NASTRAN 2018 集成CAE流程：如何与CAD系统无缝对接


参考资源链接：[MSC Nastran 2018官方快速参考指南](https://wenku.csdn.net/doc/6401abd2cce7214c316e9a01?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. NASTRAN 2018与CAD系统集成概述

## 1.1 简介
NASTRAN是工程领域中一个广泛使用的计算机辅助工程（CAE）软件，它主要应用于结构分析。随着现代工业设计的日趋复杂化，将CAD（计算机辅助设计）系统与NASTRAN这样的CAE工具集成在一起，已经成为了提高设计效率和确保产品设计质量的关键。

## 1.2 集成的重要性
集成CAD与CAE系统能够从设计初期就预测产品的实际性能，从而减少后期制造中的问题。这种集成不仅缩短了产品从设计到生产的周期，也降低了成本和时间的投入，使得产品快速响应市场变化。

## 1.3 应用前景
随着制造业技术的不断进步和优化，CAD与NASTRAN 2018的集成应用有着广阔的前景。本章节将详细探讨这种集成的必要性、可能的挑战以及如何优化集成流程，以期为相关从业人士提供参考和启示。

# 2. 理解CAE流程的基础理论

## 2.1 CAE流程的核心概念

### 2.1.1 CAD与CAE的关系

计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）是现代设计和分析过程中的两个关键技术。CAD主要负责产品的设计阶段，创建精确的几何模型。而CAE则在设计的后期阶段，对这些CAD模型进行工程分析，如结构分析、热分析、流体动力学分析等。

CAD与CAE的关系是互补的。CAD模型为CAE分析提供必要的几何基础和边界条件。CAE的分析结果又可以反作用于设计过程，对CAD模型进行修改优化，形成一个迭代的过程，最终确保设计的性能和可靠性。

### 2.1.2 CAE流程的基本步骤

CAE流程通常包含以下几个基本步骤：

1. 预处理：在这个阶段，CAD模型需要被导入到CAE软件中，并进行网格划分、材料属性定义、边界条件和载荷设定。

2. 求解计算：在预处理完成后，使用CAE软件的求解器进行计算。求解器利用有限元分析（FEA）、计算流体动力学（CFD）等技术，求解复杂的工程问题。

3. 后处理：求解完成后，CAE软件提供可视化的结果分析，包括应力、变形、温度分布等。后处理阶段还可以进行敏感性分析和设计优化。

4. 结果评估与决策：最后，工程师根据CAE结果评估设计方案的可行性，并作出是否需要修改设计或进一步分析的决策。

## 2.2 NASTRAN 2018的CAE技术框架

### 2.2.1 NASTRAN 2018的主要功能和模块

NASTRAN是一款功能强大的CAE软件，其核心模块包括：

- **结构分析模块**：用于进行线性和非线性结构分析，包括静力学、模态分析、屈曲分析等。

- **热分析模块**：用于计算热传递问题，如导热、对流和辐射。

- **流体动力学模块**：用于模拟流体流动和热传递，包括不可压缩和可压缩流体。

- **优化模块**：提供拓扑优化和形状优化功能，用于改进产品设计。

- **疲劳分析模块**：评估产品在交变载荷下的疲劳寿命。

### 2.2.2 NASTRAN与其他CAE软件的比较

NASTRAN被广泛用于航空航天、汽车制造、船舶工程等领域，其与其它CAE软件如ANSYS、ABAQUS等的对比主要体现在：

- **计算精度**：NASTRAN以高计算精度著称，尤其是在航空航天领域，其计算结果有较高的行业认可度。

- **适用范围**：尽管NASTRAN在多个领域都有应用，但ANSYS和ABAQUS可能在某些特定类型的分析上拥有更为丰富的功能和更高的灵活性。

- **用户界面**：与其他CAE软件相比，NASTRAN的用户界面可能更为复杂，学习曲线较陡，但用户一旦掌握后，可以进行非常深入的分析。

- **成本**：NASTRAN作为一款专业软件，其价格通常高于市场上一些新兴的CAE工具，这在一定程度上影响了其在小型企业和教育领域的普及。

## 2.3 CAD系统数据准备与转换

### 2.3.1 CAD数据的重要性

CAD数据是任何CAE分析的起点。高质量的CAD模型对于保证CAE分析的准确性至关重要。CAD数据不仅需要精确地表示产品的几何形状，还要包括足够的细节，如材料属性、边界条件等。这些数据将直接影响CAE分析的输出结果。

CAD数据的准备包含：

- **简化模型**：去除小特征和细节，以减少计算的复杂度和时间。

- **修复错误**：确保模型没有几何错误，比如重叠的面、不一致的边界等。

- **特征识别**：分析模型的特征，为CAE分析的网格划分和材料属性分配做准备。

### 2.3.2 CAD到CAE数据转换的标准和工具

CAD到CAE的转换是一个复杂的过程，因为CAD系统和CAE软件可能在数据结构、几何表示和物理属性定义方面存在差异。因此，CAD数据需要按照CAE软件的格式要求进行转换。常用的转换标准包括：

- **STEP格式（ISO 10303）**：支持几何和拓扑信息的交换，适用于多种CAD/CAE系统。

- **IGES格式（Initial Graphics Exchange Specification）**：用于2D和3D矢量图形数据的交换。

转换工具包括：

- **内置转换器**：大多数CAD和CAE软件都提供内置的数据转换器，如CATIA与NASTRAN的内置转换。

- **第三方转换工具**：如HyperMesh、SimLab等，它们可以处理多种CAD格式，并生成适用于不同CAE软件的网格模型。

以下是转换工具的一个表格比较：

| 工具 | 支持格式 | 优点 | 缺点 |
|-------------|-------------------|----------------------------------|----------------------------------|
| HyperMesh | CATIA, NX, Creo | 强大的网格控制和优化功能 | 较高的学习曲线 |
| SimLab | IGES, STEP, STL | 用户界面友好，操作简单 | 高级分析功能有限 |
| CADdoctor | 多种CAD格式 | 强大的数据清理和修复功能 | 转换大型复杂模型时速度较慢 |

CAD到CAE的数据转换流程可以用以下的mermaid流程图表示：

graph LR
    A[开始] --> B[选择转换工具]
    B --> C[读取CAD模型]
    C --> D[修复几何错误]
    D --> E[简化模型细节]
    E --> F[导出CAE兼容格式]
    F --> G[导入CAE软件]
    G --> H[CAE预处理]
    H --> I[CAE求解分析]
    I --> J[CAE后处理]
    J --> K[结束]

在实际转换过程中，CAD模型可能需要多次迭代，以确保转换后的数据既满足CAE软件的要求，又保留了足够的设计信息。数据转换的质量直接影响后续分析的效率和准确性，因此，选择合适的转换工具和策略非常关键。

# 3. NASTRAN 2018与CAD系统集成实践

CAD系统与NASTRAN 2018的集成并非是一个简单的任务，它涉及到一系列复杂的数据处理和模型转换步骤。理解并掌握这些实践技巧对于CAE工程师来说至关重要，它可以显著提高工作效率，缩短产品开发周期，并确保最终的CAE模型质量。本章将深入探讨CAD模型导入NASTRAN的流程、数据接口技术以及模型验证与修改的方法。

## 3.1 CAD模型导入NASTRAN的流程

CAD模型导入NASTRAN的过程可以分为两个主要阶段：首先是导入前的准备，确保CAD模型的质量符合NASTRAN的要求；其次是在NASTRAN中导入模型的具体方法。下面将详细阐述这两个步骤。

### 3.1.1 导入前的CAD模型检查和准备

在CAD模型可以成功导入NASTRAN之前，必须确保模型的质量。这包括检查模型的几何精度、拓扑结构、材料属性以及单位系统是否与NASTRAN兼容。该阶段的关键任务是识别和修正CAD模型中的任何不一致或错误。

- **几何精度检查**：检查模型中是否存在多余的几何体、小的裂缝或是重叠的面等。这些问题可能会在后续分析中导致不准确的结果。
- **拓扑结构检查**：模型应该具有合适的拓扑结构以便于进行有限元分析（FEA）。这意味着实体模型应被转换为适合NASTRAN识别的面、线和点。
- **材料属性检查**：CAD模型中必须定义正确的材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等。未定义的属性将无法在NASTRAN中进行物理模拟。
- **单位系统的一致性**：确保CAD模型的单位系统与NASTRAN的单位系统一致，以避免由于单位转换导致的错误。

### 3.1.2 NASTRAN中的模型导入方法

在完成了上述检查和准备工作后，就可以开始CAD模型的导入了。在NASTRAN中导入CAD模型可以通过多种途径实现，这里我们将探讨常见的几种方法。

- **直接导入**：如果NASTRAN支持CAD软件的原生文件格式，可以直接导入CAD模型。例如，NASTRAN可以支持导入CATIA、SolidWorks、Pro/E等软件生成的`.prt`或`.asm`格式文件。
- **使用中间格式**：在无法直接导入的情况下，可以利用STL、IG