線性分析提供了方便且精確的方法。
? 線性屈曲：可以考慮固定的預(yù)載荷，也可使用慣性釋放。
? 正則模態(tài)分析
動力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是Nastran的主要強(qiáng)項(xiàng)之一，它具有其它有限元分析軟件所無法比擬的強(qiáng)大分析功能。Nastran動力學(xué)分析功能包括時間域的瞬態(tài)響應(yīng)和頻率域的頻率響應(yīng)分析，方法有直接積分法和模態(tài)法，同時考慮各種阻尼如結(jié)構(gòu)阻尼、材料阻尼和模態(tài)阻尼效應(yīng)的作用。Nastran 動力學(xué)響應(yīng)分析可以準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)的動力特性，大大提高虛擬產(chǎn)品開發(fā)的成熟度，改善物理樣機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)。主要包括以下分析類型
? 正則模態(tài)和復(fù)特征值分析
? 非線性模態(tài)（即預(yù)應(yīng)力模態(tài)）分析
? 頻率響應(yīng)分析
? 瞬態(tài)響應(yīng)分析
? 強(qiáng)迫運(yùn)動分析
? 隨機(jī)振動分析
? 沖擊譜和譜響應(yīng)分析
? 動力靈敏度和優(yōu)化分析
? 部件頻響應(yīng)函數(shù)分析 (FRF)
? 基于頻響應(yīng)函數(shù)的裝配分析
Nastran不但可以求解部件和裝配件的頻率響應(yīng)函數(shù)，而且具有頻響函數(shù)裝配功能，通過頻響函數(shù)裝配，可以由部件或子系統(tǒng)的頻響函數(shù)得到整個裝配件的頻率響應(yīng)函數(shù)，從而研究系統(tǒng)各部件之間的耦合關(guān)系，確定振動和噪聲的傳遞路徑，為減振降噪提供工程指導(dǎo)。
流-固耦合和聲場分析
流-固耦合分析主要用于解決流體(含氣體)與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。主要應(yīng)用在汽車NVH、列車車輛和飛機(jī)客艙等的內(nèi)噪音預(yù)測分析，以及考慮流體質(zhì)量影響的流體中結(jié)構(gòu)如艦船的模態(tài)特性分析等。Nastran 中擁有多種方法求解完全的流——固耦合分析問題,包括：
?? 流-固耦合法：流-固耦合法廣泛用于聲學(xué)和噪音控制領(lǐng)域中,如發(fā)動機(jī)噪聲控制、汽車車廂和飛機(jī)客艙內(nèi)的聲場分布控制和研究、NVH等。分析過程中,利用直接法和模態(tài)法進(jìn)行動力響應(yīng)分析。流體假設(shè)是無旋和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程，兩種特殊的單元被用來描述流——固耦合邊界。此外，Nastran新增加的聲吸收單元可以精確描述材料的頻變吸聲性能，方便地模擬汽車中的座椅，內(nèi)飾材料等。(噪)聲學(xué)載荷由節(jié)點(diǎn)的壓力來描述,既可以是常量,也可以是與頻率或時間相關(guān)的函數(shù),還可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數(shù)。對不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的噪聲影響結(jié)果可被分別輸出。對于頻率范圍較寬，模型規(guī)模較大的聲場分析可以方便地結(jié)合Nastran的ACMS方法，同時利用并行計(jì)算技術(shù)、超單元技術(shù)，大大提高計(jì)算效率和精度。
? 水彈性流體單元法：該方法通常用來求解具有結(jié)構(gòu)界面、可壓縮性及重力效應(yīng)的廣泛流體問題。水彈性流體單元法可用于標(biāo)準(zhǔn)的模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、復(fù)特征值分析和頻率響應(yīng)分析。當(dāng)流體作用于結(jié)構(gòu)時,要求必須指出耦合界面上的流體節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。自由度在結(jié)構(gòu)模型中是位移和轉(zhuǎn)角,而在流體模型中則是在軸對稱坐標(biāo)系中調(diào)和壓力函數(shù)的傅利葉系數(shù)。類似于結(jié)構(gòu)分析，流體模型產(chǎn)生"剛度"和"質(zhì)量"矩陣,但具有不同的物理意義。載荷、約束、節(jié)點(diǎn)排序或自由度凝聚不能直接用于流體節(jié)點(diǎn)上。
? 虛質(zhì)量法：虛質(zhì)量法是僅考慮流體質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的影響，主要用于以下流——固耦合問題的分析：
a) 結(jié)構(gòu)沉浸在一個具有自由液面的無限或半無限液體里
b) 容器內(nèi)盛有具有自由液面的不可壓縮液體
c) 以上二種情況的組合,如船在水中而艙內(nèi)又裝有不充滿的液體
Nastran的聲場分析功能還集成了Actran的聲學(xué)求解技術(shù)，不但可以進(jìn)行內(nèi)聲場的分析，還可以進(jìn)行外聲場的分析?？梢苑治鼋Y(jié)構(gòu)的聲輻射，聲傳播，吸收，散射以及結(jié)構(gòu)聲振耦合問題等。并且最大的特點(diǎn)是可以求解大型結(jié)構(gòu)的內(nèi)外聲結(jié)構(gòu)耦合分析和優(yōu)化，如整車的聲響分析和動力系統(tǒng)的聲輻射。
內(nèi)外噪聲
? Nastran的噪聲分析拓展到無限區(qū)域，諸如汽車發(fā)動機(jī)、飛行器的的聲輻射- 無限元技術(shù)
? 集成了經(jīng)過測試和驗(yàn)證的MSC.Actran的無限元技術(shù)
? 不需要在結(jié)構(gòu)和聲學(xué)分析兩個不同的程序之間進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳遞
- 可以解決超大規(guī)模，全耦合的振動噪聲耦合仿真問題。
- 可以計(jì)算結(jié)構(gòu)輻射的聲壓、聲強(qiáng)、聲功率等，為結(jié)構(gòu)件的聲輻射能力提供定量描述。
自動部件模態(tài)綜合法 -ACMS
ACMS(Automated Component Mode Synthesis)自動部件模 態(tài)綜合法，使得工程師能夠?qū)崿F(xiàn)對大模型的動力響應(yīng)分析和聲 場分析，ACMS 法自動將一個大模型用區(qū)域分解法分成幾個子 區(qū)域進(jìn)行各個子結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，然后進(jìn)行模態(tài)綜合，由此得 到整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。采用 ACMS 法可大大減少大模型的計(jì)算時間，例如對近1400萬自由度的汽車模型（500Hz內(nèi)2500階模態(tài)），采用全模型標(biāo)準(zhǔn)的模態(tài)法頻率響應(yīng)分析(SOL 111)進(jìn)行求解用時約26小時，而采用Nastran的ACMS方法用時只需4小時，同時占用的計(jì)算資源也大大降低，所以采用 Nastran的自動部件模態(tài)綜合技術(shù)為大型結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析在精度和計(jì)算速度上提供很好的解決方案。
在Nastran中，自動部件模態(tài)綜合法(ACMS)得到了大大增強(qiáng)，新增加了矩陣域自動部件模態(tài)綜合法(MDACMS)，此法基于自由度計(jì)算，與已有的幾何域自動部件模態(tài)綜合法（GDACMS）相比計(jì)算速度更快，而且模型越復(fù)雜，計(jì)算效率提升越明顯；可應(yīng)用于模態(tài)分析，瞬態(tài)分析，頻響應(yīng)分析及優(yōu)化分析，對于多點(diǎn)約束（MPC）多的情況下計(jì)算效率更高。提供的多種區(qū)域劃分方法（隨求解類型變化）
? 幾何區(qū)域劃分（適用 SOL103,111,112,200）
? 頻率域劃分（適用 SOL 111, 200）
? 自由度域（適用 SOL 103,111,200）——新的缺省方法
? 幾何域與頻率域相結(jié)合(適用 SOL 111, 200)
? 矩陣域與頻率域相結(jié)合(適用 SOL 200)
應(yīng)用于不同求解類型：
? ?Nastran動力分析(SOL103, 111, 112)
◆?Nastran聲學(xué)分析(SOL 108)
◆?Nastran設(shè)計(jì)優(yōu)化(SOL 200)
◆ Nastran與ADAMS的集成
? 結(jié)構(gòu)外部超單元技術(shù)
? 聲學(xué)外部超單元技術(shù)（包含流體空腔和流固邊界）
Nastran的ACMS技術(shù)可與分布式域并行計(jì)算技術(shù)（DMP）相結(jié)合，對頻率范圍較寬且有多個動力載荷的復(fù)雜模型，可大幅度提高計(jì)算速度和計(jì)算精度。
熱傳遞分析
熱傳遞分析通常用來校驗(yàn)結(jié)構(gòu)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性,利用Nastran可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布狀況,并直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布。用戶可通過改變發(fā)熱元件的位置、提高散熱手段、絕熱處理或用其它方法優(yōu)化產(chǎn)品的熱性能。
Nastran可以解決包括傳導(dǎo)、對流、輻射、相變、熱控系統(tǒng)在內(nèi)的熱交換現(xiàn)象,計(jì)算輻射視角系數(shù)，并真實(shí)地仿真各類邊界條件,建立各種復(fù)雜的材料和幾何模型,模擬熱控系統(tǒng),并能進(jìn)行熱——結(jié)構(gòu)耦合分析。
Nastran提供了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析的線性、非線性求解算法。
Nastran支持熱結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)椒治龊屯耆臒峤Y(jié)構(gòu)耦合分析。在熱結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)椒治鲋?，熱分析的網(wǎng)格可以和結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格不同，熱分析的結(jié)果將自動插值到結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中。支持熱接觸功能，熱可以通過接觸傳遞，大大方便了建模。為航天航空結(jié)構(gòu)、汽車發(fā)動機(jī)、剎車系統(tǒng)、動力總成等的熱分析提供了有力的解決工具。
設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析
設(shè)計(jì)優(yōu)化是為了滿足特定優(yōu)選目標(biāo)如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級等的綜合設(shè)計(jì)過程。Nastran擁有強(qiáng)大、高效的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力,其優(yōu)化過程由設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化兩大部分組成，可對靜力、模態(tài)、屈曲、瞬態(tài)響應(yīng)、頻率響應(yīng)、氣動彈性和顫振分析進(jìn)行優(yōu)化。高效的優(yōu)化算法允許在大模型中定義成千上百個設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)。設(shè)計(jì)靈敏度支持并行環(huán)境下的計(jì)算，大大提高了設(shè)計(jì)靈敏度的計(jì)算效率。
除了具有用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)過程的形狀和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的能力外, Nastran又集成了適于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的拓?fù)鋬?yōu)化功能。拓?fù)鋬?yōu)化是與參數(shù)化形狀優(yōu)化或尺寸優(yōu)化不同的非參數(shù)化形狀優(yōu)化方法。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段,為結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤罨驇缀屋喞峁┏跏冀ㄗh的設(shè)計(jì)方案。拓?fù)鋬?yōu)化采用Homogenization方法,在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)區(qū)域的剩余體積（質(zhì)量）比的約束條件下，對靜力分析滿足最小平均柔度或最大平均剛度,在模態(tài)分析中,滿足最大基本特征值或指定模態(tài)與計(jì)算模態(tài)的最小差。目前的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)單元為一階殼元和實(shí)體單元。集成在Nastran中的拓?fù)鋬?yōu)化,通過特殊的DMAP工具,建立了新的拓?fù)鋬?yōu)化求解序列。拓?fù)鋬?yōu)化還包括Topometry功能，它可以以每個單元作為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，優(yōu)化每個單元的厚度（材料分布）；Topography（形貌）優(yōu)化，優(yōu)化板殼的形貌。拓?fù)鋬?yōu)化的過程中可以考慮加工工藝要求，以保證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能被制造出來。Topometry優(yōu)化還支持復(fù)合材料層厚度的優(yōu)化。
另外，Nastran 還有以下全新的優(yōu)化功能：
- 綜合了尺寸、形狀和拓?fù)鋬?yōu)化，更快速的找到優(yōu)化路徑
- ?外噪聲響應(yīng)優(yōu)化，可以將汽車的NVH優(yōu)化分析擴(kuò)展到外聲場
- 隨機(jī)優(yōu)化
- ?Sol 200可以有粘接接觸，這個是特有的裝配體優(yōu)化功能
- 非線性優(yōu)化
- 部件超單元優(yōu)化，使用超單元技術(shù)，提高優(yōu)化效率
- 與Adams耦合優(yōu)化
Nastran的優(yōu)化功能可以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科優(yōu)化，可以進(jìn)行以下分析類型及其組合分析的優(yōu)化。
? 靜力分析 (SOL 101)
? 模態(tài)分析 (SOL 103)
? 屈曲分析 (SOL 105)
? 直接法復(fù)特征值分析 (SOL 107)
? 直接法頻率響應(yīng)分析 (SOL 108)*
? 模態(tài)法復(fù)特征值分析 (SOL 110)
? 模態(tài)法頻率響應(yīng)分析 (SOL 111)*
? 模態(tài)法瞬態(tài)響應(yīng)分析 (SOL 112)*
? 靜氣彈分析 (SOL 144)
? 顫振分析 (SOL 145)
凡是標(biāo)?號的都可以進(jìn)行噪聲優(yōu)化。
