NASTRAN动力分析指南.doc

第一章 动力学分析方法及N* NASTRAN根本使用介绍1.1 有限元分析方法介绍计算机软硬件技术的迅猛开展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件开展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩大、更新和完善近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并开展成为一门专门的学科－计算机辅助工程CAE〔puter Aided Engineering〕这些商品化的CAE软件具有越来越人性化的操作界面和易用性，使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员，CAE在各个工业领域的应用也得到不断普及并逐步向纵深开展，CAE工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要许多行业中已经将CAE分析方法和计算要求设置在产品研发流程中，作为产品上市前必不可少的环节CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性：l CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期；l 虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数；l 大幅度地降低产品研发本钱；l 在准确的分析结果指导下制造出高质量的产品；l 能够快速的对设计变更作出反响；l 能充分的和CAD模型相结合并对不同类型的问题进展分析；l 能够准确的预测出产品的性能；l 增加产品和工程的可靠性；l 采用优化设计，降低材料的消耗或本钱；l 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； l 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；l 进展机械事故分析，查找事故原因；l 等等当前流行的商业化CAE软件有很多种，国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。

其中最为著名的是由美国国家宇航局〔NASA〕在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统该系统开展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也开展了一批专用或通用有限元分析软件，除了Nastran以外，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABAQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品虽然软件种类繁多，但是万变不离其宗，其核心求解方法都是有限单元法，也简称为有限元法〔Finite Element Method〕 有限单元法的根本思路有限元法的根本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型下面用在自重作用下的等截面直杆来说明有限元法的思路等截面直杆在自重作用下的材料力学解答：图1-1 受自重作用的等截面直杆图1-2 离散后的直杆受自重作用的等截面直杆如图1-3所示，杆的长度为L，截面积为A，弹性模量为E，单位长度的重量为q，杆的力为N。

试求：杆的位移分布，杆的应变和应力 〔1- 1〕等截面直杆在自重作用下的有限元法解答：1〕连续系统离散化如图1-4所示，将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过公共点相连接在有限元法中，我们将两段之间的公共连接点称为节点，将每个有限段称为单元节点和单元组成的离散模型就称为对应于连续系统的‘有限元模型’有限元模型中的第i个单元，其长度为Li，包含第i，i+1个节点2〕用单元节点位移表示单元部位移第i个单元中的位移用所包含的节点位移来表示， 〔1- 2〕其中为第i节点的位移，为第i节点的坐标第i个单元的应变为，应力为，力为： 〔1- 3〕 〔1- 4〕 〔1- 5〕3〕把外载荷归集到节点上把第i单元和第i+1单元重量的一半，归集到第i+1节点上图1-3 集中单元重量4〕建立节点的力平衡方程对于第i+1节点，由力的平衡方程可得： 〔1- 6〕令，并将〔1- 8〕代入得： 〔1-7〕根据约束条件，对于第n+1个节点， 〔1-8〕建立所有节点的力平衡方程，可以得到由n+1个方程构成的方程组，可解出n+1个未知的节点位移。

1.1.2有限元法的计算步骤有限元法的计算步骤归纳为以下三个根本步骤：网格划分，单元分析，整体分析1〕网格划分有限元法的根本做法是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体因此首先要对弹性体进展必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体单元之间通过节点相连接由单元、节点、节点连线构成的集合称为网格通常把三维实体划分成4面体或6面体单元的实体网格，平面问题划分成三角形或四边形单元的面网格图1-4四面体四节点单元图1-5 六面体8节点单元图1-6 四边形4节点单元2〕单元分析对于弹性力学问题，单元分析就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式由于将单元的节点位移作为根本变量，进展单元分析首先要为单元部的位移确定一个近似表达式，然后计算单元的应变、应力，再建立单元中节点力与节点位移的关系式以平面问题的三角形3节点单元为例，见图1-7单元有三个节点I、J、M，每个节点有两个位移u、v和两个节点力U、V图1-7 三角形3节点单元单元的所有节点位移、节点力，可以表示为节点位移向量〔vector〕：节点位移 节点力单元的节点位移和节点力之间的关系用量〔tensor〕来表示， 〔1-9〕3〕整体分析对由各个单元组成的整体进展分析，建立节点外载荷与节点位移的关系，以解出节点位移，这个过程称为整体分析。

同样以弹性力学的平面问题为例，如图1-8所示，在边界节点i上受到集中力作用节点i是三个单元的结合点，因此要把这三个单元在同一节点上的节点力聚集在一起建立平衡方程图1-8 整体分析i节点的节点力：i节点的平衡方程： 〔1-10〕1.1.3有限元法的进展与应用有限元法不仅能应用于构造分析，还能解决归结为场问题的工程问题，从二十世纪六十年代中期以来，有限元法得到了巨大的开展，为工程设计和优化提供了有力的工具当今国际上FEA方法和软件开展呈现出以下一些趋势特征：l 从单纯的构造力学计算开展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从构造化矩阵分析开展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于准确值所以近年来有限元方法已开展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又开展到求解几个穿插学科的问题例如比拟常见的是将温度场和构造场之间进展耦合计算，确定由于温度场分布不均匀引起的构造应力和变形等l 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的开展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。

例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑构造的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就缺乏以解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解决众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发求解非线性问题的分析功能，并广泛应用于工程实践l 增强可视化的前后处理功能早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速开展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而准备数值模型和处理计算结果的时间占整个分析工程的比例越来越高据统计，整个分析流程中，前处理占用的工作时间大致在80%，而加上后处理局部，占用的时间就要超过95%因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前后处理模块与之相配合在强调"可视化"的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI〔Graphics User Interface〕,使用户能以可视图形方式直观快速地进展网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。

l 与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用——即,在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进展计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进展造型和计算，直到满意为止，从而极提高了设计水平和效率今天，工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件〔例如Unigraphics、Pro/ENGINEER、SolidEdge、SolidWorks等〕的接口1.2动力学分析概述动力分析过程 图1-9 动力分析过程单自由度系统1)动力学方程其中，m为质量〔惯性〕，b为阻尼〔能量耗散〕，k为刚度〔恢复力〕 n为非线性恢复力p为作用力u为位移为加速度为速度通常，作用力p、位移u、速度、加速度为时间函数，m、b、k为常数，非线性恢复力n为的函数2)单 位 根本单位长度L (inch, m)， 质量M〔slug,kg〕，时间T〔second〕根本与推导单位常用变量工程单位注意：(a) 单位制要统一 (b) 动力分析中质量与阻尼单位最容易出错 (c) Nastran不检验单位单自由度系统无阻尼自由振动 1〕动力学方程 2〕解其中，3〕初始条件最后解为： 图1-10 无阻尼自由振动 单自由度系统阻尼自由振动1〕动力学方程 临界阻尼 临界阻尼比2〕解a) 欠阻尼情况 其中，为阻尼固有频率b) 临界阻尼情况〔无振荡发生〕c) 过阻尼情况无振荡发生，系统逐渐回到平衡位置〔至少不会扩散〕。

d) 通常分析欠阻尼情况，构造的粘性阻尼一般在0~10%围图1-11 欠阻尼 单自由度系统无阻尼简谐振动1〕动力学方程其中，为鼓励力频率2〕解的形式其中， 稳态解局部图1-12 无阻尼简谐 单自由度系统阻尼简谐振动1〕动力学方程2〕解的形式 a) 瞬态解迅速衰减，可以不考虑 b) 稳态解为其中，为相位角 c)讨论i) ,放大因子〔静态解〕，相位角〔响应的相位为鼓励相位〕ii) ,放大因子〔无响应〕，相位角〔响应的相位与鼓励相位相反〕iii) 〔共振〕,放大因子，相位角〔响应的相位为鼓励相位〕图1-13 阻尼简谐 多自由度系统1) 概述 动力学方程为 其中，2) 动力学环境分类环境类型动态鼓励类型 有限元动力学建模需要考虑的问题1） 构造分析的频率围2） 节点/约束/单元的分配方案及其相互关系3） 线性与非线性行为的。