NASTRAN2018仿真模型构建全攻略：设计到分析的全过程


# 摘要
本文系统介绍了NASTRAN2018仿真软件的核心功能、仿真模型设计原则、分析过程以及在实际工程中的应用。首先概述了NASTRAN2018的特点和用途，然后深入探讨了模型设计的基本理论和具体设计步骤，包括前处理流程、网格划分、边界条件设定及模型验证与简化。接着，本文阐述了不同分析类型的选择与设置、求解过程及结果评估与优化策略。进一步，文章通过多个行业案例分析了仿真模型在实际工程中的应用，并讨论了设计迭代中的关键作用和面临的技术挑战。最后，本文还探讨了NASTRAN2018的高级操作技巧，包括高级建模技术、用户自定义功能、宏编程以及并行计算的应用。本文旨在为工程技术人员提供全面的NASTRAN2018使用指南，以及如何将仿真技术应用于提高工程设计的效率和质量。
# 关键字
NASTRAN2018；仿真模型设计；分析过程；工程应用；高级操作；并行计算

参考资源链接：[MSC Nastran 2018入门指南：Getting Started with NASTRAN](https://wenku.csdn.net/doc/6401ac22cce7214c316eabe9?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. NASTRAN2018仿真软件概述

NASTRAN2018是现代工程仿真领域中一款重要的软件工具，其在航空航天、汽车制造、建筑结构设计等多个行业中都发挥着不可或缺的作用。它不仅提供了广泛的分析类型，如线性与非线性分析、结构振动分析、热传导分析等，还支持从简单的零部件分析到复杂的系统级仿真的需求。

NASTRAN2018的设计哲学在于其高度的模块化和开放性。软件允许用户根据自身需求选择合适的模块组合，进行高效精确的仿真分析。它具备的高级功能，如多体动力学、流体结构耦合分析等，使其成为工程师和技术人员不可或缺的工作伙伴。

在了解NASTRAN2018之前，先要熟悉一些基本概念，比如有限元方法（FEM）、材料属性、边界条件和载荷类型等，这些都是进行有效仿真分析的基础。本章将对NASTRAN2018进行一个全面的概述，为接下来深入学习仿真模型的设计、分析过程和高级应用打下坚实的基础。

# 2. 仿真模型的设计原则

在仿真分析中，设计一个可靠的模型是成功进行仿真的前提。模型设计不仅涵盖了理论知识，也涉及具体的实践步骤，以及后续的验证和简化过程。本章将深入探讨模型设计的基本理论、具体步骤以及如何对模型进行验证和简化。

## 2.1 模型设计的基本理论

### 2.1.1 结构力学基础

结构力学是研究结构在外力作用下的静态和动态行为的学科。在仿真模型设计中，理解结构力学的基础概念至关重要。这些概念包括力的平衡、变形、应力、应变以及结构的稳定性等。

结构的变形和位移通常是由于外力（如重力、惯性力、接触力等）和内力（如材料内部的抵抗力）的相互作用产生的。仿真分析中常用的方法如有限元分析（FEA），其核心就是将复杂的结构离散化为有限个元素，并通过节点来模拟元素之间的相互作用。

### 2.1.2 材料力学特性理解

在设计仿真模型时，准确理解并应用材料的力学特性是至关重要的。材料力学特性包括但不限于材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、疲劳极限等。

一个完整的材料模型不仅需要描述材料在弹性范围内的行为，还应该能够预测材料在塑性范围内的响应。对于复合材料，还需要了解其各向异性和层合结构的性质。材料的非线性特性如硬化效应和蠕变效应也应在模型中得到体现。

## 2.2 模型设计的具体步骤

### 2.2.1 前处理流程概述

仿真模型的前处理包括了从定义几何模型到准备求解器输入数据的全过程。一个高效的前处理流程应该包括以下几个关键步骤：

1. 几何建模：首先需要使用CAD软件或直接在仿真软件中创建模型的几何表示。
2. 材料属性定义：根据实际材料的特性来定义模型材料属性。
3. 网格划分：将连续的几何模型分割成有限数量的小块，以便进行数值分析。

### 2.2.2 网格划分技巧

网格划分是将连续体离散化的过程，是有限元分析的基础。高质量的网格划分能有效提高仿真精度和效率。在划分网格时，应考虑以下技巧：

1. 网格大小应根据结构的重要区域来决定，关键部位可以使用更细的网格。
2. 确保网格过渡平滑，避免过大的网格尺寸变化。
3. 对于具有复杂几何形状的区域，使用适当的网格类型（如六面体网格）以提高计算精度。

下面是一个简单的网格划分示例代码块：

GRID, 1, 0., 0., 0.
GRID, 2, 1., 0., 0.
GRID, 3, 1., 1., 0.
GRID, 4, 0., 1., 0.

CTETRA, 1, 1, 2, 3, 4
CTETRA, 2, 1, 2, 3, 5
CTETRA, 3, 1, 2, 4, 6
CTETRA, 4, 1, 3, 4, 7

MAT1, 1, 7800., 0.3, 2.1E5
PSOLID, 1, 1

以上代码展示了如何使用Nastran的网格划分命令来创建一个简单的四面体网格模型。每一条命令都有其特定的作用，并且后续在仿真分析中非常重要。

### 2.2.3 边界条件和载荷的设定

仿真模型必须包含正确和恰当的边界条件和载荷设置才能模拟出实际的工况。边界条件用来模拟结构的支撑、固定和对称性等约束条件。载荷则用来模拟作用在结构上的力和力矩。

正确的边界条件和载荷设置要求分析人员对实际物理环境有深入理解。例如，在进行汽车碰撞仿真时，如何准确地模拟车辆的动态行为和冲击载荷是至关重要的。

## 2.3 模型的验证与简化

### 2.3.1 模型验证方法

模型验证是通过实验数据来验证仿真模型的准确性的过程。常见的模型验证方法包括：

1. 对比分析：将仿真结果与理论解或实验结果进行对比。
2. 灵敏度分析：研究模型输出对输入参数变化的响应。
3. 交叉验证：使用不同的模型或者分析方法进行比较。

### 2.3.2 模型简化技巧与注意事项

尽管高性能计算资源变得日益普及，但为了缩短仿真周期和节约成本，模型简化技巧仍然是必要的。简化时需要注意：

1. 避免过度简化，保持模型的关键特征。
2. 使用子模型技术进行局部区域的详细分析。
3. 对模型进行适当的抽象，去除对仿真结果影响不大的细节。

下面是一个简化的模型验证流程示例表格：

| 步骤 | 描述 | 需要注意的点 |
|------|------|--------------|
| 定义模型 | 创建用于验证的仿真模型 | 确保模型捕捉到所需的关键特征 |
| 准备实验数据 | 收集与模型相关的实验数据 | 数据需要是准确和可信赖的 |
| 运行仿真 | 执行仿真分析 | 确保仿真设置正确，无遗漏的物理现象 |
| 结果对比 | 将仿真结果与实验数据进行对比 | 关注关键参数，如位移、应力等 |
| 灵敏度分析 | 分析模型参数对结果的影响 | 识别敏感参数，提供设计改进的方向 |
| 报告编写 | 撰写验证报告 | 汇总分析结果和验证过程中的发现 |

通过以上步骤可以确保模型在满足工程需求的同时保持了必要的精度和可信度。

# 3. 仿真模型的分析过程

## 3.1 分析类型与选择

### 3.1.1 静力分析

在结构工程中，静力分析是最基础的分析类型，用于评估结构在静态载荷作用下的响应。静力分析不考虑惯性和阻尼效应，适用于静态或缓慢变化的载荷，如重力、固定压力、温度载荷和位移约束。

分析模型创建后，首先需要定义材料属性、几何属性、边界条件和载荷。在Nastran中，通过定义`PARAM`关键字和相应的物理量来设置静力分析所需的参数。

下面是一个简单的Nastran输入文件示例，执行一个静力分析：

SOL 101           ! 静力分析求解器
CEND              ! 结束卡片
BEGIN BULK        ! 输入数据块开始

$ 单元定义
EID, PID, CID, X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2, 
$ 节点定义
GRID, ID, X, Y, Z, 
$ 材料定义
MAT1, MID, E, NU,
$ 材料属性
$ 边界条件和载荷
SPC, SPCID, G1, G2, G3, 
$ 单元载荷
$ 分析参数定义
PARAM, UG, 1
$ 求解器监控
LOAD = 1          ! 加载步骤标识

ENDDATA           ! 输入数据块结束

在此文件中，`SOL 101`指定了求解器类型为静力分析。需要注意的是，每一条命令后都需要跟随相应的数据和参数，定义模型的各个方面。参数设置要确保材料属性（弹性模量E，泊松比NU）和物理约束（SPC）正确无误。

### 3.1.2 动力学分析

动力学分析关注的是结构在动态载荷下的响应。动态分析包括瞬态响应分析和频率响应分析。瞬态分析用于计算在随时间变化的载荷作用下的响应，而频率响应分析用于确定结构在周期性载荷作用下的动态响应。

动力学分析比静力分析复杂，因为它必须考虑结构的质量和阻尼。在Nastran中，通常需要使用`TSTEP`卡片来定义时间步长和总分析时间，并使用`DLOAD`或`ACEL`来施加动态载荷。

### 3.1.3 热分析

热分析用于模拟热传递过程，包括导热、对流和辐射。热分析在很多工程领域都很重要，例如电子设备冷却、航空航天器热防护和核反应堆的温度控制。

Nastran中执行热分析通常需要定义材料的热物理属性，如热导率、热容等，并通过`TEMP`或`HEAT`卡片施加温度载荷和热流。

## 3.2 分析设置与求解

### 3.2.1 分析参数的选择与配置

分析参数的选择与配置是仿真分析中至关重要的一环。参数配置不当可能会导致结果误差或计算不收敛。

以Nastran为例，分析参数通常包含在`PARAM`卡片中，如`UIMP`（单元积分点数）、`AUTOSPC`（自动边界条件设置）、`TOL`（容差设置）等。在定义这些参数时，需要根据模型的复杂性和分析的目的进行调整。

### 3.2.2 求解器的使用与监控

在Nastran中，根据不同的分析类型选用不同的求解器。例如，对于静力学问题，使用`SOL 101`；对于特征值问题，使用`SOL 103`；对于瞬态动力学问题，则使用`SOL 109`。

为了监控求解过程，可以在输入文件中添加`$`符号来标记注释，并使用`PARAM`卡片中的`POST`参数来控制输出结果的详细程度。例如：

PARAM, POST, 1    ! 开启求解器监控

监控过程包括检查求解过程中的迭代次数、残差和能量误差等，这些可以帮助评估求解的收敛性和计算的稳定性。

## 3.3 结果评估与优化

### 3.3.1 结果数据的读取与分析

仿真完成后，结果数据的读取与分析是评估设计是否满足要求的关键步骤。在Nastran中，结果数据通常存储在`.op2`或`.f06`文件中。

使用后处理软件（如Patran或Femap）可以读取这些文件，并以可视化的方式展示结果，如位移云图、应力云图、应变云图等。通过这些云图，工程师可以直观地看到结构在各种载荷下的响应，并进行进一步分析。

### 3.3.2 结构优化的基本流程与方法

结构优化是在满足约束条件下对设计参数进行调整，以达到减少质量、降低成本或提高性能的目的。在Nastran中，可以利用`SOL 200`（线性优化）和`SOL 299`（非线性优化）求解器执行优化分析。

优化流程通常包括：

1. 定义目标函数：如质量最小化或成本最小化。
2. 约束条件的设置：如应力限制、位移限制和频率要求。
3. 设计变量的定义：如材料密度、厚度或结构尺寸。
4. 执行优化循环：迭代求解直至找到最优解。

优化过程中，`PARAM`卡片和用户子程序（User Subroutines）用于控制优化过程。优化示例代码如下：

SOL 200          ! 线性优化求解器
SUBCASE 1        ! 定义子工况
OBJECTIVE       ! 定义目标函数
$ 结果数据的读取与分析
$ 结构优化的基本流程与方法
$ 高级建模技术
$ 用户自定义功能与宏编程
$ 并行计算与大规模仿真

在进行结构优化时，可能需要多次迭代，每次迭代都会修改设计变量，并重新进行仿真分析，直到获得满意的优化结果。

# 4. 仿真模型在实际工程中的应用

在本章中，我们将深入探讨仿真模型如何在不同工程领域中发挥关键作用，并分析它们在设计迭代中扮演的角色。此外，我们还将审视仿真模型在当前工程实践中的挑战以及未来的发展趋势。

### 4.1 应用案例分析

在工程实践中，仿真模型被广泛应用于多种行业，为产品设计和性能预测提供了强有力的支持。以下是几个不同领域的应用案例：

#### 4.1.1 汽车行业案例

汽车工业是仿真技术应用最为成熟的领域之一。汽车制造商使用仿真模型来优化车身结构、发动机性能和安全系统。例如，在碰撞模拟中，工程师使用仿真模型来评估乘员空间在不同撞击条件下的安全性。在动态分析中，可以通过改变悬挂系统的参数来研究车辆的操控性能。通过这些仿真，可以提前发现设计上的缺陷，并在实际制造和测试之前对产品进行改进。

graph TD;
    A[仿真模型] -->|预测试| B(碰撞模拟);
    A -->|优化| C(操控性能分析);
    B -->|调整设计| D[安全性能提高];
    C -->|调整设计| E[操控性能提高];

#### 4.1.2 航空航天案例

在航空航天领域，仿真模型用于评估飞行器结构的完整性和其在极端条件下的表现。例如，火箭的发射过程极其复杂，涉及巨大的温度变化和高速飞行的复杂流体动力学问题。通过在仿真环境中模拟这些过程，工程师可以评估并改进设计，以确保在真实飞行条件下的可靠性和安全性。

#### 4.1.3 建筑工程案例

在建筑工程中，仿真模型帮助设计人员和工程师评估建筑结构在自然和人为作用下的稳定性。通过模拟地震、风载等外部因素对建筑的影响，可以预测并优化建筑的结构设计，以抵御潜在的自然灾害风险。

### 4.2 仿真模型在设计迭代中的作用

仿真模型不仅仅是理论计算的工具，它们在产品的实际设计迭代过程中也发挥着核心作用。

#### 4.2.1 设计验证与改进

通过对产品的仿真分析，设计师可以验证设计的可行性，并在发现问题时进行快速迭代改进。例如，在设计一个新的零部件时，仿真模型可以帮助工程师理解其在各种负载和工作条件下的表现，从而指导材料选择和结构优化。

#### 4.2.2 多学科优化（MDO）的集成

多学科优化（MDO）是将多个学科的知识集成到产品设计过程中，以实现最优的设计解决方案。通过仿真模型，可以同时考虑结构、热力学、流体力学等多个学科的影响，实现跨学科的设计迭代和优化。

### 4.3 面临的挑战与发展趋势

随着技术的发展，仿真模型在实际工程中的应用也面临一系列挑战，并且新的发展趋势正在显现。

#### 4.3.1 仿真模型的精度与效率问题

高精度的仿真模型往往需要大量的计算资源和时间。随着模型复杂度的增加，如何平衡计算效率和结果精度，成为工程师必须面对的问题。

#### 4.3.2 新兴技术在仿真领域的应用展望

新兴技术如人工智能、机器学习和大数据分析正在逐渐渗透到仿真领域。通过这些技术的应用，可以进一步提高仿真分析的速度和准确性，从而使仿真模型在产品开发和设计过程中的作用更加突出。

graph LR;
    A[新兴技术] -->|增强| B[仿真模型精度];
    A -->|提升| C[仿真分析速度];
    B -->|提高设计质量| D[产品开发];
    C -->|缩短设计周期| E[设计过程];

在本章节中，我们通过对仿真模型在不同行业的实际应用案例分析，阐述了它们在设计迭代中的关键作用，并展望了仿真技术的发展趋势。通过这些探讨，我们得以了解仿真模型如何在现代工程实践中扮演着不可或缺的角色，并且不断推动技术的进步。

# 5. NASTRAN2018操作技巧与高级应用

在工程仿真领域，NASTRAN2018软件凭借其强大的分析能力，广受工程师们的青睐。本章我们将深入探讨该软件在操作技巧和高级应用方面的一些精髓。

## 5.1 高级建模技术

### 5.1.1 高级网格生成技术

网格划分是建模过程中十分关键的一步，它直接影响到仿真的精度和计算效率。NASTRAN2018提供了多种高级网格生成技术，以适应不同复杂度的模型需求。

- **映射网格（Mapped Mesh）**：在规则形状的结构上快速生成规则网格，适用于简单几何形状的结构。
- **扫掠网格（Sweep Mesh）**：适用于具有相似截面沿某一轴线变化的结构，如梁、壳等。
- **四面体网格（Tetrahedral Mesh）**：用于复杂的不规则结构，可以自适应地填充空间，但可能增加计算负担。
- **非结构化网格（Unstructured Mesh）**：提供了最大的灵活性来适应复杂几何结构，适用于复杂模型的精细网格划分。

创建高质量的网格需要考虑以下因素：
- 元素大小和形状的合理性。
- 网格在结构边界上的分布。
- 对于关键区域的网格细化。

### 5.1.2 材料模型的深入应用

在建模过程中，材料模型的选择对仿真的准确性至关重要。NASTRAN2018提供了丰富的材料模型，以模拟不同材料的复杂行为，包括各向异性材料、复合材料以及非线性材料等。

- **各向异性材料（Orthotropic Materials）**：对于纤维增强复合材料，需考虑材料主轴方向的刚度和强度。
- **复合材料（Composite Materials）**：通过定义层合板的铺层角度和属性，可以精确模拟复合材料结构。
- **非线性材料（Nonlinear Materials）**：当材料的应力-应变关系不再是线性时，可使用非线性材料模型进行描述。

### 代码示例（复合材料层合板定义）:

$ LAMINATE DEFINITION
$ 铺层顺序，厚度，角度
CPLSTN  1,  1.0,   0.
CPLSTN  2,  2.0,  45.
CPLSTN  3,  3.0,  90.
CPLSTN  4,  2.0, -45.
CPLSTN  5,  1.0,   0.
$ 定义层合板
MAT10   1, 1, 1000., 0.3, 1.0E5, 1.0E5, 1.0E5
LAMINA  1, 10, 1, 2, 3, 4, 5

## 5.2 用户自定义功能与宏编程

### 5.2.1 用户子程序的使用

NASTRAN2018允许用户通过编写子程序（Subroutines）来自定义仿真过程中的特定行为，例如材料非线性行为、接触问题的处理等。用户子程序的编写需要遵循Fortran语言规范。

- **材料非线性（Material Nonlinearity）**：用户可以通过编写材料子程序来模拟复杂的材料行为，例如塑性、蠕变等。
- **边界条件的动态调整（Boundary Conditions Adjustment）**：在某些动态仿真中，可能需要根据仿真过程中出现的新情况动态调整边界条件。
- **用户定义的载荷步（User-defined Load Steps）**：在分析过程中引入自定义载荷步，以模拟特殊的加载过程。

### 5.2.2 宏命令的编写与应用

宏命令（Bulk Data Entries）是NASTRAN用来定义模型信息的一种简便方式。通过编写宏命令，用户可以快速定义重复使用的模型组件或参数设置。

- **参数化建模（Parametric Modeling）**：使用宏命令可以定义参数化的模型，通过改变参数值来快速调整模型。
- **自动网格划分（Automated Meshing）**：宏命令可以预先定义好网格划分规则，然后应用到不同的几何结构上，提高建模效率。
- **后处理宏命令（Post-processing Macros）**：在后处理阶段，宏命令可以用来自动化分析结果的提取和报告生成。

### 代码示例（创建一个参数化网格宏命令）:

$ BULK DATA ENTRIES
$ 定义网格尺寸参数
$ GRID
GRID, 1, 0., 0., 0., 10.
GRID, 2, 10., 0., 0., 10.
$ CTETRA
CTETRA, 1, 1, 2, 3, 4

## 5.3 并行计算与大规模仿真

### 5.3.1 并行计算基础

随着现代计算机硬件的发展，尤其是在多核处理器的普及下，采用并行计算技术已经成为提升仿真效率的必然趋势。NASTRAN2018支持并行计算，能够有效利用多核处理器的能力，加速求解过程。

- **任务分配（Task Allocation）**：并行计算需要合理分配计算任务，保证各处理器负载平衡。
- **内存管理（Memory Management）**：优化内存使用，减少内存交换（Swapping）带来的性能损失。
- **结果合并（Result Aggregation）**：在多个处理器上分别计算完成后，需要合并结果数据。

### 5.3.2 大规模仿真策略与实例

在处理大规模的仿真问题时，合理规划计算策略是关键。这包括模型的简化、边界条件的假设、求解器的选择等。

- **模型简化（Model Simplification）**：去除不必要的细节，采用等效或简化模型。
- **子结构技术（Substructuring Technique）**：将大型结构划分为若干子结构，分别求解后整合。
- **分布式内存计算（Distributed Memory Computing）**：对于具有多个节点的集群系统，使用分布式内存计算可以进一步提高计算效率。

### 实例演示（子结构技术应用）:

假设有一个大型汽车模型，我们可以通过以下步骤将其划分为几个子结构进行并行计算：

1. **定义子结构**：确定子结构的边界，并将大型模型划分为若干部分。
2. **子结构分析**：分别对每个子结构进行仿真分析。
3. **整合分析结果**：使用主程序整合各个子结构的分析结果，得到整个系统的仿真结果。

## 表格展示（并行计算优势对比）

| 特性/方法 | 串行计算 | 并行计算 |
| -------------- | -------------- | -------------- |
| 计算速度 | 慢 | 快 |
| 计算资源需求 | 较低 | 较高 |
| 资源利用率 | 较低 | 较高 |
| 可扩展性 | 有限 | 高度灵活 |
| 适用性 | 小型问题 | 大型问题 |

通过本章内容的学习，我们理解了NASTRAN2018在高级建模、用户自定义功能、并行计算等方面提供的强大功能和操作技巧。这些高级应用能够显著提升仿真分析的效率与准确性，对于工程实践中的复杂问题解决具有极大的帮助。