NASTRAN结构优化和灵敏度分析

NX nastran中的分析种类（解算方案类型总结）（1）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（如集中载荷、分布载荷、温度载荷、强制位移、惯性载荷等）作用下的响应、得出所需的节点位移、节点力、约束反力、单元内力、单元应力、应变能等。

该分析同时还提供结构的重量和重心数据。

（2）屈曲分析屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，NX Nastran中的屈曲分析包括两类：线性屈曲分析和非线性屈曲分析。

（3）动力学分析NX Nastran在结构动力学分析中有非常多的技术特点，具有其他有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。

结构动力分析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。

NX Nastran的主要动力学分析功能：如特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下：正则模态分析正则模态分析用于求解结构的固有频率和相应的振动模态，计算广义质量，正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。

复特征值分析复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型，分析过程与实特征值分析类似。

此外Nastran的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。

瞬态响应分析（时间-历程分析）瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。

两种方法均可考虑刚体位移作用。

直接瞬态响应分析该分析给出一个结构随时间变化的载荷的响应。

结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。

该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分，直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。

2 结构边界形状的定义
结构边界形状的表示有两种方法：一是几何形状描述法， 设计变量为相关的几何特性，如单元网格的节点坐标、样条曲 线或多项式的参数和其它的几何参数；另一种方法是自然逼近 法， 在选取的有限元节点上， 假设某种边界条件， 加上虚拟载荷， 得到的在虚拟载荷下的节点位移场，该位移场作为形状设计变 量及有限元网格节点坐标变化基向量或依据，设计变量为虚拟 载荷变量。 在 $%& ’ ()%*+)( 优化模块中， 共提供四种方法来表示结 构的边界形状： - " . 节点变化法 - $D75DE F;GH ID;GDJGK7 . 。 直接利用边界节点 的坐标作为设计变量， 它是其它方法的基础。 - 2 . 基向量直接输入法 - <G;:8J E7L5J KM %6DL:N . 。 该法属于几 何形状描述法，它是在原始结构形状的基础上选择几种 “ 基本 形状修改方案 ” ， 即形状变化基向量， 再利用形状变化基向量的 线性组合来给定结构形状变化的方法。它的缺点是形状变化基向 量是由外部产生， 在每一个优化循环中， 形状变化基向量不能被更 新， 因此对于结构有较大的形状变化时， 会导致有限元网格畸变。 - / . 几何边界形状法 - F:KO:J;G8 PK57HD;Q %6DL:N . 。该法属于 几何形状描述法， 边界的形状可通过边界上节点的信息或一个前 几何模型的处理器来描述， 其优点形状变化基向量在每次优化循 环中自动更新， 可以避免由于结构大变形而使网格产生畸变。 - R . 分析边界形状法 - )7DEQJG8 PK57HD;Q N6DL:N . 。该法属于 自然逼近法，是进行形状优化设计的一种有效方法，形状变化 基向量是通过在辅助结构模型上施加虚拟载荷或强制位移产 生的，其优点同几何边界形状法类似，形状变化基向量在每次 优化循环中自动更新， 以避免结构大变形时网格产生畸变 1 2 3 。

基于灵敏度分析的载货汽车车架结构优化近年来，随着我国工业的不断发展，汽车行业发展也日益繁荣。

随着载货汽车在物流业中的不断应用，车辆的结构设计变得越来越重要。

其中，车架结构是整个车辆体系中最为基础的组成部分，对于整个车辆的稳定性和安全性产生了至关重要的影响。

因此，优化车架结构是保证车辆稳定行驶、提高经济效益的一个重要环节。

本文将着重探讨利用灵敏度分析进行载货汽车车架结构优化的相关内容。

首先，灵敏度分析是目前较为流行的一种结构优化方法，它能够有效地帮助设计师在最短的时间内找到最优的解决方案。

灵敏度分析可以实现结构设计的多目标优化，因此非常有利于设计师寻找合适的结构方案。

同时，通过对优化目标的量化和标定，可以有效地反映结构设计中每个组成部分对目标的敏感程度，为后续的结构调整提供依据。

其次，在进行载货汽车车架结构优化时，应当注意以下几个关键点：一、确定结构目标：在结构优化中，设计师首先需要确定相应的结构目标。

通常情况下，优化的结构目标包括质量、刚度、强度、稳定性等方面。

根据具体的需求，设计师可以针对性地设定不同的目标，以在实现最优结构的同时，达到其他目的。

二、建立有限元模型：在进行灵敏度分析时，设计师需要建立相应的有限元模型。

有限元模型是对载货汽车车架结构进行分析和优化的基础。

在对模型进行建立和处理时，需要考虑其准确性和合理性。

三、选择优化方法：在进行优化时，设计师需要根据具体情况选择适合的优化方法。

目前，流行的优化方法有灵敏度分析法、拓扑优化法、参数优化法等。

每一种方法都有其优缺点，设计师应当根据具体情况进行选择。

四、进行灵敏度分析：在建立好有限元模型后，设计师需要进行灵敏度分析。

灵敏度分析是一个迭代的过程，可以反复进行，以得到最优结构。

通过分析每条龙骨和连接件在结构中的贡献，设计师可以快速找出哪些部分对结果敏感，并进一步优化设计方案。

最后，对于载货汽车车架结构的优化需要充分考虑不同因素之间的相互作用。

“机械工程有限元分析基础”本科生课程有限元分析软件MSC.NASTRAN2005r2ed操作指南南京航空航天大学机电学院设计工程系陈剑张保强郭勤涛2007年11月有限元结构静力与动态分析详细步骤南京航空航天大学机电学院设计工程系陈剑张保强郭勤涛一、分析目的有限元分析(FEA)是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。

通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。

借助有限元分析软件进行结构静力与结构动力分析可以节省大量的时间。

通过本分析可以熟悉有限元软件patran与nastran的使用。

二、分析内容1、使用nastran进行一个悬臂梁的静力分析和动力分析2、使用nastran进行直齿圆柱齿轮的静力分析三、使用软件简单介绍MSC.Patran作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性：自动有限元建模: MSC.Patran的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的智能化工具, 同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能, 使用户快速完成他们想做的工作。

同时也提供手动和其它有限元建模方法，一满足不同的需求。

分析的集成：MSC.Patran提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。

这样可以使用户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在MSC.Patran 中仍然可以正常使用，非常灵活。

用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断, 进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。

用户可自主开发新的功能：用户可将MSC.Patran作为自己的前后置处理器, 并利用其强大的PCL（Patran Command Language ）语言和编程函数库把自行开发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入MSC.Patran的框架系统, 或单独使用或与其它系统联合使用。