新一代船舶CAE仿真平台MD Nastran
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MD_Nastran
MD Nastran全球功能最强、应用最广的多学科仿真平台在今天多样化激烈竞争的市场环境中，企业需要在最短的时间内设计和验证产品性能，将最好的产品以最快的速度投放市场。
企业设计研发部门所使用的传统的工程分析方法是利用点分析工具，近似地模拟产品在现实环境中的行为，但是通常情况下，产品的性能总是受到多种物理环境的同时影响，用户使用单一分析工具往往不能准确充分地模拟产品的真实性能。
为了解决这个问题，进一步提升产品的竞争力，从而使企业更好的适应市场需求，MSC 推出了多学科（MD ）分析技术，大大减少仿真分析与实际工作环境之间的差距，确保准确模拟真实的世界，MD 技术是MSC.Software 公司企业级解决方案的核心和基础，MSC.Software 的企业仿真方案使用详细的数字产品模型模拟并验证产品各个方面的性能、制定和跟踪严格的设计目标、沟通协调产品开发，从而使产品创新和质量提高到一个最具竞争力的新水平。
一. 什么是MD NastranNastran 是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration ，简称NASA ，又称美国宇航局）为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。
这个系统称为NASA Structural Analysis System ，命名为Nastran 。
20世纪60年代初，美国宇航局为登月需要，决定使用有限元法开发大型结构分析系统，并能在当时所有大型计算机上运行。
MacNeal-Scherndler Corporation （即MSC公司）是开发小组主要成员。
Nastran 程序最早在1969年通过COSMIC （Computer Software Management and Information Center ）对外发行，一般称为COSMIC.Nastran 。
之后又有各种版本的Nastran 程序发行，其中以MSC 公司所开发的MSC.Nastran 程序用户最为广泛。
CAE软件对比
Femap with NX Nastran 是一个 基于 Windows 平台开发的有 限元分析环境 ，易于学习， 能够缩短工程 师的学习时 间； Femap 的前处 理功能比较强 大，易于划分 网格； Femap with NX
Nastran 集成许多 解算器可以用 NX nastran 和 Adina 进行非线性问题
• 通过应用编成接口（API） ，Femap能够与外部程序结合，在某种意义上就是由 用户完全定制。 3.其他 CAE 软件优缺点介绍 Femap with NX 软件名称 优势 弱势 Nastran 的完美 解决方案 MSC Nastran MSC Nastran 的是世 在 MSC，Patran 已经 Femap with NX 界上使用最广泛的 停止研发； Nastran 的研发 有限元分析（FEA） 用户现在的维护费 团队与时俱 求解器。 当涉及到模 没有任何价值； 进，不断研发 拟压力，动力，还是 没有新的功能的计 软件，升级功 现实世界的震动以 划； 能，为客户提 及复杂的系统时， 错误修订的危害 – 供更强大的有 MSC Nastran 仍然是 很多 Bug 并且不稳 限元软件，解 目前世界上最好的 定； 决更多的工程 和最值得信赖的软 MSC 几年前就请客 问题； 件。今天，有限元求 户使用他们其他的 Femap 是一个 解器是可靠和准确 产品； 基于 Windows 的， 足以通过 FAA 和 架构很老， 需要替换 平台开发的有 其他监管机构的认 （只支持 32 位计算 限元分析环境 证， 所以零件到复杂 机） ； ，易于学习； 装配的制造商都选 界面陈旧过时； （注：与 Femap with NX Nastran 择了有限元求解器。 MSC 通过持续的重 （注：与 Femap with 新包装来提升价格； 是同出一个源代
MSC.Nastran ACMS模块在汽车仿真分析中的应用
MSC.Nastran ACMS模块在汽车仿真分析中的应用屈晓峰，方华，韩坤，李保国（北汽集团越野车研究院北京，101300）[摘要]我公司采购了MSC.Nastran2013软件，采购前进行了软件测试，关注新版本软件计算精度及计算时间成本。
根据公司主流业务内容，测试了整备车身模态和频率响应传递函数计算。
通过软件测试，证明MSC.Nastran2013满足分析精度与效率要求，满足工程需求。
关键词: NVH，CAE，高性能计算，The Application of the MSC.Nastran ACMSin the Simulation Analysis ofVehicleQuxiaofeng, Fanghua, Hankun, LibaoguoBAIC GROUP OFF-ROAD VEHICLE R&D[Abstract] Before purchasing MSC.Nastran2013, the trimmed body mode and the frequency response function were resolved to ensure the calculation accuracy and the efficiency of the software. Finally, it is shown that the MSC.Nastran2013 met our request of project.Key words: NVH, CAE, HPC1 MSC.Nastran加速模块介绍MSC公司于2013年底推出了Nastran新版本：MSC.Nastran2013.1。
新版本除了增加嵌入式疲劳解算器等开创性功能，以及对上一个版本中的疲劳寿命和孔隙材料建模的优化，还加强了其计算性能，进一步提升了速度，降低产品开发计算时间成本。
MSC.Nastran2013主要采用了如下技术提高计算效率：1）MSC.Nastran共享内存并行计算，Shared Memory Parallel（SMP）。
MSC_Nastran
MSC.Nastran 介绍全球功能最强、应用最为广泛的有限元分析软件MSC.Software 公司自 1963 年开始从事计算机辅助工程领域 CAE 产品的开发和研究。
在 1966 年，美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求， 招标开发大型有限元应用程序，MSC.Software 一举中标，负责了整个 NASTRAN 的开发过程。
经过 40 多年的发展，MSC.Nastran 已成为 MSC 倡导的虚拟产品开发(VPD)整体环境最主要的 核心产品， MSC.Nastran 与 MSC 的全系列 CAE 软件进行了有机的集成， 为用户提供功能全面、 多学科集成的 VPD 解决方案。
MSC.Nastran 是 MSC.Software 公司的旗舰产品，经过 40 余年的发展，用户从最初的航 空航天领域，逐步发展到国防、汽车、造船、机械制造、兵器、铁道、电子、石化、能源材 料工程、科研教育等各个领域，成为用户群最多、应用最为广泛的有限元分析软件。
MSC.Nastran 的开发环境通过了 ISO9001:2000 的论证， MSC.Nastran 始终作为美国联邦 航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件。
在中国，MSC 的 MCAE 产品作为与压力 容器 JB4732-95 标准相适应的设计分析软件， 全面通过了全国压力容器标准化技术委员会的 严格考核认证。
另外，MSC.Nastran 是中国船级社指定的船舶分析验证软件。
赛车部件分析ISO9001:2000 论证通过证书一．MSC.Nastran 的特色极高的软件可靠性，经过无数工程问题的验证 独特的结构动力学分析技术 完整的非线性求解技术 高效率的大型工程问题求解能力 – ACMS 方法 针对大型问题的优化技术和设计灵敏度分析技术 高度灵活的开放式结构，功能独特的用户化开发工具 DMAP 语言 独特的空气动力弹性及颤振分析技术1独特的多级超单元技术，支持 MSC.Nastran 所有的分析类型 作为工业标准的输入/输出格式 高效的分布式并行计算二．MSC.Nastran 的分析功能1．静力分析MSC.Nastran 的静力分析功能支持全范围的材料模式,包括：均质各向同性材料、正交 各项异性材料、各项异性材料和随温度变化的材料等。
西门子仿真数据与流程管理平台介绍
Are there standard parameter and criteria definitons leveraged to develop the model for analysis?
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特定的CAE数据模型与关联关系
一个普通例子
CAEGeometry
CAEModel
CAD Item
What can be reused?
Solid
Mid-surfaced Simplified for Analysis Reuse instead of Redo
Page 6
系统挑战
“不同的流程和工具” ▪ 不同的过程，不同类型的分析，以及不同的应用 ▪ 无缝整合和捕捉不增加太多开销的分析数据是一个挑战 ▪ 重复性问题 ▪ 失去的知识和过程知识
TC_CAE_Results relationship:
什么CAE结果T拥C有_C进AE行_ICnAcElu分d析e r的el结at果io，ns包h括ip: 对结果的解释？
What other CAEAnalysis objects hold segments of the analysis definition?
Page 2
仿真数据与过程管理的驱动力
▪ 不断增加的产品复杂度 ▪ 越来越多的产品种类和配置 ▪ 全球分散的团队更大的协同需求 ▪ 对仿真的依赖越来越多 ▪ 更大的多样性和复杂性仿真 ▪ 大量的仿真数据
仿真数据与过程控制尤为重要
Page 3
业务挑战
“产品开发低效” ▪ 分析师花了大量的时间在寻找资料和向他人提供数据。 ▪ 可追溯性和谱系缺乏。 ▪ 大量数据
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Reporting & Analytics
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特定的CAE数据模型与关联关系
一个普通例子
CAEGeometry
CAEModel
CAD Item
What can be reused?
Solid
Mid-surfaced Simplified for Analysis Reuse instead of Redo
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系统挑战
“不同的流程和工具” ▪ 不同的过程，不同类型的分析，以及不同的应用 ▪ 无缝整合和捕捉不增加太多开销的分析数据是一个挑战 ▪ 重复性问题 ▪ 失去的知识和过程知识
TC_CAE_Results relationship:
什么CAE结果T拥C有_C进AE行_ICnAcElu分d析e r的el结at果io，ns包h括ip: 对结果的解释？
What other CAEAnalysis objects hold segments of the analysis definition?
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仿真数据与过程管理的驱动力
▪ 不断增加的产品复杂度 ▪ 越来越多的产品种类和配置 ▪ 全球分散的团队更大的协同需求 ▪ 对仿真的依赖越来越多 ▪ 更大的多样性和复杂性仿真 ▪ 大量的仿真数据
仿真数据与过程控制尤为重要
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业务挑战
“产品开发低效” ▪ 分析师花了大量的时间在寻找资料和向他人提供数据。 ▪ 可追溯性和谱系缺乏。 ▪ 大量数据
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Reporting & Analytics
MSC.Nastran软件介绍(详尽版)
作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件, MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项,MSC.NASTRAN的主要功能模块有: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、超单元分析模块、气动弹性分析模块、 DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。
除模块化外, MSC.NASTRAN还按解题规模分成10,000节点到无限节点,用户引进时可根据自身的经费状况和功能需求灵活地选择不同的模块和不同的解题规模, 以最小的经济投入取得最大效益。
MSC.NASTRAN及MSC的相关产品拥有统一的数据库管理,一旦用户需要可方便地进行模块或解题规模扩充, 不必有任何其它的担心。
MSC.NASTRAN以每年一个小版本, 每两年一个大版本的速度更新, 用户可不断获得当今CAE发展的最新技术用于其产品设计。
目前MSC.NASTRAN的最新版本是1999年发布的V70.5版。
新版本中无论在设计优化、 P单元、热传导、非线性还是在数值算法、性能、文档手册等方面均有大幅度的改进或突出的新增功能。
以下将就MSC.NASTRAN不同的分析方法、加载方式、数据类型或新增的一些功能做进一步的介绍:⒈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/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等)作用下的响应, 并得出所需的节点位移、节点力、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。
该分析同时还提供结构的重量和重心数据。
MSC.NASTRAN支持全范围的材料模式,包括: 均质各项同性材料,正交各项异性材料, 各项异性材料,随温度变化的材料。
方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、,热载荷、强迫位移,各种载荷的加权组合，在前后处理程序MSC.PATRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。
MSC.Nastran与NX.Nastran的比较
NX Femap 只支持windows 可以处理简单的几何模型，对于复杂模型和装配体模 型，读入时速度慢，且容易丢失数据信息。不支持参 数化建模，模型编辑困难 自动网格划分功能一般，质量不可靠，影响求解精度
网格自动划分功能
单元类型
提供丰富的单元库，以满足不同计算需求。同一种类 单元库不够丰富 型的单元，也有多种选择以满足不同求解问题的需要 。比如三角形单元有3节点，4节点，6节点，7节点，9 节点，13节点 连接的处理繁琐，非常耗时 不能直接驱动CAD几何模型的更新，需要导入到专门的 CAD软件中更新设计 不是真正的Window风格，界面比较清晰，但是没有分 析导航器，做分析时要在不同的菜单中找操作按钮
至少需要两周才能初步掌握 在图形界面中只可以完成超单元的划分，求解需要手 工编写求解输入文件 完全支持所有Nastran的求解参数卡片，在完全图形界 对Nastran卡片的支持不完整，有很多卡片需要手工编 面中就可以完成参数的设置 写，需要工程师对编写格式十分清楚，还需要查帮助 文档 螺栓建模复杂，繁琐，不方便施加预紧力 NX.Nastran 没有上亿自由度模型计算的经历
集成的非线性求解器Adina 不支持SOL700并行求解 在Windows平台下只支持SMP并行计算。虽然在Linux系 统下支持SMP和DMP并行计算，但由于其前后处理器 Femap不支持Linux系统，所以需要手工提交计算，手 工下载求解结果文件，十分繁琐
刚柔耦合分析功能
疲劳分析
联合联合仿真。由于是同一公 NX公司旗下没有动力学软件，需要与其他公司的动力 司的产品，数据间接口良好，免去数据转换的麻烦， 学软件联合，才能做刚柔耦合分析，需要导入导出数 避免数据转换过程中丢失 据，容易出现数据丢失 可与MSC.Fatigue直接进行产品的疲劳寿命分析。由于 NX公司旗下没有疲劳分析软件，需要与其他公司的疲 是同一公司的产品，数据间接口良好，免去数据转换 劳分析软件联合，才能做疲劳分析，需要导入导出数 的麻烦，避免数据转换过程中丢失 据，容易出现数据丢失 MSC.Patran+MD.Nastran+MD.ADAMS+MSC.Fatigue可 NX公司没有系列产品，联合仿真能力十分弱 以完成联合仿真（静力学，运动学，动力学，疲劳性 能），并且这四款软件都是MSC公司旗下的产品，软件 间的接口良好，联合仿真流程清晰 国内外航空航天行业的公司100%在用我们的产品，汽 NX涉足CAE行业不足10年，积累的客户少，软件的实 车，船舶行业的大公司90%在用我们的产品。应用40多 用性还没得到认可 年来，由于其实用和易用性得到广泛的认可，越来越 多的企业成为我们的用户 MSC公司在中国有4个办事处、1个工程咨询中心、1个 技术支持中心，资深技术工程师60多人 MSC公司在中国每个月都有针对旗下不同软件、不同 人员的初级、高级培训计划。另外，还可以到客户处 进行专门培训 在中国没有工程咨询中心和技术支持中心，技术支持 工程师不到5人 培训计划不多，买了软件后，还要缴纳培训费用才给 培训。经常由于报名人数不足而随意取消培训计划
新一代船舶CAE仿真平台MD Nastran
ｉ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｉ ｔ ａ ｐ ｉ ｔ ｎ ＣＡＥ ｏ ｈ ｐ ｕ ｌ ｉｇ ｉｄ ｓｒ ． ＭＤ ａ ｔ ｎ ｏｆｒ ｉ ｇｅ，ｃ ｍｍｏ ｎ ｌｓｓ ｄ ｔ ｄ ｌ ｌ ｎ ｔ ｇ ｔ ｅ ｓ ｃ ｏ ｆｓ ｉｂ ｉ ｎ ｎ ｕ ｔｙ ｄ Ｎ ｓｒ ｆ ｓ ａ ｓｎ ｌ ａ ｅ ｏ ｎ ａ ａｙ ｉ ａ ａ ｍｏ ｅ ，ｅｉ ａｉ ｈ ｍｉ ｎ
ａ ｄ ｃ ｒ ａ ｓｅｒｎ ｏ ｖ ｎ ｉｎ ｈ ｐ ｕｌ ｉｇ Ｃ ｏ ｔ ｅ ｅ ｔｒ ｒ ｅ ｓｍｕ ａｉｎ ａ ｄ ｍａ ａ ｅ ｎ ． ｎ ｏ ｅ ｏ ｔ ｎ ｆ ｒｉ ｇｃ ｎ ｅ ｔ ａ ｓ ｉｂ ｉ ｎ ＡＥ ｔ ｈ ｎ ｅｐ ｉ ｉ ｌｔｏ ｎ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｆ ｒ ｏｌ ｄ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ｕｅ ｏｔ ａ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ：ｃ ｍｐ ｔ ｒｓ ｆ ｒ ：Ｃ ｗ ＡＥ；ｓｍｕ ａｉｎ ｐ ａ ｏ ｍ ；ｍｕ ｄ ｓ ｉ ｌ ｅ ａ ｐ ｉａｉｎ ｉ ｌｔ ｌｔ ｒ ｏ ｆ ｈｉｉｃｐ ｉ ｐ ｌ ｔ ｎ ｃ ｏ
Ｎ ｓａ ａｔ ｎ的深入 开发 已历 经 ６年 ， ｒ 一方 面通 过 战 略收
业。中国船舶工业虽然发展很快 ， 和第一造船大 但 国相 比还有很 大 差距 ， 目前 面 临 的最 大 问题 就 是 中
国造船 企 业 的设 计 周 期 比其 他 发 达 国家 要 长 。近 １ 来 ， 国船 舶 制 造 行 业 Ｃ ０年 中 ＡＤ 的 自动 化 程 度 已
１ 引 言
船 舶工 业是 一 个 涉 及 学科 面广 、 业 复 杂 的工 专
效 的增 强 ， 后是 融 人一 流 的隐式 非线 性 、 然 显式 非线 件、 多体 动力 学 和声 学 分 析 。 Ｍ ａｔｎ对 物 理 现 Ｄ Ｎ ｓａ ｒ 象 的连 续统 一 性 给 出 了 目前 最 为精 准 的批 述 。ＭＤ
绝对自己整理!!MRC之patran、nastran、adams介绍
MSC 篇一PATRANPatran是世界上使用最广泛的有限元分析（FEA）预/后处理软件，能够提供实体建模，网格划分，以及为MSC Nastran，Marc, Abaqus, LS-DYNA, ANSYS,和Pam-Crash提供分析设置。
负责创建和分析仿真原型的设计师，工程师和CAE分析师面临着大量的乏味的和耗费时间的任务。
其中包括CAD几何转换，几何清理，手动网格划分过程，装配连接定义，以及为准备工作编辑输入文件，从而进行分析。
预处理仍然被认为是CAE技术最耗费时间的方面，最多能耗费用户时间的60％。
把结果组合成同事和管理人员可以共享的报告，仍然是一个劳动力非常密集，而且乏味的工作。
Patran提供了丰富的工具，能够简化线性，非线性，显式动态方法，热求解器，以及其他有限元求解器的分析。
Patran提供的几何清理工具能够使工程师可以轻松处理CAD中的缝隙和裂片，实体建模工具能够从头创建模型，从而Patran 使得任何人都可以创建有限元模型。
使用全自动网格划分系统可以很容易在平面和立体上创建网格划分（包括十六网格网格划分），手工方法能够提供更多的控制权，或者两者的组合。
最后，最流行的有限元求解器的荷载，边界条件和分析设置是内置的，能够最大限度地减少输入文件的编辑。
Patran的综合性和行业测试功能可以确保您的仿真原型创造可以快速提供结果，以便使您可以根据需求进行产品性能评估和优化您的设计。
功能包括:1、高效有限元几何模型创建工具Patran除了包含生成有限元几何模型的直接CAD存储功能之外，还包含一套高级的有限元几何模型创建工具。
Patran的有限元模拟系统允许用户直接存取几何模型，并迅速开发平面和立体的有限元网格。
通过直接存取，几何仍然保持原来的格式的完整，没有进行任何翻译或修改而直接导入到Patran数据库中。
同时还提供多种工业标准的几何交换格式支持。
几个CAD系统和交换格式有直接输入CAD参数化实体的选项。
MSCNastran在汽车NVHCAE分析用应用
载荷：
载荷：
F1=F2=1000N，垂直加载作用在如图所示点。F1=1000N,F2=-1000N, 垂直加载作用在2#mount点。
测量点： 加载点
测量点： 2#mount
接头刚度分析
整车NVHCAE分析
XYZ
XYZ
边界条件：
F
沿X、Y、Z分别 加载500N
接头处往外延伸250mm截取，得到计算模型。
轮胎 副车架
包含（ √ ） √ √ √ √ √ √ √
整车NVHCAE建模
动力系统：采用带有质量和转动惯量属性的 刚体模型。
转向系统
整车NVHCAE分析
白车身模态分析 白车身弯、扭刚度分析 接头刚度分析 转向系统、座椅、声腔及其他各子系统模态分析 TrimmedBody模态分析 TrimmedBody PointMobility分析 TrimmedBody FRF分析 TrimmedBody NTF分析 （声灵敏度分析） 整车模态分析 整车怠速振动、噪声分析 传动轴不平衡分析 轮胎不平衡分析 路面噪声分析 冲击条响应分析 动力总成悬置设计优化
某款车模型 某声腔模型
整车NVHCAE建模
整车模型 白车身 开闭件 玻璃 声腔 座椅 底盘 Trim
包含（ √ ） √ √ √ √ √ √ √
整车NVHCAE建模
底盘模型
轮胎：线性轮胎只能用于50Hz以内模态分析； 模态轮胎可用于50-150Hz以内模态分析。
底盘模型 动力系统 排气系统 转向系统 传动系统 前后悬架
F2 XYZ XZ
Z Z
F1 Z
XYZ XZ
F2
某SUV白车身弯曲刚度边界条件 弯曲刚度约束条件： 2#mount点约束Z向移动自由度。 4#mount点左侧约束XZ向移动自由度， 右侧约束XYZ向移动自由度
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新一代船舶CAE仿真平台MD Nastran
1 引言
船舶工业是一个涉及学科面广、专业复杂的工业。
中国船舶工业虽然发展很快,但和第一造船大国相比还有很大差距,目前面临的最大问题就是中国造船企业的设计周期比其他发达国家要长。
近10年来,中国船舶制造行业CAD的自动化程度已经相当高,CAE也已经成为大型船舶制造企业的必备工具,这是中国船舶业近几年来突飞猛进的重要原因之一,数字化造船的理念已经成为造船领域的趋势。
但是传统的CAE一直停留在单点式的分析模式上,要缩短产品的设计周期,现在关键是如何提高CAE仿真的效率,如何将单点式变成一体化,实现单一的数据模型完成多学科仿真。
2 MD Nastran简介
MSC. Software公司推出的MD Nastran就是在这样的需求之上开发的。
MD Nastran将一流的技水平台Nastran、Marc、Dytran、LS-Dyna,以及Actran软件的无限元技术集成到一个企业级的多学科仿真方案中。
MD Nastran多学科仿真从2001年开始有很大的拓展,首先对传统的静力学和动力学进行了有效的增强,然后是融入一流的隐式非线性、显式非线件、多体动力学和声学分析。
MD Nastran 对物理现象的连续统一性给出了目前最为精准的批述。
MDNastran的深入开发已历经6年,一方面通过战略收购,将Adams运动学/动力学、Marc非线性技术融入其中。
另一方面通过战略合作,把LS-Dyna的高度瞬态非线性嵌入Nastran增强碰撞功能,把Actran的无限单元技术引入Nastran实现内外声场仿真的能力,后续还将把Star-CD技术集成进来以进一步增强流-固耦合的功能。
利用第三方软件MpCCI,MD Nastran还可实现与其它流体软件之间的相互耦合。
3 MD Nastran在CAE的优势
3.1 公共的数据模型
船舶行业已经使用的CAE软件很多,但由于各自平台的差异,需要分散建立各学科的CAE模型。
相比将多个独立的仿真工具捆绑在一起分析的方法,MD Nastran可以减少50%的仿真时间,这主要是因为用户可以工作在一个公共的数据模型上来完成各类仿真。
由于基于系统级的公共模型同时对多个学科的物理工程进行了表述,因此MDNastran允许所有的设计人员从通用的模型中调用数据。
但这并不意味着所有学科都用完全一样的模型,而是能够从一个模型中提取出所需的载荷和约束来完成各类仿真。
MD Nastran根据相互耦合影响的学科类型来决定分析是同时的、集成的、交叉的还是松散的耦合。
包含运动、FEA和CFD的系统级模型有着广泛的多学科代表性。
例如,整船在波浪载荷下的流体、运动,以及结构强度、振动、噪声的分析都可以基于公共的数据模型来完成。
3.2 多学科仿真
模拟高性能船,如穿浪船、气垫船、地效翼船等的航行,都是需要多学科仿真的很好实例,模拟的困难在于多学科之间的交互耦合作用。
借助目前的前后处理器、计算力量和自动运行能力,对于单个学科专家仍然要通过许多离散的分析步骤来手工模拟仿真学科之间的复杂交互作用,这样必然会带来信息传输的丢失,降低模拟的精度。
手工传递计算信息,或者将运动的信息作为静态的信息来施加到
系统中,这个过程可重复性差,人为错误也难以避免。
而MD Nastran能将学科之间的数据与信息传递变得动态实时,它们将处在一个开放的统一的循环环境中。
无论是线性、非线性、运动、CFD,还是显式非线性动力学,MD Nastran允许多学科在求解器内核上集成仿真,而不是仅仅简单地相互之间连接。
它已完全超越传统的多物理场系统,将多种学科深层次的链接/集成。
这样,在船舶尤其是新船型、高附加值船型设计的早期就能实现各设计层面的联合工作。
有限元分析和CFD之间的集成,也具有同样的效果。
3.3 高性能计算
MD Nastran第一个真正将软件移植到IPL-64系统,消除了以往的仿真工具对物理内存利用能力的限制。
MD Nastran可以使用近乎无限大的物理内存,大幅度提高了计算效率。
MD Nastran运行性能针对64位的超级计算机平台进行了专门的优化,极其复杂并极其巨大的模型仍可以通过多个64位处理器并行计算而得以仿真。
正因为支持了64位运算(ILP)和SMP/DMP并行,才能使船舶CAE能够完成更多的工作。
例如,在进行远距离水下爆炸分析时,即使没有USA接口,也可以在能够接受的时间内完成冲击波的传递计算。
4 MD Nastran在船舶CAE中的成功应用
船舶CAE在经过了多年使用之后,目前各单位、各部门都急需统一CAE平台,MD正是体现这一价值的平台。
涉及的问题主要有以下方面:
(1)结构静强度、刚度、振动、优化以及在复合材料领域的研究和应用,这些问题在传统的Nastra中就可以实现,并且计算精度高。
而MD Nastran包含了原有的Nastran的所有功能,而且还进一步拓展了计算规模和计算效率,在功能上比原来的Nastran有更多、更新的内容。
比如模型的装配定义和复合材料的研究方面,MD Nastran新增加的缝焊单元(CSEAM)可以模拟焊缝,并且可以连接高阶板壳单元,这在原有点焊单元和连接单元的基础上进一步增强了模型装配的功能。
MD Nastran的CBEAM3单元,适用于自定义截面形状的复合材料梁,使用渐变法(V AM)计算梁的截面特性。
对于细长的复合材料结构,用这种单元同样可以模拟空间的铺层特性。
(2)结构非线性分析、失稳和失效分析,多物理场耦合,诸如修船和改装船时考虑的残余应力,全船的电磁场分析等,这些问题用MD Nastran中的So1400和So1600就可以实现仿真。
So1400增强了Nastran原有非线性求解的功能,可以进行非线性接触模型的定义,具有非线性单元及材料。
而且最为引人注目的是,MD Nastran新增的线性接触可以很方便地转换到S1400中进行非线性求解,不需要重新定义接触,MD Nastran的接触可以方便地根据客户的需求定义为线性接触、非线性接触或是粘结(Glue)。
So1600则集成了Mare高度非线性、多物理场、加工成型、高级热分析和材料断裂力学的功能。
这两大求解序列对于有效计算船舶的非线性问题,尤其是非线性屈曲,还有船用发动机的热机耦合和高度非线性问题提供了专业的CAE工具。
例如美国NAVSEA就是用MD Nastran的非线性功能模拟维修舰艇的预变形和预应力状态。
(3)船舶的碰撞、搁浅、晃荡、水下爆炸等显式非线性问题完全可以使用MD Nastran的So1700进行求解。
So1700就是Dytran和LS-Dyna,这两个软件一直以来在非线性瞬态动力学领域都是主流产品,尤其在以往的船舶CAE分析中也有非常成功的范例,比如船船碰撞、船桥碰撞分析、晃荡分析等,而现在完全集成于MD Nastran的平台下,不需要重复建立模型,缩短CAE仿真的周期。
(4)舰艇和豪华游船的减振降噪问题,这在以往的单点式CAE分析流程中处理非常复杂,很多声学软件都需要CAE分析者在结构振动计算完成后进行大量的数据处理,才能进行后续的噪声分析。
MD Nastran R2版本加入MSC.Actran的无限元技术,这样就可以在MD Nastran中实现内外噪声的分析,而无须更换分析平台,省去了繁冗的手工数据处理,也方便了CAE分析。
同时,针对大规模的外噪声计算,MD Nastran在数值算法上新增加了UMF-PACK(unsymmetric)求解器。
(5)船舶领域越来越多地涉及到多体运动和控制方面的分析需求,比如船舶海洋结构物等的运动和操控性能的分析。
MD Nastran的开发正是考虑了跨越多学科的需求,同时兼容了多体动力学和控制分析的MD Adams,所以它是真正意义上的多学科仿真平台。
(6)船舶CAE分析还有一个重要的学科就是计算流体力学及流固耦合。
MD Nastran通过战略合作,利用第三方软件MpCCI,实现和流体软件之间的真正意义上的流固耦合分析,而不是简单地将CFD分析的数据通过手工传递给FEA进行结构分析。
后续MD Nastran还会将Star-CD技术集成进来,进一步增强MD Nastran 在CFD领域的功能。
MD就是把这种单点式的分析统一到一个平台上,用“单一船模型”来实现不同学科的CAE仿真,
从而缩短船舶CAE分析的周期,加速设计流程的实施,最后实现和造船发达国家相同甚至更短造船周期的目标。
5 结束语
MD产品是应客户的需求而开发的,船舶制造业同样也有这种统一CAE数据模型的发展趋势,而MD Nastran广泛的多学科仿真功能就允许船舶行业的用户可以准确分析一系列多学科耦合问题,对船舶的性能有一个准确、快速的预测。
MD Nas-tran还能减少在单点求解环境中的数据储备量,也就减少了研发成本。
CAE 发展的方向是实现从管理到流程再到分析的统一平台,而MD Nastran作为核心的求解软件,首先实现了CAE分析工具的统一,这对于船舶行业日后实现CAE企业级管理奠定了基础。