Nastran  顯式非線性分析SOL 700

MSC Nastran SOL 700完全集成了MSC Dytran的流固耦合分析功能和LS-DYNA的結構分析功能，可進行各種高度瞬態非線性事件的仿真分析。該模塊采用顯式積分法，并能模擬各種材料非線性、幾何非線性和碰撞接觸非線性，特別適合于分析包含大變形、高度非線性和復雜的動態邊界條件的短暫的動力學過程。軟件同時提供拉格朗日求解器與歐拉求解器，因而既能模擬結構又能模擬流體。拉格朗日網格與歐拉網格之間可以進行耦合，從而分析流體與結構之間的相互作用，形成精確獨特的流固耦合求解技術。該軟件具有豐富的材料模型，并且提供各種接觸的定義模式，能夠模擬從金屬、非金屬(包括土壤、塑料、橡膠，泡沫等)到復合材料，從線彈性、屈服、狀態方程、破壞、剝離到爆炸燃燒等各種行為模式，及模擬各種復雜邊界條件。對于超大變形問題，SOL 700提供了獨特的無網格SPH(Smooth ParticleHydrodynamics)技術，保證計算的收斂和精度。同時，SOL 700還支持鏈式分析功能，可以進行顯式一顯式、顯式一隱式、隱式一顯式一隱式的鏈式分析，用于多步跌落分析、回彈分析和預應力一回彈分析。

SOL 700模塊支持160多種材料模型，具有50多種接觸類型，接觸類型齊全，并具有極好的并行計算能力，包括分布式并行算法(DMP)和共享內存式并行算法(SMP)。DMP不僅可用于結構分析，而且可用于流固耦合分析，支持含多材料歐拉域的FSI分析。目前，SOL700已經支持LSTC 50%分位的三代假人模型。

SOL700廣泛應用在以下領域：

(1)結構的碰撞性分析，如汽車、飛機、火車、輪船等運輸工具的碰撞分析、船體擱淺、鳥體撞擊飛機結構、航空發動機包容性分析等。

(2)安全防護分析，如安全頭盔設計、安全氣袋膨脹分析以及汽車一安全氣囊一人體三者結合在汽車碰撞過程中的響應，飛行器安全性分析(飛行器墜毀、帶氣囊著陸等)。

(3)跌落試驗，如各種物體(武器彈藥、化工產品、儀器設備、電器如遙控器、手機、電視機等)的跌落過程仿真。

(4)金屬彈塑性大變形成型，如鈑金沖壓成型、全三維鍛造成型等。

(5)爆炸與沖擊，如水下爆炸、地下爆炸、容器中爆炸對結構的影響及破壞、爆炸成型、爆炸分離、爆炸容器的設計優化分析、爆炸對建筑物等設施結構的破壞分析、聚能炸藥的能量聚焦設計分析、戰斗機結構的設計分析。

(6)水下/空中彈體發射過程，火炮助推器模擬，動態仿真高速、超高速穿甲，如飛彈打擊或穿透靶體(單個或復合靶體)及侵徹過程等問題。

(7)流體動力分析，如液體、氣體的流動分析、液體晃動分析，水上迫降。

(8)輪胎在積水路面排水性和動平衡分析，高速列車運行系統動力學分析。高速列車穿隧道的沖擊波響應，高速列車運行中引起的空氣脈動力對聲屏障結構的作用，車輛過橋的動態響應以及其他瞬態高速過程仿真。

（1）建立碰撞運動方程

在總體坐標系下，碰撞的運動方程可以表示為：

[M]{a}+[C]{ν}+[K]2s0sek2={F^ex}

式中：[M]為結構的質量矩陣；[C]為結構的阻尼矩陣；[K]為結構的剛度矩陣；{a}為加速度向量；{ν}為速度向量；k20ycq2為位移向量；{F^ex}為包括碰撞力在內的外力向量。

若令{Fⁱⁿ}=[C]{v}+[K]cqma022，并設{F^re}={F^ex}-{Fⁱⁿ},則碰撞方程可以寫成為：

[M]{a}={F^re}

如果采用集中質量，即質量矩陣[M]變成對角矩陣，則各個自由度的方程將是相互獨立的，即：

M_ia_i=F_i^re(i=1,2.…)

（2）顯式積分算法

用顯式方法求解碰撞運動方程，首先由方程直接求出

a_i=F_i^re/M_i

然后對時間積分求得速度v_i，再積分一次就可獲得位移d_i。這里采用中心差分的顯式格式進行時間積分，中心差分的顯式格式為：

因此在整個時域范圍內，可由上述積分遞推公式求得各個離散時間點處的位移、速度和加速度。顯式積分不需要進行矩陣分解或求逆，無須求解聯立方程組，也不存在收斂性問題，因此計算速度快，其穩定性準則能自動控制計算時間步長的大小，保證時間積分的進度。應用顯式積分算法求解碰撞問題時，一個特別值得注意的問題就是時間步長不能超過臨界時間步長。對于本文的殼元t<α(L_min/c),式中α為時步因子，L_min為板殼元最小的單元邊長度，c=√E/(1-ν2)ρ為材料的聲速。

文章來源：精準CAE部落