NX_NASTAN_动力分析指南.doc

动力学分析方法及NX NASTRAN基本使用介绍 1.1 有限元分析方法介绍 计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化 ，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。 数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。 近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科－计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）。这些商品化的CAE软件具有越来越人性化的操作界面和易用性，使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员，CAE在各个工业领域的应用也得到不断普及并逐步向纵深发展，CAE工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要。许多行业中已经将CAE分析方法和计算要求设置在产品研发流程中，作为产品上市前必不可少的环节。CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性： CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期； 虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数； 大幅度地降低产品研发成本； 在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品； 能够快速的对设计变更作出反应； 能充分的和CAD模型相结合并对不同类型的问题进行分析； 能够精确的预测出产品的性能； 增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，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；进行机械事故分析，查找事故原因国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品 1.1.1 有限单元法的基本思路 有限元法的基本思路可以归结为：将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型。 下面用在自重作用下的等截面直杆来说明有限元法的思路。 等截面直杆在自重作用下的材料力学解答： 图1-1 受自重作用的等截面直杆 图1-2 离散后的直杆 受自重作用的等截面直杆如图1-3所示，杆的长度为L，截面积为A，弹性模量为E，单位长度的重量为q，杆的内力为N。试求：杆的位移分布，杆的应变和应力。 （1- 1） 等截面直杆在自重作用下的有限元法解答： 1）连续系统离散化 如图1-4所示，将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过公共点相连接。在有限元法中，我们将两段之间的公共连接点称为节点，将每个有限段称为单元。节点和单元组成的离散模型就称为对应于连续系统的‘有限元模型’。 有限元模型中的第i个单元，其长度为Li，包含第i，i+1个节点。 2）用单元节点位移表示单元内部位移 第i个单元中的位移用所包含的节点位移来表示， （1- 2） 其中为第i节点的位移，为第i节点的坐标。第i个单元的应变为，应力为，内力为： （1- 3） （1- 4） （1- 5） 3）把外载荷归集到节点上 把第i单元和第i+1单元重量的一半，归集到第i+1节点上。 图1-3 集中单元重量 4）建立节点的力平衡方程 对于第i+1节点，由力的平衡方程可得： （1- 6） 令，并将（1- 8）代入得： （1-7） 根据约束条件，。 对于第n+1个节点， （1-8） 建立所有节点的力平衡方程，可以得到由n+1个方程构成的方程组，可解出n+1个未知的节点位移。 1.1.2 有限元法的计算步骤 有限元法的计算步骤归纳为以下三个基本步骤：网格划分，单元分析，整体分析。 1）网格划分 有限元法的基本做法是用有限个单元体的集合来代替原有的连续体。因此首先要对弹性体进行必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体。单元之间通过节点相连接。由单元、节点、节点连线构成的集合称为网格。 通常把三维实体划分成