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1、第一章第一章动力分析概述动力分析概述1动力分析概述动力分析过程动力分析过程2动力分析概述其中，其中，m m为质量（惯性），为质量（惯性）， b b 为阻尼（能量耗散），为阻尼（能量耗散）， k k为刚度（恢复力）为刚度（恢复力） n n为非线性恢复力为非线性恢复力 p p为作用力为作用力 u u为位移为位移 为加速度为加速度 为速度为速度通常，作用力通常，作用力p p、位移、位移u u、速度、加速度为时间函数，、速度、加速度为时间函数，m m、b b、k k为常数，非线性恢复力为常数，非线性恢复力n n为为 的函数。的函数。 单自由度系统单自由度系统 动力学方程动力学方程 3动力分析概述单单位
2、位长度L L (inch, m)， 质量M（slug,kg），时间T（second） 基本单位基本单位 基本与推导单位基本与推导单位 常用变量工程单位常用变量工程单位 注意注意 用一致的单位制用一致的单位制 常见错误是质量与阻尼单位常见错误是质量与阻尼单位 NastranNastran不检验单位，用户应该小心不检验单位，用户应该小心 4动力分析概述5动力分析概述单自由度系统无阻尼自由振动单自由度系统无阻尼自由振动 动力学方程动力学方程解解：初始条件初始条件 其中，6动力分析概述解的最后形式：解的最后形式：7动力分析概述单自由度系统阻尼自由振动单自由度系统阻尼自由振动动力学方程动力学方程临界阻尼
3、临界阻尼临界阻尼比临界阻尼比解：解：a)欠阻尼情况欠阻尼情况 其中，其中， 为阻尼固有频率为阻尼固有频率8动力分析概述临界阻尼情况（无振荡发生）临界阻尼情况（无振荡发生） 过阻尼情况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） 通常分析欠阻尼情况，结构的粘性阻尼一般在通常分析欠阻尼情况，结构的粘性阻尼一般在010%010%范围内范围内 9动力分析概述单自由度系统无阻尼简谐振动单自由度系统无阻尼简谐振动动力学方程其中， 为激励力频率 解的形式解的形式 10动力分析概述稳态解稳态解部分11动力分析概述MSC/NASTRANMSC/NASTRAN开发历史开发历史l1964年，MSC承担
4、美国航空航天局（NASA）主持NASTRAN的开发l1971年，MSC推出专利版MSC/NASTRANl1973年，年，MSC定为定为NASTRAN(NASA)维护商维护商l1989年, 发布经重大改进的MSC/NASTRAN66l1991年，将年，将CAD技术引入技术引入MSC/NASTRANV67.5及相应产品及相应产品Nastran for WindowNastran for Windowl19941994年，年，MSCMSC公司发布了经重大改进的公司发布了经重大改进的 MSC/NASRANV68MSC/NASRANV68版版 12动力分析概述l1994年，MSC与PDAE合并,形成了以
5、MSC/NASTRAN为核心的MSC产品系列产品系列 如：MSC.MVISION、MSC.PATRAN、MSC.THERMAL、 MSC.FEA、MSC.FATIGUE、MSC.ADVANCEDFEA等 标志着CAE领域新阶段的开始l1995年,MSC/NASTRANV68.2版l1996年,MSC/NATRANV69版l1997年, MSC/NASTRANV70版l 20012001年年,MSC/NASTRAN2001,MSC/NASTRAN2001版版13动力分析概述MSC/NASTRANMSC/NASTRAN主要特点与功能主要特点与功能 MSC/NASTRAN MSC/NASTRAN 的
6、主要特点的主要特点 1)1)大型、通用、功能齐全、适用面广大型、通用、功能齐全、适用面广2)极高的软件可靠性3)世界领先的计算结构技术先进性4)独特的DMAP语言5)标准的输入/输出格式14动力分析概述MSC/NASTRAN MSC/NASTRAN 主要功能主要功能 1)1)静力分析静力分析l l线性静力分析（包括惯性卸载）线性静力分析（包括惯性卸载）l l屈曲分析屈曲分析 包括线弹性屈曲，弹性非线性屈曲和弹塑性屈曲分析。包括线弹性屈曲，弹性非线性屈曲和弹塑性屈曲分析。l l静力几何与材料非线性分析静力几何与材料非线性分析 包括大变形（大位移、大转动以及跟随力），非线性弹性，弹塑包括大变形（大
7、位移、大转动以及跟随力），非线性弹性，弹塑 性，蠕变，性，蠕变， 粘弹性以及接触问题。粘弹性以及接触问题。 2)2)动力分析动力分析 l正交模态分析（固有频率与振动模态）l直接复特征值分析l模态复特征值分析l直接频率响应分析l模态频率响应分析l直接瞬态响应分析l模态瞬态响应分析l响应谱分析l随机动力分析l具有几何和（或）材料非线性的瞬态响应分析15动力分析概述3)3)热传导分析热传导分析 l 线性稳态热传导分析l非线性稳态热传导分析l瞬态热传导分析l 非线性瞬态热传导分析4)4)气动弹性分析气动弹性分析 l 静态气动弹性分析静态气动弹性分析l 动气动弹性分析动气动弹性分析 包括颤振分析，频率响
8、应分析，瞬态响应分析，随机响应分析，包括颤振分析，频率响应分析，瞬态响应分析，随机响应分析， 以及气动伺服弹性分析。以及气动伺服弹性分析。16动力分析概述5) 5) 多级超单元分析多级超单元分析 l 线性静力超单元分析线性静力超单元分析l 屈曲超单元分析屈曲超单元分析l 动力超单元分析（模态综合法）动力超单元分析（模态综合法） 包括固有模态分析，直接与模态复特征值，直接与模态频率响包括固有模态分析，直接与模态复特征值，直接与模态频率响 应和直接与模态瞬态响应。应和直接与模态瞬态响应。l 气动弹性响应超单元分析气动弹性响应超单元分析l 颤振超单元分析颤振超单元分析l 稳态与瞬态热传导超单元分析稳
9、态与瞬态热传导超单元分析 l 循环对称（静力、屈曲）超单元分析循环对称（静力、屈曲）超单元分析 6)6)设计敏度分析与结构优化设计敏度分析与结构优化 l l设计敏度分析设计敏度分析l l 多约束结构优化多约束结构优化 17动力分析概述 7) 7) 通用矩阵运算通用矩阵运算 l运用DMAP修改MSC/NASTRAN固定流程 l建立用户自己的有限元求解系列 8) 8) 特殊分析功能特殊分析功能 l声响分析 l流体与结构耦合分析 l循环对称分析 l 层复合材料分析 18动力分析概述MSC/NASTRAN的前后处理1 1、 MSCMSC公司直接提供的公司直接提供的 有有MSC/PATRANMSC/PA
10、TRAN和和MSC/ARIESMSC/ARIES2 2、通用、通用CADCAD软件软件 如如Unigraphics(UG),Pro/ENGINEERUnigraphics(UG),Pro/ENGINEER与与I-DEASI-DEAS等等 3 3、所有著名、所有著名CAD/CAMCAD/CAM系统及专用有限元前后处理软件系统及专用有限元前后处理软件 都与都与MSC/NASTRANMSC/NASTRAN有接口，均可生成有接口，均可生成MSC/NASTRANMSC/NASTRAN的的 输入文件，并进行后置处理。输入文件，并进行后置处理。 19动力分析概述MSC/NASTRAN的文档资料1 1、 MS
11、C/NASTRAN MSC/NASTRAN 使用入门使用入门 （GettingStartedWithMSC/NASTRANUsersGuide）2 2、用户指南用户指南 3 3、MSC/NASTRAN MSC/NASTRAN 快速参考手册快速参考手册 ( MSC/NASTRAN Quick Reference Guide )( MSC/NASTRAN Quick Reference Guide ) 4 4、MSC/NASTRAN MSC/NASTRAN 参考手册参考手册 ( MSC/NASTRAN Referemce Manual ) ( MSC/NASTRAN Referemce Manua
12、l ) 20动力分析概述21动力分析概述第二章有限元分析引言22动力分析概述有限元法在工程分析中的作用有限元法在工程分析中的作用工程分析工程分析经典法经典法数值法数值法精确解法精确解法近似解法近似解法能能 量量 法法边边界界元元法法有有限限差差分分法法有有限限元元法法23动力分析概述有限元法的过程有限元法的过程 24动力分析概述线性静力分析的基本矩阵方程线性静力分析的基本矩阵方程单元刚度矩阵单元刚度矩阵K=刚度矩阵F=力向量(已知)u=由F引起的未知位移向量25动力分析概述总体刚度矩阵总体刚度矩阵26动力分析概述线性静力有限元分析步骤线性静力有限元分析步骤结构离散结构离散形成单元刚度矩阵形成单
13、元刚度矩阵装配总体刚度矩阵装配总体刚度矩阵施加约束边界条件施加约束边界条件施加载荷求解方程求解方程计算位移、应力等计算位移、应力等27动力分析概述F=10000磅L=10英寸YINL=10英寸面积A=1.5英寸2弹性模量E=10106磅/英寸2面积A=2.0英寸2弹性模量E=10106磅/英寸2例子：例子：1 1、建立结构有限元模型、建立结构有限元模型L=10英寸A=1.5英寸2L=10英寸A=2.0英寸2结点3#结点1#结点2#单元单元28动力分析概述2 2、形成单元刚度矩阵、形成单元刚度矩阵 3 3、总装刚度矩阵、总装刚度矩阵 29动力分析概述4 4、施加边界条件、施加边界条件 5 5、施
14、加作用载荷、施加作用载荷 30动力分析概述6 6、求解矩阵方程、求解矩阵方程 7 7、计算单元应力、计算单元应力31动力分析概述第三章NASTRAN有限元模型知识32动力分析概述离散化结构的描述离散化结构的描述l有限元模型所需数据：l坐标系l模型几何l有限单元l载荷l边界条件l材料性质33动力分析概述坐标系坐标系MSC/NASTRANMSC/NASTRAN有有直直角角笛笛卡卡尔尔坐坐标标系系, ,称称为为基基本本坐坐标标系系, ,也也称称缺缺省省坐标系坐标系MSC/NASTRANMSC/NASTRAN允许建局部坐标系允许建局部坐标系, ,包括直角、柱面包括直角、柱面(r,z)(r,z)与球面与
15、球面坐标系坐标系(r,)(r,)34动力分析概述模型几何模型几何MSC/NASTRAN中，模型几何用结点定义结构结点加载而移动结构结点加载而移动结构模型每一结点有六个可能位移（自由度）结构模型每一结点有六个可能位移（自由度） 三个移动三个移动( (在在X X、Y Y和和Z Z方向方向) )和三个转动和三个转动( (关于关于X X、Y Y和和Z Z轴轴) )35动力分析概述有限单元有限单元 NastranNastran中，单元名前字母中，单元名前字母C是表是表“connection” 弹簧元（性质如简单拉伸或扭转弹簧）弹簧元（性质如简单拉伸或扭转弹簧） CELAS14线单元（性质象杆、棒或梁）线
16、单元（性质象杆、棒或梁） 杆元：杆元： CRODCROD，CONRODCONROD 直梁元：直梁元：CBARCBAR，CBEAMCBEAM 曲梁元：曲梁元：CBENDCBEND36动力分析概述 面单元（性质象膜或薄板）面单元（性质象膜或薄板） 三结点三角形板元：三结点三角形板元：CTRIA 3CTRIA 3 六结点三角形板元：六结点三角形板元：CTRIA 6CTRIA 6 四结点四边形板元：四结点四边形板元：CQUAD 4CQUAD 4 八结点四边形板元：八结点四边形板元：CQUAD 8CQUAD 8 四结点剪力板元：四结点剪力板元：CSHEAR CSHEAR 六面体元（六面体元（性质象块料或
17、厚板材）性质象块料或厚板材）六面体元六面体元 CHEXACHEXA五面体元五面体元CPENTACPENTA四面体元四面体元CTETRACTETRA37动力分析概述 约束元（无限刚硬，称为刚性元）约束元（无限刚硬，称为刚性元） l l 刚性杆：刚性杆：RRODRROD l l 刚性梁：刚性梁：RBARRBAR l l 刚性三角板：刚性三角板：RTRPLTRTRPLT l l 刚性体：刚性体：RBE1RBE1，RBE2RBE2 l l 均方加权约束元：均方加权约束元：RBE3RBE3 l l 内插约束元：内插约束元：RSPLINERSPLINE38动力分析概述载荷载荷 (1)(1)MSC/NAST
18、RANMSC/NASTRAN可处理的载荷包括静力载荷、动可处理的载荷包括静力载荷、动力瞬态、振动载荷、热载、地震加速度和随机力瞬态、振动载荷、热载、地震加速度和随机载荷载荷 (2) (2)静力载荷包括：静力载荷包括： l l 板和体面上的压力载荷板和体面上的压力载荷 l l重力载荷重力载荷 l l由加速度引起的载荷由加速度引起的载荷 l l 强迫位移强迫位移 l l集中力和力矩集中力和力矩 l l 梁上的分布载荷梁上的分布载荷39动力分析概述边界条件边界条件 (1)结构对载荷的响应通过约束点或结构点处产结构对载荷的响应通过约束点或结构点处产生反力来响应生反力来响应（2）一些简单边界件一些简单边
19、界件（3 3）MSC/NASTRANMSC/NASTRAN中，边界条件通过约束适当自由度中，边界条件通过约束适当自由度 为零位移来处理为零位移来处理 40动力分析概述材料性质材料性质 NASTRAN可处理材料包括：可处理材料包括： 各向同性，各向异性，非线性各向同性，各向异性，非线性(与应力相关与应力相关)， 流体，温度相关的，以及复合材料等流体，温度相关的，以及复合材料等41动力分析概述MSC/NASTRAN输入文件结构1、MSC/NASTRAN输入文件内容 l l 要执行的分析类型要执行的分析类型l l 计算结果输出要求计算结果输出要求l l模型几何模型几何l l单元集单元集l l材料材料
20、l l载荷载荷l l约束约束( (边界条件边界条件) )42动力分析概述2 2、输入文件是文本文件、输入文件是文本文件默认扩展名为默认扩展名为DATDAT，由文本编辑软件或有限元前处理软件建立，由文本编辑软件或有限元前处理软件建立 3 3、运行、运行MSC/NASTRANMSC/NASTRAN命令命令 NASTRAN NASTRAN 输入文件名输入文件名 如：如：Nastran model1.dat Nastran model1.dat 4 4、输入文件包括五个部分，三个限定符、输入文件包括五个部分，三个限定符 43动力分析概述NASTRANNASTRAN语句语句文件管理语句执行控制语句执行控
21、制语句CEND情况控制指令情况控制指令BEGINBULK模型数据集模型数据集ENDDATA可选可选可选可选必须必须限定符必须限定符必须限定符必须限定符必须的限定符必须的限定符44动力分析概述 NASTRAN NASTRAN 语句（可选的）语句（可选的）主要用来修改一些操作参数主要用来修改一些操作参数 如：工作存储器状况，数据块大小，数据块参数等如：工作存储器状况，数据块大小，数据块参数等 文件管理段（可选的）文件管理段（可选的） 主要用于初始化数据库和主要用于初始化数据库和FORTRAN FORTRAN 文件文件 执行控制段（必须的）执行控制段（必须的）（1 1）主要功能：规定执行作业分析解法
22、类型）主要功能：规定执行作业分析解法类型 （2 2）其它一般功能：）其它一般功能：1 1）可选）可选IDID语句，识别作业语句，识别作业 2 2）可选）可选TIMETIME语句，设置作业执行最大时间限语句，设置作业执行最大时间限 （3 3）结束用）结束用CENDCEND限定符标识限定符标识45动力分析概述情况控制段（必须）情况控制段（必须）（1 1） 规定与控制分析结果输出要求规定与控制分析结果输出要求( (即力、应力和位移的输出要求即力、应力和位移的输出要求) ) （2 2） 管理一组模型数据输入管理一组模型数据输入 （3 3） 定义分析子情况定义分析子情况( (如一个作业中施加多组载荷如一
23、个作业中施加多组载荷) )，选取载荷和边界条件，选取载荷和边界条件 （4 4） 位于执行控制段后，而在模型数据段前位于执行控制段后，而在模型数据段前 模型数据段（必须）模型数据段（必须） （1 1）在情况控制段之后，以限定符在情况控制段之后，以限定符“BEGIN BULKBEGIN BULK”开始开始 （2 2） 包含描述有限元模型的全部数据：几何、坐标系、有限单元、单包含描述有限元模型的全部数据：几何、坐标系、有限单元、单 元性质、载荷、边界条件以及材料性质模型数据段记录可以按任元性质、载荷、边界条件以及材料性质模型数据段记录可以按任 何秩序排列，但最后一条必是限定符何秩序排列，但最后一条必
24、是限定符“ENDDATAENDDATA” 46动力分析概述例子例子截面直径截面直径0.25英寸英寸，一端固定，另一端作用，一端固定，另一端作用20磅轴力。求轴力引起的伸长磅轴力。求轴力引起的伸长47动力分析概述MSC/NASTRANMSC/NASTRAN输入文件输入文件ROD.DATROD.DAT为为 48动力分析概述MSC/NASTRAN输出文件ROD.DBALL包含数据库运行的永久性数据包含数据库运行的永久性数据ROD.F04包含数据库文件信息和模块执行摘要包含数据库文件信息和模块执行摘要ROD.F06包含包含MSC/NASTRANMSC/NASTRAN的分析结果的分析结果ROD.LOG包
25、含系统信息和系统错误信息包含系统信息和系统错误信息ROD.MASTE数据库运行总辞典数据库运行总辞典MSC/NASTRANMSC/NASTRAN输出文件包括输出文件包括无重起动，无重起动， MASTERMASTER和和DBALLDBALL文件在作业完成后自动清除文件在作业完成后自动清除49动力分析概述F06F06文件部分结果文件部分结果 50动力分析概述MSC/NASTRANMSC/NASTRAN输入数据输入数据 数据数据单位单位MSC/NASTRANMSC/NASTRAN对物理单位无限制对物理单位无限制用户在形成有限元模型时使用一致性单位制用户在形成有限元模型时使用一致性单位制 量量英制英制
26、SI输入量：输入量：结点坐标结点坐标英寸英寸米米弹性模量弹性模量磅磅/英寸英寸2牛顿牛顿/米米2作用力矩作用力矩英寸磅英寸磅牛顿米牛顿米作用力作用力磅磅牛顿牛顿质量质量磅秒磅秒2 2/ /英寸英寸千克千克时间时间秒秒秒秒输出量：输出量：位移位移英寸英寸米米应力应力磅磅/英寸英寸2牛顿牛顿/米米251动力分析概述输入数据格式输入数据格式 实数、整数和符号输入数据实数、整数和符号输入数据MSC/NASTRAN有三种可能数据 整数、实数和字符整数、实数和字符( (也称文字型、或也称文字型、或BCD) BCD) 整数整数不能包含小数点不能包含小数点实数实数必须包含小数点必须包含小数点字符字符以字母开头
27、，其长度最多为以字母开头，其长度最多为8个字母个字母实数可用多种形式输入，如，实数可用多种形式输入，如，“7 7”可采用如下形式输入可采用如下形式输入 52动力分析概述自由域、小域与大域格式 (1) MSC/NASTRAN (1) MSC/NASTRAN 三种输入数据格式三种输入数据格式 自由域格式自由域格式 输入数据字域是用输入数据字域是用逗号逗号分开分开小域格式小域格式共十个字域，每个字域有八个字符共十个字域，每个字域有八个字符大域格式大域格式 十个字域，每个字域包含十个字域，每个字域包含1616个字符个字符(2) NASTRAN(2) NASTRAN语句、文件管理段、执行控制段、情况控制
28、段用自由格式语句、文件管理段、执行控制段、情况控制段用自由格式 (3) (3) 模型数据段用三种格式中任何一种模型数据段用三种格式中任何一种 (4) NASTRAN (4) NASTRAN 模型数据段每一个输入数据记录模型数据段每一个输入数据记录( (卡卡) )包含十个字域包含十个字域 (5) (5) 第第一一个个字字域域填填入入该该模模型型数数据据卡卡的的特特征征名名( (如如GRID,CBAR,MAT1,GRID,CBAR,MAT1,等等等等) )4 4） 第第二二字字域域至至第第九九字字域域包包含含模模型型数数据据记记录录( (卡卡) )的的数数据据输输入入信信息息 第十字域不填数据，为
29、继续信息记录第十字域不填数据，为继续信息记录( (卡卡) )预备预备53动力分析概述典型典型NASTRANNASTRAN模型数据记录格式，模型数据记录格式，GRIDGRID记录记录( (卡卡) ) 54动力分析概述自由域格式自由域格式自自由由域域格格式式必必须须从从第第一一列列开开始始填填数数据；据； 跳过字域，用逗号实现跳过字域，用逗号实现 整数和字符字域不能超过八个字符整数和字符字域不能超过八个字符 由域数据不能包含嵌入的空格。由域数据不能包含嵌入的空格。55动力分析概述小域格式小域格式第第1 1字域和第字域和第1010字域必须是左对齐字域必须是左对齐 第第2 2字域至第字域至第9 9字域无需左或右对齐字域无需左或右对齐 小域输入数据不能包含任何嵌入空格小域输入数据不能包含任何嵌入空格 56动力分析概述大域格式大域格式要求高数字精度，采用大域格式要求高数字精度，采用大域格式 大域格式表示的每个记录只少有两行大域格式表示的每个记录只少有两行 57动力分析概述继续卡继续卡模型数据记录多于八个字域的数据，需要继续卡模型数据记录多于八个字域的数据，需要继续卡如：简单梁性质卡如：简单梁性质卡PBARPBAR： 输入输入(.DAT)(.DAT)文件文件58动力分析概述59动力分析概述
