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8.4 MSC.PATRAN/NASTRAN有限分析程序系统简介 如上节所述，世界上有多种不同规模的结构有限元分析程序系统.每种系统有其各自的特点，更有着大量的共同的特征和相似性.创建于1963年的MSC公司，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件（CAE）供应商，也是CAE领域内具有代表性的大型通用有限元程序系统MSC.NASTRAN的开发者.本节拟以MSC.NASTRAN和MSC.PATRAN软件系统为例，简述大型有限元分析软件和有限元前、后置处理软件的特点和功能. 8.4.1 MSC.NASTRAN软件系统 MSC.NASTRAN软件拥有上百万条源程序语句，可对结构进行各种静、动力分析、敏度分析和优化设计，覆盖了绝大多数工程应用领域.MSC.NASTRAN具有先进的计算结构技术，能够处理数百万个自由度的大型工程问题.每一种版本都要经过几千个例题的测试考证，具有极高的软件可靠性.其输入输出格式已经成为CAE领域的公认标准.MSC.NASTRAN为用户提供了方便的模块化功能选项，其主要功能模块有：基本分析模块（含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等）、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、气块弹性分析模块及高级对称分析模块.因此，MSC.NASTRAN可以解决各类结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、非线性、（噪）声学、流体/结构耦合、气动弹性及结构优化等问题．通过MSC．NASTRAN的分析可确保各个零件及整个系统在最合理的环境下正常工作，获得最佳性能．此外，程序还提供了开放式用户开发环境，以满足用户的特殊要求． MSC.NASTRAN主要功能如下： (1)静力分析 除通常的线性静力分析外，还具有惯性释放的静力问题和一? 系列具有非线性属性的静力问题的分析功能． (2)屈曲分析 线性和非线性屈曲分析，主要有：线弹性失稳分析、弹塑性失稳分析、几何非线性失稳分析、非线性屈曲分析. (3)动力学分析 结构动力学分析是MSC．NASTRAN的主要强项之一．其主要分析功能如：固有模态分析、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、(噪)声学分析、随机响应分析、冲击谱分析等． (4)非线性分析 非线性分析也是MS(3．NASTRAN的主要强项之一．除提供几何、材料、边界非线性外，还提供了具有非线性属性的各类分析单元：如非线性阻尼、弹簧、三维接触单元等．并且拥有丰富的迭代和运算控制方法． (5)热传导分析 基于一维、二维、三维热分析单元，M$C．NASTRAN可以解决包括热传导、对流、辐射、相变、热控系统在内所有的热传导现象，并真实地仿真各类边界条件，构造各种复杂的材料和几何模型、模拟热控系统，进行热-结构耦合分析． (6)空气动力弹性及颤振分析气动弹性分析功能主要包括：静态和动态气弹响应分析、颤振分析及气弹优化． (7)流-固耦合分析 流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用效应． (8)多级超单元分析 超单元法又称为子结构法，它是把复杂的结构划分成许多结构进行分析，多级超单元分析是MS(3.NASTRAN的主要强项之一，适用于所有的分析类型，如线性静力分析、刚体静力分析、固有模态分析、几何和材料非线性分析等． (9)先进的对称分析 针对结构的对称、反对称、轴对称或循环对称等不同的特点，MSC．NASTRAN提供了不同的算法，可大大压缩大型结构分析问题的规模，提高计算效率． (10)设计灵敏度及优化分析 MSC．NASTRAN拥有强大、高效的设计优化能力，其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成．设计变量包含形状和尺寸两大部分．优化过程时间短、效率高、优化结果可靠． (11)层状复合材料分析 MSC．NASTRAN拥有很强的复合材料分析功能，并有多种可应用的平面单元供用户选择．层内失效准则包括：Hill理论、Hoffman 理论、Tsai-Wu理论和最大应变理论．MSC．NASTRAN的复合材料分析适用于所有的分析类型． (12)P单元及H、H-P自适应分析 H法是有限元分析中经常使用的算法，它是通过不断自动加密细化高应力区的有限元网格来满足分析精度．P法是通过减少单元划分数量自动提高形函数的阶次来保证求解精度．在MSC．NASTRAN中，允许同一模型中H法与P法混合使用(即H--P法)而不存在单元相容性问题，且求解速度快．这三种方法已引入到MSC．NASTRAN 68版及其以后的版本中． 8.4.2 MSC．PATRAN软件系统 MSC．PATRAN是MSC公司开发的著名的有限元前后置处理软件，它具有以下主要功能和特点： (1)开放的工程分析架构 MSC．PATRAN不仅可以直接生成分析结构的几何模型，也可以直接从Pro/ENGINEER、CATIA、Unigraphics等CAD／CAM软件中抓取几何模型，然后直接快速地创建有限元模型，提供给MSC．NASTRAN等进行结构分析． (2)强有力的网格生成功能 拥有先进的网格自动划分技术和方便的网格处理能力． (3)逼真的可视化环境 提供了多种有限元分析结果的可视化工具，使用条纹、等值线和向量图等方式直观地显示计算结果，并可通过动画形象地显示结果． (4)开放的软件开发环境 有好的图形用户界面和PCL语言，为专用软件的二次开发提供了强有力的软件环境． 执行MSC．PATRAN软件进行工程分析的一般流程为： (1)建立几何模型 几何模型可直接在PATRAN中建立，也可直接从CAD软件中读入，或先从CAD软件中读入，再在PATRAN中进行编辑修改． (2)选择分析程序 MSC．PATRAN支持多种不同种类的分析程序，包括MSC．NASTRAN、MSC．DATRAN、MSC．MARC、MSC．ADVANCED-FEA、ANSYS、ABAQUS和DYNA3D等．这些分析程序都有其各自的特点，因此在创建分析模型前，一定要先设定分析程序． (3)建立分析模型 创建分析模型的过程一般包括以下几个步骤： ·划分网格 ·创建或从标准材料库中获取材料 ·指定单元特性 ·施加载荷及约束条件 (4)递交分析 根据计算要求设置与分析程序相关的求解参数和控制参数，例如，与计算类型(静力、动力或非线性等)、载荷工况和输出结果相关的参数．直接递交运算或产生计算文件. (5)评价分析结果 对计算结果进行可视化显示，提供计算结果的云纹图、等值线、曲线图或矢量图等，并可以动画显示． 8.4-3 MSC．PATRAN/NASTRAN应用实例 MSC.PATRAN软件的用户界面如图8—6所示．同时，作为示例也绘出了用其生成的某大型加筋壳体结构的有限元几何模型和网格图，在这个网格中，共有24000多个四结点壳单元和空间梁单元，15000多个结点．在MSC．PATRAN中针对模型进一步完成了创建材料、赋予单元材料特性、施加约束和载荷条件等项步骤，然后调用MSC.NASTRAN程序对该结构进行线性静力和模态分析，并对计算结果进行后处理．图8—7给出了计算结果应力分布的云纹图． 图8-6 MSC.PATRAN的用户界面和网格划分示例 图8-7 MSC.PATRAN后处理云纹图示例