下载文档原格式
装载机驾驶室翻车保护结构（ROPS）的改进装载机属于非公路车辆，其工作环境复杂，行驶路况恶劣，加之在承载运行时整车稳定性下降，因此滚翻事故经常发生，严重威胁着司机的生命安全。
同时，随着公司产品出口量的不断增加，外商对产品安全保护方面的要求越来越严格，不符合国际标准的产品不允许出口。
为了适应国际市场的要求，同时提升我公司产品的安全性能，我们在现有产品驾驶室上设计并加装了翻车保护结构（ROPS）。
目前评价ROPS的设计是否成功，主要是看其能否满足国际标准ISO3471:2008《土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》。
我公司设计的某机型ROPS在按照上述标准试验时发生破坏，未能满足国际标准要求。
由于ROPS在试验过程中结构存在大变形，材料进入塑性状态，本文以非线性有限元技术为理论基础，利用结构分析软件Nastran按照标准试验的工况对ROPS 进行了深入分析。
通过分析表明，ROPS存在设计缺陷是导致试验失败的主要原因。
根据分析结果对原ROPS进行了改进，改进后的结构经过分析，其各项性能都有明显改善，并顺利通过了符合国际标准要求的性能试验。
1.轮式装载机ROPS实验室测试性能指标根据ISO3471：2008《土方机械翻车保护结构实验室试验和性能要求》（限于篇幅，本文对此标准不作详细介绍），以ROPS装配整机质量M=23t计算，我公司设计的ROPS应满足下述性能要求。
1.1.最小侧向载荷能力要求2ROPS的改进与分析2.1ROPS的改进根据以上对ROPS失效原因的分析，我们对原有的ROPS作了如下改进：1）提高立柱与底板的连接强度，在立柱与底板之间焊接加强板；2）增加底板厚度，保证整体结构的稳定性；3）将立柱材料由Q345改为Q235，ROPS其他部分材料仍为Q345。
在两立柱内侧开两个直径为80mm的应力释放孔，将大应力点由焊缝转移到母材上，在提高立柱的弯曲能力即结构吸能性能的同时，对焊缝加以保护。
看板网Nastran有限元分析课程内容由于Nastran极高的软件可靠性、优秀的软件品质、作为工业标准的输入/输出格式、强大的软件功能、高度灵活的开放式结构和无限的解题能力等六大优势所以被广泛应用于机械、汽车、家电、电子产品、家具、建筑、医学骨科等产品设计及研发。
Nastran分析功能主要有动力学分析、正则模态分析、复特征值分析、瞬态响应分析(时间-历程分析)、随机振动分析、响应谱分析、频率响应分析和声学分析等八大分析功能。
Nastran有限元分析的作用是确保产品设计的安全合理性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本;在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;模拟各种试验方案，减少试验时间和经费;是产品设计研发的核心技术。
那么我们要学习Nastran有限元分析我们应该学哪些内容呢？以下是看板网根据超过十年的Nastran项目经验和Nastran培训经验，根据社会需求，根据企业和个人的需求，做出了以下Nastran有限元分析课程内容；一、课程大纲：1.静力分析1)具有惯性释放的静力分析2)非线性静力分析2.屈曲分析3.动力学分析1)随机振动分析2)正则模态分析3)复特征值分析4)瞬态响应分析(时间-历程分析)5)响应谱分析6)频率响应分析7)声学分析4.非线性分析1)非线性静力分析2)非线性静力分析3)非线性边界(接触问题)4)非线性瞬态分析5)非线性单元5.热传导分析1)线性/非线性稳态热传导分析2)线性/非线性瞬态热传导分析3)相变分析4)热控分析6.空气动力弹性及颤振分析1)静动气弹响应分析二、Nastran的自适应早在1986年MSC公司就开发出了P单元算法,命名为MSC.PROBE,历经十多年的应用和改进而完善,该算法正逐步移入MSC.NASTRAN中。
H-法是我们在以往有限元分析中经常使用的算法,其特点是适用于大多数分析类型,对于高应力区往往要通过网格的不断加密细化来满足分析精度。
基于Nastran高级仿真的车门有限元分析作者：左小勇来源：《时代汽车》2019年第02期摘要：本文基于Nastran仿真模块对车门及其附件进行了有限元分析，得出柔性冲压件车门在不受外力情况下的应力应变，以便优化车门公差分配。
关键词：有限元分析；Nastran高级仿真；公差分配优化汽车制造装配质量较大的影响着车辆外观和整车质量，公差分配设计是在初期时规定零件的尺寸、公差的要求。
能够影响冲压模具、焊台的精度，是制造误差原因的上游，因此公差分配优化在汽车设计时至关重要。
目前，国内外研究者在公差分配优化研究上，主要是对刚性体，而对柔性件如车身等研究少见。
即便有，一般也是将其理想化为刚性体，进而进行研究。
但这一处理，无法满足汽车设计中，对公差分配的高要求。
车门及其侧围、铰链等由钢板冲压制造，需要考虑此类柔性冲压钣金件变形情况下的公差分配优化，本文基于Nastran仿真模块对车门及其附件在三维公差分配优化之前考虑零件的变形情况，对模型进行有限元分析。
得出柔性冲压件车门在不受外力情况下的应力应变，以便优化车门公差分配。
1 有限元分析有限元分析，是一种将工程实际问题有限元化的现代工程分析计算方法。
其基本思想是复杂问题简单化，用有限的未知量去逼近无限的真实系统，在模拟部件受力、应变时，是一种很有效的数值分析方法。
2 基于Nastran的高级仿真要对车门做有限元分析，得到车门及其侧围，包括车门铰链受重下的变形，本文使用UG6.0的高级模块进行仿真计算分析。
在仿真时，先对模型进行网格处理，然后定义约束，施加应力。
使用Nastran求解，得到车门及其附件在不受外力，仅有自身重力情况下的应力应变。
步骤如图2所示。
3 车门的有限元仿真车门及其铰链受力变形对车门外观和制造质量都有影响。
本部分通过有限元分析，得出了车门及其附件在不受外力，仅受自身中立情况下的应力应变。
3.1 建立数学模型模型的网格划分数量不能过多，否则一方面网格划分繁琐，另外会较大增加计算量和时间，还可能引起内存溢出。
24 | MSC Software Volume 1 - Summer 2011 | 25技术事件Thermal AnalysisTemperatures Structural Model DisplacementsStressesRigid BodyMotionsOptical Analysis Higher-Order Surface Deformations Index Change:Wavefront Error Index Change:Wavefront ErrorBirefringence:Polarization Errors NastranTMSigFit Optimized Primary Mirror Telescope & Adaptive Primary MirrorThe initial design of the adaptively controlledprimary mirror satisfied requirements, but wasover-designed. The optimized design is lessthan half the weight with all requirements met.Thermal Analysis TemperaturesStructural ModelDisplacements Stresses Rigid Body MotionsOpticalAnalysisHigher-Order Surface DeformationsIndex Change:Wavefront ErrorIndex Change:Wavefront ErrorBirefringence:Polarization Errors NastranTMSigFit总结MD Nastran和SigFit结合产生改进光学系统性能的一个强有力的工具。
一、Nastran简介Nastran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。
长期以来MSC.Nastran 已成为标准版的Nastran，是全球应用最广泛的分析程序之一。
为了迎合企业准确充分地模拟产品的真实性能的需求，结合当今计算方法、计算机技术的最新发展，从2001年以来，MSC.Software投入了大量的研发力量于进行MD技术研发，在2006年成功发布了新一代的多学科仿真工具Nastran，在继承原有MSC Nastran强大功能的基础上，陆续集成了Marc、Dytran、Sinda、Dyna和Actran等著名软件的先进技术，大大增强了高级非线性、显式非线性、热分析、外噪声分析等功能二、Nastran软件功能(1)基本功能Nastran的基本模块支持各种材料模式的线性分析,包括：均质各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。
(2)动力学分析结构动力学分析是Nastran的最主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能,其功能包括时间域的瞬态响应和频率域的频率响应分析，方法有直接积分法和模态法，同时考虑各种阻尼如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼效应的作用。
Static Analysis – Linear（线性静力分析）1.打开SimDesigner.从目录中选择文件ji_jia_ceshi.CA TPart并选择File/Open。
2.在Start/Analysis & Simulation/SD Structures Workbench中选择并打开SimDesignerStructures Workbench。
3.将会出现New Analysis Case的对话框，选择SimDesigner Static Analysis 并单击OK按钮。
4．说明树会立即显示如下：端作为固定端，然后单击OK按钮。
6．对ji_jia_ceshi.CA TPart的横板施加8.33e+006N力。
单击Force Density按钮，选择ji_jia_ceshi.CA TPart的横板（即支撑剪切缸和压紧杆的横板下面）端，并在Z方向上输入8.33e+006N，然后单击OK按钮。
设置网格尺寸到0.2并且绝对垂直尺寸到0.02。
（采取默认值）。
单击OK按钮。
8．现在模拟模型已经设置完成并且准备运行。
运行SimDesigner Structures Workbenchbench 静态分析实例，选择Mesh & Compute按钮，在Compute的对话对话框中选择All，并且单击OK按钮。
这个指令程序以网格化这个部件，然后为静力分析的运行向MD Nastran提交有限元模型（Solution Seuqence 101）。
9．分析监视器对话框将会出现。
然后静力分析已经成功地完成，单击Close。
10．检查变形结果。
单击按钮Deformation以形成变形图像。
11．单击按钮Animati以推动变形。
12．接着，检查移位结果。
单击按钮Displacement以生成移位图像。
13．检测the V on Mises 压力。
单击按钮the V on Mises Stress 以生成受力图。
MD Nastran突破有限元分析的极限
作者：MSC.Software公司来源：汽车制造业
有限元法FEM分析变得日益复杂，同时有限元分析模型的大小和细节设计要求也在不断增加。
尤其是在汽车行业，这一趋势尤其明显。
项目背景
由数百万个单元和数百万的自由度组成的有限元网格的模型已经变得司空见惯，然而模型的尺寸仍在不断地增加。
由于数学方法和软件工程学技术的改进，有限元法程序的工作效率和计算能力也在不断提升，同时构建模型和网格划分软件技术的飞速进步使模型的生成变得更加方便快捷。
数年前，发动机引擎气缸体的网格划分需要几个月的时间，而现在只是几个小时的问题。
德国汽车制造商宝马公司是大范围使用虚拟仿真技术的公司之一。
在宝马公司和其他一些制造商中，为了缩短研发周期，减少物理样机和物理试验的次数，完整的汽车模型得到了最优化的使用，其基础便是日益复杂的有限元仿真模型，包括对噪音和舒适度的刚性评定、乘客安全性和空气动力学仿真等。
在数值计算方法方面，使用了隐式线性分析和显式非线性瞬态分析。
图1 “后天之模型”的基础是宝马X3汽车的车体
早在2007年初，宝马公司便对计算机辅助工程CAE的流程重新进行了检测，以便发现将来可能由仿真模型尺寸增加引起的瓶颈问题。
宝马公司的车体和零部件设计小组开发了迄今为止最大的有限元法模型作为基准测试的考题模型，被冠以“后天之模型（Model of the
Day After Tomorrow）”的名称。
小组成员丹尼尔·海泽尔博士表示，“对我们来说，在标准的硬件和软件设备上进行此次基准测试是非常重要的，使用当前的基础设施解决基准模型问题的目的，并不是为了要减少计算时间，而是为了识别理论极限和当前方法的瓶颈。
”
基准考题的目的是为了寻找标准分析（双载荷工况条件下的线性静态分析）中进行有限元法分析基本步骤的极限和时间：
1. 读取输入数据，对它们进行分类、制成表格，并进行一致性检查；
2. 计算单元刚体矩阵，并集成一个整体刚体矩阵；
3. 计算位移和应力数据；
4. 输出结果。
宝马公司提出的问题是有限元分析还能应对这一增长趋势多长时间？用“后天之模型”作为考题的目的是如何突破近10年间所要面临的硬件和软件极限问题。
MSC.Software公司同美国国际商用机器IBM公司合作，能够在短短的几个月的时间内解决这一问题。
在一份用该模型分析的详细报告中，项目成员彼得·沙尔茨和杰拉德·希姆莱（MSC.Software公司），丹尼尔·海泽尔（宝马汽车制造公司）和D·皮特施（IBM公司）详细介绍了他们实现宝马公司苛刻要求的方法。
图2 BMW X3减振器支座外壳模型（蓝色），MODAW部分描绘图（黄色）
软、硬件的发展
大多数有限元法分析程序都存在计算能力不在最佳状态的情形。
1957年，雷W克拉夫和他的学生在一台内存只有16位的IBM701计算机上开发出了后来成为有限元法的程序。
方程式大约在40个以上的问题需要out of core（即数据不全部存储在内存中，而是存储在硬盘的临时文件夹中）求解逻辑，这意味着要借助二级存储介质。
10年之后，Nastran软件被开发出来之后，要求条件也非常类似。
软件客户美国国家航空航天局（NASA）要求开
发一种能够对2000自由度以上（包含2 000自由度）问题进行静态和动态分析的程序。
现在，这似乎已成为了历史。
随着中央处理器（CPU）处理速度和效率的提高，以及内存容量的增加，类似有限元矩阵生成和集成的基本操作已经可以不需要借助二级存储介质的操作方法进行处理。
即使是现在的MSC.Software公司的MD Nastran软件也仍体现出早期软件设计的理念，例如计算机内存的保留和通过“out of core”技术或“溢出”（spill）算法实现的I/O（即输入/输出）磁盘亚系统的高效使用。
这些特性对项目整体刚性和质量矩阵的生成非常有帮助。
模型分析
宝马公司模型生成的基础是2004年的宝马X3白车身模型，对于模型的尺寸，工程师们根据对经验取值的推断进行了调整，并预测在2020年自由度约达800兆。
海泽尔博士在开发网格划分程序时使用了“原始网格划分技术”（RAT），该技术即使在计算机辅助设计几何图形出现不一致或错误情况时也可以高速实现复杂几何图形的六面体单元网格划分。
原始网格划分技术建模方法的缺点在于模型尺寸极其庞大，而且只有对基本的刚性性能仿真时才有意义。
图3 所使用的计算机系统为IBM p5-595 2.3GHz POWER5+
用于测试计算的模型最大边长为1mm，最终的有限元模型约为1亿5 000个节点，约9.1亿个自由度。
去掉旋转自由度，计算方程数达4亿5 000个。
为了确保测试条件以实际情况为导向并将成本限制在一个可控范围内，测试应该同商业软件一起在单处理器的计算机上进行。
在IBM公司位于波基普西/纽约的美国测试中心，能够找到符合有限元分析I/O要求和内存要求的合适计算机。
它使用的计算机系统为IBM
p5-595 2.3GHz POWER5+，其内存为512GB，暂存文件系统（scratch file system）为6TB，分布在48个物理磁盘上，每个磁盘的容量为146GB。
为了达到可利用内存的最佳使用效果，计算软件为MSC.Software公司ILP-64版本的MD Nastran软件。
为了分解整体（集成）刚体矩阵，计算机应用了具有嵌套式剖分法重排序功能的稀疏直接多波前算法（sparse direct multifrontal-algorithm）。
整体刚体矩阵是一个包含95兆单元刚体矩阵的集合体。
最终因子矩阵在预计最大超过10万的波前空间上有571 011项（超过4TB的数据）亟待处理。
计算这些结果需要近一个中央处理器年（CPU-year）的时间。
由于时间问题，计算机通过内嵌的PCGLSS 迭代求解器应用了迭代解算法，这需要少得多的内存和磁盘空间，并且对由三维有限元组成的模型
效果尤其明显。
分析工作需要大约50GB的内存空间，此外“I/O模块”（MIO）还需要10GB 的内存空间。
I/O模块是IBM公司开发的智能I/O高速缓冲处理器。
在MD Nastran软件常见的输入/输出密集型操作过程中，它仅使用相对较小的内存空间来储存异步预取数据。
为了解决数据量过大的问题，需要对系统参数和输入数据进行大量的调整和设置，如栅格点坐标内部最大数的运行时间参数被提高到了160兆（标准：100兆），PCGLSS 迭代求解器的参数要根据所使用内存的容量和类型进行调整。
输入数据中去掉了栅格点权数发生器（Grid Point Weight Generator）的输出要求和质量矩阵的生成要求。
时间和I/O 空间节省为22min/226GB和1.4h/450GB。
由于计算机资源的限制，第二载荷工况条件不在计算范围。
分析结果
对此模型在串口方式下分析计算过程花费了22h17min，所花费的中央处理器秒
（CPU-seconds）的数字为76 254；中央处理器的使用率为95%。
所需的暂存磁盘空间总容量为2.27TB，分析过程包括I/O磁盘（即硬盘）的7.8TB。
需要进行后处理的二进制输出文件大小为99.9GB，包括无变形的几何图形和一个载荷工况条件的位移和应力输出。
PCGLSS迭代求解器通过149次迭代，并需要大约230GB的内存空间。
总共使用的内存空间约为300GB（MD Nastran软件使用了60GB，I/O模块高速缓冲处理器使用了10GB，PCGLSS 迭代求解器使用了230GB）。
尽管对内存、磁盘和I/O有极高的要求，计算过程仍然使用了标准软件在标准硬件平台上进行。
鉴于其“out of core”性能，MD Nastran分析软件非常适合进行超大问题的计算工作。
除该软件的高效率外，IBM POWER5的系统结构还拥有统一高效处理速度的大内存空间，经过测试证明MD Nastran对过亿自由度的超大模型的求解是完全可以实现的。
(end)。
