NX NASTRAN是1972年MSC Software公司獲得了一個版本的COSMIC Nastran,，并推出自己的商業(yè)化產(chǎn)品。

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NX Nastran要從Nastran說起

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Nastran,，即NASA 結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng),，是1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，主持開發(fā)大型應(yīng)用有限元程序的招標,，有多家軟件開發(fā)商中標并參與了結(jié)構(gòu)分析求解器的開發(fā)過程,。1969年NASA推出了其第一個Nastran版本, 稱為COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在public domain上的公開發(fā)售版本,， Nastran和COSMIC是NASA的注冊商標,。

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1972年，MSC Software公司獲得了一個版本的COSMIC Nastran,，并推出了自己的商業(yè)化產(chǎn)品 NX NASTRAN,。這個版本的Nastran也是著名的Nastran版本。到了八十年代,，又有另外兩家公司UAI,、 CSAR基于NASA的COSMIC Nastran 源代碼推出了各自的商業(yè)版本，從而市場上形成了由主要三家Nastran供應(yīng)商（MSC,，UAI和CSAR）相互競爭的局面,。 Nastran是工程分析界應(yīng)用廣泛的有限元軟件，絕大多數(shù)的商業(yè)化前后處理器都對Nastran有良好的支持,，其文本格式已成為標準格式,，其計算結(jié)果也成為CAE分析的規(guī)范,。

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NX Nastran的由來

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1999年,，MSC 收購了UAI 和 CSAR，成為市場上唯一提供Nastran商業(yè)代碼的供應(yīng)商,。而以后的幾年,，MSC NASTRAN的價格上漲，但是其相關(guān)功能和服務(wù)卻沒有得到提升,，從而引發(fā)大量客戶的抱怨,，并向美國聯(lián)邦貿(mào)易委員會（FTC）申訴,。

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經(jīng)過調(diào)查，F(xiàn)TC認定MSC NASTRAN壟斷,。為了重建Nastran市場的競爭,，F(xiàn)TC做出了如下的幾項裁決（關(guān)于FTC官方裁決，請參看附錄一）：

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--MSC.Software公司必須共享MSC NASTRAN新商業(yè)版(當時為2002年11月v2001r9),，以重新建立NASTRAN市場競爭（該版本即MSC Nastran V1.0）

--共享內(nèi)容包括用于Nastran開發(fā),、銷售用的所有MSC NASTRAN的源代碼、目標代碼,、測試案例,、開發(fā)環(huán)境和所有文檔的永久使用權(quán)許可

--告知在過去3年多時間（僅限美國）已購買了MSC.Software公司的永久使用許可的用戶。這些用戶有權(quán)轉(zhuǎn)而使用EDS的NX Nastran,，并由MSC.Software退還差額賠償

--MSC和UGS 必須保證在未來3年內(nèi)數(shù)據(jù)的兼容性,，MSC Nastran將繼續(xù)使用通用的Nastran格式，以確保那些轉(zhuǎn)到NX Nastran的用戶能使用過去的NASTRAN輸入/輸出文件

--獲得許可的機構(gòu)(EDS)應(yīng)獲得MSC.Software,、UAI和CSAR公司雇員的名單,，并有權(quán)雇傭他們

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FTC的裁決使得一個強有力的公司——UGS PLM Solutions加入到Nastran的市場中來， Nastran由單一供應(yīng)商MSC轉(zhuǎn)為兩家互相競爭的供應(yīng)商,，NX NASTRAN在各行業(yè)得到的認證同樣適用于NX Nastran產(chǎn)品,，不需要進行再次認證。

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2003年9月,，NX Nastran產(chǎn)品正式發(fā)布,。UGS PLM承諾將全力開發(fā)支持 NX Nastran和NX NASTRAN 前后處理器（NX MaterFEM, Femap, NX Scenario），并在近兩年中每年推出兩個NX Nastran新版本,。由于FTC的裁決使得MSC公司的雇員名單也已共享,，因此已經(jīng)有許多資深的NASTRAN專家加入到UGS PLM Solutions的開發(fā)隊伍中來。包括：

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1． Dr. Louis Komzsik ,，前MSC的首席算法專家,，有超過30年的結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗和20年在MSC的工作經(jīng)歷；

2． Dr. Tom Kowalski,，前MSC數(shù)值計算專家,，10年專注于高性能科學(xué)計算研究；

3． Mr. Ken Burrell,，前MSC和UAI程序開發(fā)人員,，20年開發(fā)經(jīng)驗；

4． Mr. Richard Bush, 前MSC市場負責人,，17年MSC市場運作管理經(jīng)驗,。

5． Dr. Mark Donley… 等等

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UGS PLM有超過兩千人的研發(fā)隊伍，其中僅CAE開發(fā)人員就已經(jīng)超過600人,。這些人員有平均15年以上的開發(fā)經(jīng)驗,，而且在 2004年和2005 年將繼續(xù)擴大隊伍,。UGS[1] ?中國上海研發(fā)中心已經(jīng)成立，將專注于CAE研發(fā)和本地化,。由于UGS PLM Solutions投入了大量的CAE研發(fā)力量,，許多國際用戶對NX Nastran的未來發(fā)展充滿信心，并有大量用戶已經(jīng)從NX NASTRAN轉(zhuǎn)到了NX Nastran,。在NX Nastran推向市場三個月內(nèi),，有超過5000個license的國際用戶轉(zhuǎn)而應(yīng)用NX Nastran，其中包括Daimler Chrysler,，Caterpillar Tractor,，Lockheed-Martin，GE Power Systems,，Nissan R&D- USA,，F(xiàn)ORD Europe，EADS,，Matra Automotive,，Liebherr Spac，Gulf Aircraft Maintenance,，Yokohama Rubber,，Hyundai Heavy Ind，Tata Steel,，Honeywell Aerospace等等,。

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西門子已經(jīng)完成對產(chǎn)品生命周期管理（PLM）軟件和服務(wù)提供商UGS公司的收購，并于 2007年5月4日生效,。UGS公司從此將更名為“UGS PLM軟件公司”（UGS PLM Software）,，并作為西門子自動化與驅(qū)動集團（Siemens A&D）的一個全球分支機構(gòu)展開運作。

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NX Nastran動力分析功能介紹

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與當前版本的商業(yè)軟件NX NASTRAN一樣,，NX Nastran是國際上應(yīng)用廣泛的CAE工具,，大量的制造廠商依靠其分析結(jié)果來設(shè)計和生產(chǎn)更加安全可靠產(chǎn)品，得到更優(yōu)化的設(shè)計,，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,。三十多年來, Nastran已經(jīng)成為了幾乎所有國際大企業(yè)的工程分析工具，應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天, 汽車,，軍工,，船舶，重型機械設(shè)備,，醫(yī)藥和消費品等,，這也使得其分析結(jié)果成為了工業(yè)化的標準。

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對于大型企業(yè)來說,，NX Nastran是一個獨立的解決方案,。它通常運行局域網(wǎng)上，支持多用戶,，多平臺系統(tǒng),，并可以和多種有限元前后處理器協(xié)同工作。這些處理器包括EDS和其他許多CAE供應(yīng)商提供的高效易用的專業(yè)產(chǎn)品,。

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NX Nastran適用于需要完成大量流程化分析計算的用戶,。它的特點是靈活，可靠并能同大量的其他分析軟件協(xié)同運作,，形成統(tǒng)一高效的分析流程,，并在整個流程中承擔核心求解功能。它的數(shù)據(jù)格式可以在絕大多數(shù)的CAE軟件中識別和使用,，使得同其他CAE使用者交換數(shù)據(jù)的方式靈活方便,，大大減少了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和共享的工作量。

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目前的NX Nastran 產(chǎn)品包括：

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NX Nastran -- Basic: NX Nastran 的基本模塊,，包括線性靜力,，模態(tài)，屈曲和熱傳遞功能,。

NX Nastran -- Nonlinear: 支持材料非線性,，幾何非線性和接觸分析。

NX Nastran -- Dynamic Response: 在時域和頻域中計算結(jié)構(gòu)在外在激勵下的動力學(xué)響應(yīng),。

NX Nastran -- Superelements: 將超大模型分解為小的子結(jié)構(gòu)求解,。

NX Nastran -- Direct Matrix Abstraction Program (DMAP): 允許用戶進行二次開發(fā)，將自己的算法和應(yīng)用擴充到NX Nastran 中,。

NX Nastran -- Aeroelasticity: 對氣流作用下的模型進行分析,。

NX Nastran -- Optimization: 自動迭代完成優(yōu)化設(shè)計。

Nastran for Femap: 基于Windows環(huán)境,，將 Femap的前后處理功能和 NX Nastran 分析能力結(jié)合在一起,。

NX Nastran -- Advanced Aeroelasticity: 預(yù)測結(jié)構(gòu)在氣流作用下的響應(yīng)，并可以進行超音速分析,。

NX Nastran -- Rotor Dynamics: 一個新的動態(tài)分析能力,，專門針對轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析。

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NX NASTRAN在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中有非常多的技術(shù)特點, 具有其它有限元分析軟件所無法比擬的強大分析功能,。結(jié)構(gòu)動力分析不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響, 同時還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用,。?

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全面的NX NASTRAN動力學(xué)分析功能包括: 正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、 頻率及瞬態(tài)響應(yīng)分 析,、 (噪)聲學(xué)分析,、 隨機響應(yīng)分析、 響應(yīng)及沖擊譜分析、 動力靈敏度分析等,。針對于中小及超大型問題不同的解題規(guī)模, 用戶可選擇NX NASTRAN不同的動力學(xué)方法加以求解,。在處理大型結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題時如不利用特征縮減技術(shù)將會使解題效率大大降低，而NX NASTRAN的通用動力縮減算法（GDR法）在運算時可自動略去對分析影響不大的自由度,，而不必象其他縮減法那樣更多地需要由用戶進行手工干預(yù),。此外速度更快、磁盤空間更節(jié)省的稀疏矩陣解算器適用于所有的動力分析類型, 半帶寬縮減時的自動內(nèi)部重排序功能及并行向量化的運算方法可使動力解算效率大大提高,。

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為求解動力學(xué)問題, NX NASTRAN提供了求解所需齊備的動力和阻尼單元,如瞬態(tài)響應(yīng)分析的非線性彈性單元,、 各類阻尼單元、 (噪) 聲學(xué)阻滯單元及吸收單元等,。 眾多的阻尼類型包括: 結(jié)構(gòu)阻尼,、 材料阻尼、 不同的模態(tài)阻尼(含等效粘滯阻尼),、(噪)聲阻滯阻尼和吸收阻尼,、可變的模態(tài)阻尼(等效粘性阻尼,臨界阻尼的分數(shù),品質(zhì)因數(shù))、 離散的粘性阻尼單元,、隨頻率變化的非線性阻尼器以及動力傳遞函數(shù),，直接矩陣輸入、動力傳遞函數(shù)定義等,。NX NASTRAN可在時域或頻域內(nèi)定義各種動力學(xué)載荷, 包括動態(tài)定義所有的靜載荷,、 強迫位移、速度和加速度,、初始速度和位移,、延時、時間窗口,、解析顯式時間函數(shù),、實復(fù)相位和相角、 作為結(jié)構(gòu)響應(yīng)函數(shù)的非線性載荷,、基于位移和速度的非線性瞬態(tài)加載,、隨載荷或受迫運動不同而不同的時間歷程等。模態(tài)凝聚法有 Guyan凝聚（靜凝聚）,，廣義動態(tài)凝聚,，部分模態(tài)綜合，精確分析的殘余向量等,。

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NX NASTRAN的高級動力學(xué)功能還可分析更深層,、更復(fù)雜的工程問題如控制系統(tǒng)、流固耦合分析,、傳遞函數(shù)計算,、輸入載荷的快速富里葉變換、陀螺及進動效應(yīng)分析(需DMAP模塊)、模態(tài)綜合分析(需Superelement模塊),。所有動力計算數(shù)據(jù)可利用矩陣法,、位移法或模態(tài)加速法快速地恢復(fù), 或直接輸出到機構(gòu)仿真或相關(guān)性測試分析系統(tǒng)中去。

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NX NASTRAN的主要動力學(xué)分析功能如:特證模態(tài)分析,、直接復(fù)特征值分析,、直接瞬態(tài)響應(yīng)分析,、模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析,、響應(yīng)譜分析、模態(tài)復(fù)特征值分析,、直接頻率響應(yīng)分析,、模態(tài)頻率響應(yīng)分析、非線性瞬態(tài)分析,、模態(tài)綜合,、動力靈敏度分析等可簡述如下：

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1）正則模態(tài)分析用于求解結(jié)構(gòu)的自然頻率和相應(yīng)的振動模態(tài),計算廣義質(zhì)量, 正則化模態(tài)節(jié)點位移,約束力和正則化的單元力及應(yīng)力, 并可同時考慮剛體模態(tài)。具體包括:

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a). 線性模態(tài)分析又稱實特征值分析,。 實特征值縮減法包括: Lanczos法,、增強逆迭代法、Givens法,、改進 Givens法,、Householder法，并可進行Givens和改進Givens法自動選擇,、帶Sturm 序列檢查的逆迭代法,所有的特征值解法均適用于無約束模型,。

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b). 考慮拉伸剛化效應(yīng)的非線性特征模態(tài)分析, 或稱預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的模態(tài)分析。

2）復(fù)特征值分析復(fù)特征值分析主要用于求解具有阻尼效應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征值和振型, 分析過程與實特征值分析類似,。 此外NASTRAN的復(fù)特征值計算還可考慮阻尼,、質(zhì)量及剛度矩陣的非對稱性。復(fù)特征值抽取方法包括直接復(fù)特征值抽取和模態(tài)復(fù)特征值抽取兩種:

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a) 直接復(fù)特征值分析

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通過復(fù)特征值抽取可求得含有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼的結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài),給出正則化的復(fù)特征矢量和節(jié)點的約束力, 及復(fù)單元內(nèi)力和單元應(yīng)力,。主要算法包: Delerminated法,、Hossen-bery法、新Hossenbery,、逆迭代法,、復(fù)Lanczos法,適用于集中質(zhì)量和分布質(zhì)量、對稱與反對稱結(jié)構(gòu),并可利用DMAP工具檢查與測試分析的相關(guān)性,。

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b) 模態(tài)復(fù)特征值分析

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此分析與直接復(fù)特征值分析有相同的功能,。 本分析先忽略阻尼進行實特征值分析, 得到模態(tài)向量。 然后采用廣義模態(tài)坐標,求出廣義質(zhì)量矩陣和廣義剛度矩陣, 再計算出廣義阻尼矩陣, 形成 模態(tài)坐標下的結(jié)構(gòu)控制方程, 求出復(fù)特征值,。 模態(tài)復(fù)特征值分析得到輸出類型與用直接復(fù)特征值分析得到輸出類型相同,。

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3）瞬態(tài)響應(yīng)分析(時間-歷程分析)瞬態(tài)響應(yīng)分析在時域內(nèi)計算結(jié)構(gòu)在隨時間變化的載荷作用下的動力響應(yīng)，分為直接瞬態(tài)響應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用,。

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a) 直接瞬態(tài)響應(yīng)分析

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該分析給出一個結(jié)構(gòu)對隨時間變化的載荷的響應(yīng),。 結(jié)構(gòu)可以同時具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼。該分析在節(jié)點自由度上直接形成耦合的微分方程并對這些方程進行數(shù)值積分,直接瞬態(tài)響應(yīng)分析求出隨時間變化的位移,、速度,、加速度和約束力以及單元應(yīng)力。

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b) 模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析

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在此分析中,直接瞬態(tài)響應(yīng)問題用上面所述的模態(tài)分析進行相同的變換,對問題的規(guī)模進行壓縮,，再對壓縮了的方程進行數(shù)值積分,，從而得出與用直接瞬態(tài)響應(yīng)分析類型相同的輸出結(jié)果。

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4）隨機振動分析該分析考慮結(jié)構(gòu)在某種統(tǒng)計規(guī)律分布的載荷作用下的隨機響應(yīng),。對于例如地震波,海洋波,飛機超過建筑物的氣壓波動,以及火箭和噴氣發(fā)動機的噪音激勵,通常人們只能得到按概率分布的函數(shù),如功率譜密度(PSD)函數(shù),激勵的大小在任何時刻都不能明確給出,在這種載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)就需要用隨機振動分析來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng),。NX NASTRAN中的PSD可輸入自身或交叉譜密度,分別表示單個或多個時間歷程的交叉作用的頻譜特性。計算出響應(yīng)功率譜密度,、自相關(guān)函數(shù)及響應(yīng)的RMS值等,。 計算過程中, NX NASTRAN不僅可以象其它有限元分析那樣利用已知譜,而且還可自行生成用戶所需的譜。

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5）響應(yīng)譜分析響應(yīng)譜分析(有時稱為沖擊譜分析)提供了一個有別于瞬態(tài)響應(yīng)的分析功能,在分析中結(jié)構(gòu)的激勵用各個小的分量來表示, 結(jié)構(gòu)對于這些分量的響應(yīng)則是這個結(jié)構(gòu)每個模態(tài)的超大響應(yīng)的組合,。

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6）頻率響應(yīng)分析 頻率響應(yīng)分析主要用于計算結(jié)構(gòu)在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應(yīng),。計算結(jié)果分實部和虛部兩部分。實部代表響應(yīng)的幅度,虛部代表響應(yīng)的相角,。

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a) 直接頻率響應(yīng)分析

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直接頻率響應(yīng)通過求解整個模型的阻尼耦合方程,得出各頻率對于外載荷的響應(yīng),。 該類分析在頻域中主要求解二類問題。 第一類問題是求結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的響應(yīng),。結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼,分析得到復(fù)位移,、速度、 加速度,、約束力,、單元力和單元應(yīng)力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數(shù),。

第二類問題是求解結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)態(tài)隨機載荷作用下的響應(yīng),。此載荷由它的互功率譜密度定義。而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來表征,。分析得出位移,加速度,約束力或單元應(yīng)力的自相關(guān)系數(shù),。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應(yīng)的均方根值。

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b) 模態(tài)頻率響應(yīng)

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模態(tài)頻率響應(yīng)分析和隨機響應(yīng)分析在頻域中解決的二類問題與直接頻率響應(yīng)分析解決相同的問題,。結(jié)構(gòu)矩陣用忽咯阻尼的實特征值分析進行了壓縮, 然后用模態(tài)坐標建立廣義剛度和質(zhì)量矩陣,。 該分析的輸出類型與直接頻率響應(yīng)分析得到的輸出類型相同。

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NX NASTRAN的模態(tài)擴張法(殘余矢量法)可以估算高階模態(tài)的作用,以確保參加計算的頻率數(shù)足以使模態(tài)法的響應(yīng)分析的計算精度顯著提高,。

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此外,，在眾多的應(yīng)用里,，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析同時考慮幾何剛化和材料非線性也是非常重要的。這一功能在NX NASTRAN中叫做非線性正則模態(tài)分析,。

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7）多級超單元分析超單元分析是求解大型問題一種十分有效的手段,特別是當工程師打算對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件做局部修改和重分析時,。超單元分析主要是通過把整體結(jié)構(gòu)分化成很多小的子部件來進行分析, 即將結(jié)構(gòu)的特征矩陣(剛度、傳導(dǎo)率,、質(zhì)量,、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度類似于子結(jié)構(gòu)方法,但較其相比具有更強的功能且更易于使用,。子結(jié)構(gòu)可使問題表達簡單,、計算效率提高、計算機的存儲量降低,。超單元分析則在子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了重復(fù)和鏡像映射和多層子結(jié)構(gòu)功能, 不僅可單獨運算而且可與整體模型混合使用, 結(jié)構(gòu)中的非線性與線性部分分開處理可以減小非線性問題的規(guī)模,。應(yīng)用超單元工程師僅需對那些所關(guān)心的受影響大的超單元部分進行重新計算, 從而使分析過程更經(jīng)濟,、更高效,避免了總體模型的修改和對整個結(jié)構(gòu)的重新計算,。NX NASTRAN優(yōu)異的多級超單元分析功能在大型工程項目國際合作中得到了廣泛使用, 如飛機的發(fā)動機、 機頭,、機身,、機翼、垂尾,、艙門等在最終裝配出廠前可由不同地區(qū)和不同國家分別進行設(shè)計和生產(chǎn), 此間每一項目分包商不但可利用超單元功能獨立進行各種結(jié)構(gòu)分析,而且可通過數(shù)據(jù)通訊在某一地利用模態(tài)綜合技術(shù)通過計算機模擬整個飛機的結(jié)構(gòu)特性,。

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多級超單元分析是NX NASTRAN的主要強項之一, 適用于所有的分析類型, 如線性靜力分 析、 剛體靜力分析,、 正則模態(tài)分析,、幾何和材料非線性分析、 響應(yīng)譜分析,、 直接特征值,、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析,、 模態(tài)特征值,、 頻率響應(yīng)、 瞬態(tài)響應(yīng)分析,、 模態(tài)綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法),、設(shè)計靈敏度分析、 穩(wěn)態(tài),、 非穩(wěn)態(tài),、 線性、非線性傳熱分析等,。

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模態(tài)綜合分析: 模態(tài)綜合分析需要使用超單元,可對每個受到激勵作用的超單元分別進行分析, 然后把各個結(jié)果綜合起來從而獲得整個結(jié)構(gòu)的完整動態(tài)特性,。超單元的剛度陣,、質(zhì)量陣和載荷陣可以從經(jīng)驗或計算推導(dǎo)而得出。結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)先被截去,而后用靜力柔度或剛度數(shù)據(jù)恢復(fù),。 該分析對大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)顯得更有效(需動力學(xué)分析模塊),。

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NX NASTRAN支持的硬件平臺

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NX NASTRAN 具有廣泛的平臺適用性，可在PC機,、工作站,、小巨型機、超級計算機等50種以上通用和專用計算機不同的操作系統(tǒng)下運行,，主要機種如：PC,、SUN、DEC,、HP,、IBM、SGI,、NEC,、HITACHI、SIEMENS,、CRAY,、CONVEX等。NX NASTRAN的并行處理技術(shù)保證其在諸如CRAY,、CONVEX,、IBM、SUN,、DEC,、SGI等具有多處理器的大中型計算機上高效運行。

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