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可以是随时间或频率的位移或载荷。该模块是NX Nastran – Basic的附加模块。

NX Nastran - Superelements:NX Nastran 使用稀疏矩阵算法求解大模型,而NX Nastran - Superelements 提供了更加高效的方法——超单元。对于非常庞大和复杂的模型,该方法将其分解为小的等效模型块,称之为超单元,这些单元可以利用NX Nastran的所有分析功能。该模块是NX Nastran - Basic的附加模块。

NX Nastran - Optimization:设计满足特定要求的产品是几乎每个制造商的要求。使用优化技术,工程师可以改进现有的设计,用最小的成本得到最优的设计方案。优化过程涉及到多次计算迭代过程,而NX Nastran - Optimization的自动迭代将用户从繁复的迭代工作中解放出来。

NX Nastran - Aeroelasticity:气弹分析用来计算结构在气流作用下的响应。使用 NX Nastran - Aeroelasticity,可以在通用的有限元模型上进行应力、载荷、气弹和控制系统设计计算。该模块是NX Nastran – Basic的附加模块。

NX Nastran - Advanced Aeroelasticity,是在NX Nastran - Basic 和 Aero -elasticity 上的附加模块。在该模块中针对超音速流动开发了与亚音速涡格法相似的方法。这种气弹方法是由ZONA Technology,Inc.开发,并集成在NX Nastran中,主要进行结构在超音速状态下的计算分析。

NX Nastran - Direct Matrix Abstraction Program (DMAP)进行用户二次开发编程。可以将中间数据(主要是矩阵)从Nastran中导出或导入Nastran;将最新的软件功能添加进来;得到非标准的结果输出等。该模块是NX Nastran – Basic的附加模块。

NX Nastran for Femap:高效的Windows集成环境,将Femap高效的前后处理功能和Nastran可靠的分析能力结合在一起。

2.各分析功能技术特点

(1)静力分析

静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段,主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等)作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。NX Nastran支持全范围的材料模式,包括:均质各向同性材料,正交各向异性材料,各向异性材料,随温度变化的材料等。

? 具有惯性释放的静力分析

考虑结构的惯性作用,可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应。

? 非线性静力分析

在静力分析中同时可以考虑结构的非线性特性。主要包括几何非线性(大变形、大应变、大转动),材料非线性(如塑性、蠕变),接触非线性等(非线性静力分析需非线性模块的支持)。

(2)屈曲分析

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14 NX Nastran基础分析指南

屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷,NX Nastran中的屈曲分析包括两类:线性屈曲分析和非线性屈曲分析。线性屈曲分析又称为特征值屈曲分析,可以考虑固定的预载荷,也可使用惯性释放。非线性屈曲分析包括几何非线性屈曲分析,弹塑性屈曲分析以及非线性后屈曲(Snap-Through)分析。在算法上,NX Nastran采用先进的微分刚度概念,考虑高阶应变-位移关系,结合NX Nastran特征值提取算法可精确地判别出相应的失稳临界点。该方法较其他有限元软件中所使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。此外,NX Nastran还提供了另外三种不同的弧长法(Arc-Length),特别适用于非稳定段和后屈曲问题的求解,不但可确定失稳点,而且可以跟踪计算结构的非稳定阶段及后屈曲点以后的响应(非线性屈曲分析需要非线性模块的支持)。

(3)动力学分析

NX Nastran在结构动力学分析中有非常多的技术特点,具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响,同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。

全面的NX Nastran动力学分析功能包括:正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模,用户可选择NX Nastran不同的动力学方法加以求解。在处理大型结构动力学问题时如不利用特征缩减技术将会使解题效率大大降低,而NX Nastran的通用动力缩减算法(GDR法)在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度,而不必像其他缩减法那样更多地需要由用户进行手工干预。此外速度更快、磁盘空间更节省的稀疏矩阵解算器适用于所有的动力分析类型,半带宽缩减时的自动内部重排序功能及并行向量化的运算方法可使动力解算效率大大提高。

为求解动力学问题,NX Nastran提供了求解所需齐备的动力和阻尼单元,如瞬态响应分析的非线性弹性单元、各类阻尼单元、(噪)声学阻滞单元及吸收单元等。众多的阻尼类型包括:结构阻尼、材料阻尼、不同的模态阻尼(含等效粘滞阻尼)、(噪)声阻滞阻尼和吸收阻尼、可变的模态阻尼(等效粘性阻尼,临界阻尼的分数,品质因数)、离散的粘性阻尼单元、随频率变化的非线性阻尼器以及动力传递函数,直接矩阵输入、动力传递函数定义等。NX Nastran可在时域或频域内定义各种动力学载荷,包括动态定义所有的静载荷、强迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延时、时间窗口、解析显式时间函数、实复相位和相角、作为结构响应函数的非线性载荷、基于位移和速度的非线性瞬态加载、随载荷或受迫运动不同而不同的时间历程等。模态凝聚法有Guyan凝聚(静凝聚),广义动态凝聚,部分模态综合,精确分析的残余向量等。

NX Nastran的高级动力学功能还可分析更深层、更复杂的工程问题如控制系统、流固耦合分析、传递函数计算、输入载荷的快速傅里叶变换、陀螺及进动效应分析(需DMAP模块)、模态综合分析(需Superelement模块)。所有动力计算数据可利用矩阵法、位移法或模态加速法快速地恢复,或直接输出到机构仿真或相关性测试分析系统中去。

NX Nastran的主要动力学分析功能:如特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模

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态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下:

? 正则模态分析

正则模态分析用于求解结构的自然频率和相应的振动模态,计算广义质量,正则化模态节点位移,约束力和正则化的单元力及应力,并可同时考虑刚体模态。具体包括:

? 线性模态分析又称实特征值分析。实特征值缩减法包括:Lanczos法、增强逆

迭代法、Givens法、改进 Givens法、Householder法,并可进行Givens和改进Givens法自动选择、带Sturm 序列检查的逆迭代法,所有的特征值解法均适用于无约束模型。

? 考虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析,或称预应力状态下的模态分析。 ? 复特征值分析

复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型,分析过程与实特征值分析类似。此外Nastran的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。复特征值抽取方法包括直接复特征值抽取和模态复特征值抽取两种:

? 直接复特征值分析

通过复特征值抽取可求得含有粘性阻尼和结构阻尼的结构自然频率和模态,给出正则化的复特征矢量和节点的约束力,及复单元内力和单元应力。主要算法包括:Delerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、复Lanczos法,适用于集中质量和分布质量、对称与反对称结构,并可利用DMAP工具检查与测试分析的相关性。 ? 模态复特征值分析

此分析与直接复特征值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼进行实特征值分析,得到模态向量。然后采用广义模态坐标,求出广义质量矩阵和广义刚度矩阵,再计算出广义阻尼矩阵,形成模态坐标下的结构控制方程,求出复特征值。模态复特征值分析得到输出类型与用直接复特征值分析得到输出类型相同。

? 瞬态响应分析(时间-历程分析)

瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应,分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。

? 直接瞬态响应分析

该分析给出一个结构随时间变化的载荷的响应。结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分,直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。 ? 模态瞬态响应分析

在此分析中,直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换,对问题的规模进行压缩,再对压缩了的方程进行数值积分,从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输出结果。

? 随机振动分析

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16 NX Nastran基础分析指南

该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。例如地震波,海洋波,飞机超过建筑物的气压波动,以及火箭和喷气发动机的噪音激励,通常人们只能得到按概率分布的函数,如功率谱密度(PSD)函数,激励的大小在任何时刻都不能明确给出,在这种载荷作用下结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。NX Nastran中的PSD可输入自身或交叉谱密度,分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关函数及响应的RMS值等。计算过程中,NX Nastran不仅可以像其他有限元分析那样利用已知谱,而且还可自行生成用户所需的谱。

? 响应谱分析

响应谱分析(有时称为冲击谱分析)提供了一个有别于瞬态响应的分析功能,在分析中结构的激励用各个小的分量来表示,结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的最大响应的组合。

? 频率响应分析

频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度,虚部代表响应的相角。

? 直接频率响应分析

直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程,得出各频率对于外载荷的响应。该类分析在频域中主要求解两类问题。第一类是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼,分析得到复位移、速度、加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。

第二类是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移、加速度、约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。 ? 模态频率响应

模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的两类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽略阻尼的实特征值分析进行了压缩,然后用模态坐标建立广义刚度和质量矩阵。该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。

NX Nastran的模态扩张法(残余矢量法)可以估算高阶模态的作用,以确保参加计算的频率数足以使模态法的响应分析的计算精度显著提高。

? 声学分析

NX Nastran中提供了完全的流体-结构耦合分析功能。这一理论主要应用在声学及噪音控制领域,例如车辆或飞机客舱的内噪音的预测分析。

(4)非线性分析

实际工程问题中,很多结构响应与所受的外载荷并不成线性关系。由于非线性,结构中可能产生大位移、大转动或多个零件在载荷作用下接触状态不断发生变化。要想更精确地反映实际问题,就必须考虑材料和几何、边界、单元等非线性因素。NX Nastran强大的