MSC Nastran动力分析指南

本书编者从事有限元分析应用多年，具有丰富的FEA软件使用经验

本书从讲解MSC.Nastran动力学分析基础理论入手，详细讲解MSC.Nastran在动力学分析方面的基本功能和应用方法

本书结合实际提供大量的MSC.Nastran典型应用实例，可以帮助读者在最短的时间内系统掌握MSC.Nastran的使用方法与基本技巧，并进一步学以致用

本书可以作为汽车、航空航天、军工、电子、土木工程、造船、水利、石油、制造和建筑等行业工程技术人员应用MSC.Nastran软件进行仿真分析的基础教程

近年来，有限元仿真分析在工程领域中的应用得到了很大发展，各大理工科院校、研究机构都开展了对有限元分析方法的深入研究。Nastran解算器是当今最为著名的有限元求解程序，拥有最为广泛的用户群，其输入输出格式及计算结果已成为当前CAE界的工业标准。但当今市场上针对该部分内容的书并不是很多，为了便于广大用户更好地掌握和使用MSC Nastran，本书将针对MSC Nastran在动力学分析方面的仿真应用做详细介绍。

本书主要从讲解MSC Nastran动力学分析基础理论入手，详细讲述MSC Nastran在动力学分析方面的基本功能和应用方法。内容包括动力学分析方法及Nastran基本功能介绍，模态分析，频率响应分析，瞬态响应分析，响应谱与随机响应分析，复特征值分析，使用超单元算法的正则模态分析，动力学建模选项，非线性正则模态，动力优化设计，试验－分析的相关性，动力学设计分析方法DDAM，噪声分析，非线性求解序列SOL 400、隐式非线性求解序列SOL 600、显式非线性求解序列SOL 700的基本理论、求解方法及其在动力学分析中的应用。本书中有大量的Nastran应用实例，读者可以在最短的时间内掌握Nastran的应用特点，并学以致用。本书可以作为汽车、航空航天、军工、电子、土木工程、造船、水利、石油、制造和建筑等行业工程技术人员应用Nastran软件进行仿真分析的基础教程。

MSC Nastran功能强大应用广泛，并且有很多的前后处理器可供用户选择。本书编者从事有限元分析应用多年，有丰富的FEA软件使用经验。本书从动力学基础理论着手，详细讲解了MSC Nastran在动力学分析方面的基本使用方法和流程，并结合实际，给出了许多典型例题及说明。通读本书，可以帮助初学者系统掌握MSC Nastran的使用方法和基本技巧，并进一步学以致用。由于书中理论部分多以Nastran卡片介绍为主，所以建议读者在学习本书之前先要了解一些Nastran的基础应用知识，如果遇到难以理解的部分可以参考软件中的“MSC Nastran快速帮助手册”。

在本书的编写过程中，得到了MSC.Software中国各办事处的很多同志的大力支持，编者借此机会对Nastran资深工程师陈火红、仰莼雯、刘北南、姜正旭在书籍编写过程中给与的指导和建议表示感谢，并对北京办事处孙丹丹、李道中、陈志伟、李保国以及市场部经理张健女士和IT部门主管王彬先生在编书过程给与的各种协助深表谢意。

由于编者水平有限，书中缺点和错误在所难免，敬请读者批评指正。

作者

2012年1月于北京

第1章 动力学分析方法及Nastran基本使用介绍 1
1.1 有限元分析方法介绍 1
1.1.1 有限单元法的基本思路 2
1.1.2 有限元法的计算步骤 3
1.1.3 有限元法的进展与应用 5
1.2 动力学分析概述 6
1.2.1 动力分析过程浏览 6
1.2.2 单自由度系统 7
1.2.3 单自由度系统无阻尼自由振动 8
1.2.4 单自由度系统有阻尼自由振动 9
1.2.5 单自由度系统无阻尼简谐振动 10
1.2.6 单自由度系统有阻尼简谐振动 11
1.2.7 多自由度系统 12
1.2.8 有限元动力学建模需要考虑的问题 13
1.3 MSC Nastran的由来 13
1.3.1 Nastran程序的起源 13
1.3.2 MSC Nastran的由来 13
1.4 MSC Nastran动力分析功能介绍 14
1.4.1 动力分析功能及特性 14
1.4.2 MSC Nastran支持的硬件平台 16
1.5 MSC Nastran基本应用流程 17
1.5.1 前处理 17
1.5.2 求解 22
1.5.3 后处理 22
1.6 动力学模型输入 23
1.6.1 MSC Nastran 输入文件结构 23
1.6.2 MSC Nastran 数据卡片格式 23
1.6.3 有限元分析手段 23
1.6.4 MSC Nastran常用单元形式 24
1.6.5 耦合质量与集中质量 25
1.6.6 MSC Nastran基本集合的运算 28
1.6.7 MSC Nastran基本集合的定义 29
1.6.8 模型检查的提示 31
第2章 模态分析 32
2.1 模态分析目的 32
2.2 模态分析理论 32
2.3 自然模态与固有频率性质 33
2.4 模态能量 34
2.5 特征值解法 34
2.5.1 跟踪法 35
2.5.2 变换法 35
2.5.3 兰索士（Lanczos）法 35
2.5.4 特征值方法的比较 35
2.5.5 Lanczos法卡片 36
2.5.6 模态分析求解控制 36
2.5.7 例子 37
2.6 动力分析的缩减 39
2.6.1 概述 39
2.6.2 MSC Nastran中使用的降阶方法 39
2.7 刚体模态 44
2.7.1 刚体模态与刚体向量 44
2.7.2 刚体模态的计算 45
2.7.3 SUPPORT（支撑）自由度的选择 46
2.7.4 SUPPORT（支撑）自由度的检验 46
2.7.5 MSC Nastran对刚体模态和刚体向量的计算 46
2.8 模态分析实例 47
第3章 频率响应分析 56
3.1 动力学分析中的矩阵组集 56
3.1.1 阻尼矩阵 56
3.1.2 直接法 58
3.1.3 模态法 59
3.2 频率响应分析 60
3.2.1 概述 60
3.2.2 直接频率响应法 61
3.2.3 模态频率响应法 61
3.2.4 激励的确定 61
3.2.5 模态频率响应与直接频率响应的比较 69
3.2.6 SORT1和SORT2输出的对比 70
3.2.7 频率响应求解控制 70
3.2.8 频变弹簧和阻尼器 71
3.3 频率响应分析实例 74
第4章 瞬态响应分析 84
4.1 直接法瞬态响应分析 84
4.1.1 过程 84
4.1.2 直接瞬态响应分析中的阻尼 85
4.2 模态法瞬态响应分析 85
4.2.1 过程 85
4.2.2 模态法瞬态响应分析中的阻尼 86
4.2.3 MSC Nastran中模态法瞬态响应分析阻尼的输入 86
4.2.4 模态法瞬态响应分析数据的提取 87
4.2.5 模态截断 87
4.3 瞬态激励 87
4.3.1 时变载荷 87
4.3.2 载荷的组合 89
4.3.3 DAREA卡 89
4.3.4 LSEQ卡片 90
4.3.5 初始条件 91
4.3.6 TSTEP卡 92
4.4 直接法瞬态响应与模态法瞬态响应比较 92
4.5 瞬态响应分析实例 93
第5章 响应谱与随机响应分析 101
5.1 强迫运动 101
5.1.1 概述 101
5.1.2 瞬态分析中的强迫运动 101
5.1.3 瞬态分析中的大质量法 101
5.1.4 瞬态分析中的大刚度法 102
5.1.5 瞬态分析中的LAGRANGE乘子法 102
5.1.6 强迫位移例子 103
5.2 响应谱 106
5.2.1 概述 106
5.2.2 响应谱求解控制 107
5.2.3 响应谱应用 108
5.2.4 求解控制 109
5.2.5 响应谱实例 110
5.3 随机响应分析 129
5.3.1 概述 129
5.3.2 自相关与自谱 130
5.3.3 各态历经性随机激励下线性系统
响应计算 130
5.3.4 MSC Nastran中随机分析的实现 132
5.4 随机响应分析实例 133
第6章 复特征值分析 143
6.1 概述 143
6.2 理论 143
6.3 MSC Nastran中实现 143
6.4 求解控制 144
6.4.1 执行控制 144
6.4.2 工况控制 144
6.4.3 数据模型 144
6.5 复特征值分析实例 144
第7章 使用超单元的正则模态分析 152
7.1 超单元的概念与定义 152
7.1.1 超单元的概念 152
7.1.2 在MSC Nastran中如何定义部件超单元 152
7.2 例题——钢的冲压 153
7.2.1 模型及参数 153
7.2.2 例题的模型定义 153
7.3 超单元应用说明 162
7.3.1 求解过程 162
7.3.2 静凝聚理论 163
7.3.3 使用超单元分析的优点 163
7.3.4 超单元分析的缺点 164
7.3.5 流程区别 164
7.4 动力分析中可用的超单元缩减方法 169
7.4.1 缩减程度对比 169
7.4.2 Guyan或静态缩减 169
7.4.3 各种缩减方法的优点 169
7.4.4 只使用静态缩减的正则模态计算 170
7.4.5 使用超单元动态缩减的正则模态计算 170
7.5 MSC Nastran的超单元输入卡片 171
7.5.1 超单元的内部广义自由度卡：SENQSET 171
7.5.2 标量点定义卡：SPOINT 171
7.5.3 广义自由度定义卡：QSET 172
7.5.4 QSET卡的替代格式：QSET1 172
7.5.5 固定分析自由度的定义卡：BSET 173
7.5.6 BSET卡的替代格式：BEST1 174
7.5.7 自由的边界自由度定义卡：CSET 175
7.5.8 CSET卡的替代格式：CSET1 175
7.6 默认的部件模态综合方法——固定边界法 176
7.7 手工求解示例 177
7.8 超单元分析实例 182
第8章 动力学建模选项 191
8.1 概述 191
8.1.1 动力分析的策略 191
8.1.2 规划分析 191
8.2 质量建模 192
8.2.1 质量的基本定义 192
8.2.2 质量数据输入选项 192
8.2.3 耦合的质量矩阵项 193
8.2.4 移动坐标系的质量效应 194
8.3 阻尼效应建模 196
8.3.1 粘性阻尼 197
8.3.2 结构阻尼 197
8.3.3 模态阻尼 198
8.3.4 非线性阻尼 199
8.4 附加点和传递函数 200
8.4.1 EPOINT集 201
8.4.2 模态变换 201
8.4.3 直接矩阵输入 202
8.4.4 传递函数 202
8.4.5 Pickups和变换器 203
8.4.6 高阶传递函数 203
8.4.7 实例 204
8.5 非线性载荷函数（NOLINi） 207
8.5.1 标准瞬态求解理论 208
8.5.2 非线性弹簧实例 208
8.5.3 依赖于速度的非线性力 209
8.5.4 非线性瞬态求解的顺序 210
8.5.5 采用NOLIN1输入时的一些建议 210
8.5.6 应用实例——旋转结构的耦合 211
8.6 动力分析模型调试 213
8.6.1 建模要点 213
8.6.2 测试动力模型 214
第9章 非线性正则模态 229
9.1 带微分刚度的正则模态 229
9.2 有预载荷结构的正则模态示例 230
9.2.1 使用SOL106计算 230
9.2.2 使用SOL103计算 236
第10章 动力优化设计 241
10.1 基本知识 241
10.1.1 优化设计的概念 241
10.1.2 优化设计的作用 241
10.1.3 MSC Nastran中“优化设计”的基本特性 241
10.1.4 MSC Nastran结构优化的优势所在 241
10.1.5 MSC Nastran支持的优化功能 242
10.1.6 基本优化问题的描述 242
10.1.7 MSC Nastran中设计优化的输入控制段 242
10.1.8 优化问题中常用的模型数据段输入卡 243
10.2 例题 243
第11章 试验－分析的相关性 258
11.1 试验－分析相关性的介绍 258
11.2 完整的试验－分析过程 258
11.2.1 试验前的规划 258
11.2.2 试验后的评估 259
11.3 模型的改进 264
11.3.1 强制的人为干预法 264
11.3.2 灵敏度矩阵法 264
11.3.3 设计优化法 265
11.3.4 应用举例 265
第12章 动力学设计分析方法DDAM 268
12.1 概述 268
12.2 理论背景 268
12.3 DDAM分析 270
12.3.1 分析流程概述 270
12.3.2 使用Patran前处理器进行
DDAM分析 270
12.3.3 应用实例 272
第13章 噪声分析 277
13.1 MSC Nastran噪声分析的理论背景 277
13.2 使用MSC Nastran进行噪声分析 277
13.2.1 噪声学基础介绍 277
13.2.2 MSC Nastran流固耦合分析 278
13.2.3 MSC Nastran外噪声分析 280
13.3 应用实例 281
13.3.1 MSC Nastran内噪声分析案例 281
13.3.2 MSC Nastran外噪声分析案例 301
第14章 高级非线性分析SOL 400 337
14.1 概述 337
14.2 非线性理论 337
14.2.1 非线性分析 337
14.2.2 非线性方程组的迭代方法 338
14.3 非线性分析的控制卡片 343
14.4 瞬态动力响应分析实例 344
第15章 隐式非线性分析SOL 600 354
15.1 概述 354
15.2 隐式非线性分析的步骤 354
15.3 钥匙扣插－拔接触模拟分析实例 355
第16章 显式非线性分析SOL 700 368
16.1 概述 368
16.2 显式积分求解算法的原理 369
16.3 侵彻分析实例 369
16.4 碰撞分析实例 384

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