MSC Nastran具備靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、非線性、優(yōu)化、氣彈等功能全面的結(jié)構(gòu)分析功能，在航空航天、汽車、船舶等各個(gè)行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。

所謂Global Local分析指的是進(jìn)行兩次分析，第一次是針對(duì)于整體模型的分析，第二次是針對(duì)局部模型的分析。對(duì)于整體模型的分析一般來(lái)說(shuō)網(wǎng)格相對(duì)較粗，這樣可以迅速的了解結(jié)構(gòu)整體在各種工況條件下的傳力和載荷情況。而對(duì)關(guān)鍵零部件的局部分析，根據(jù)實(shí)際分析需求，網(wǎng)格可能相對(duì)更細(xì)（也可能不變）。但是由于局部分析所針對(duì)的模型尺寸較小，所以即使更細(xì)的網(wǎng)格，其模型整體的規(guī)模也有限，這樣可以更加準(zhǔn)確的掌握這些關(guān)鍵零部件在各種工況條件下的表現(xiàn)。而這兩次分析之所以是一套完整的分析技術(shù)，其關(guān)鍵在于第二次分析所使用的邊界條件和載荷條件是來(lái)源于第一次分析，這樣可以確保通過兩次分析，快速而準(zhǔn)確地達(dá)到各自的分析目標(biāo)。

本篇內(nèi)容就來(lái)介紹一下MSC Nastran的Global Local分析技術(shù)，主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

方法一：空間插值實(shí)現(xiàn)邊界條件的傳遞

方法二：借助外部超單元

方法三：CARVE（MSC Nastran 2024.2新功能）

方法四：網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化

01 空間插值實(shí)現(xiàn)邊界條件的傳遞

這種方法是目前應(yīng)用較為廣泛的方法，借助Patran的FEM場(chǎng)映射工具，將整體模型分析得到的位移數(shù)據(jù)或者載荷數(shù)據(jù)插值映射到局部模型上去，從而可以完成局部模型邊界或者載荷條件的定義。詳細(xì)的操作流程請(qǐng)參考附件[1]。

此方法的操作流程大致如下：

1) 進(jìn)行全局模型分析；

2) 將全局模型的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Patran，查看其位移的矢量場(chǎng)；

3) 在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建位移的FEM場(chǎng)；

4) 通過此FEM場(chǎng)來(lái)定義局部模型的邊界條件；

5) 定義局部模型的其它載荷條件，提交計(jì)算完成分析。

這種方法雖然目前應(yīng)用較為廣泛，但是也存在一定的不足。這是因?yàn)榇朔椒m然可以較為友好、方便、準(zhǔn)確的將整體模型計(jì)算得到的位移或者載荷結(jié)果映射到局部模型的邊界上，但是局部模型區(qū)域在整體模型中是與其它零部件相連的。這種連接關(guān)系在絕大多數(shù)情況下，既不是完全剛性也不是完全自由的，但是具體的連接剛度的數(shù)值難以評(píng)估。因此從這方面來(lái)說(shuō)，此方法在準(zhǔn)確性上還有一些不足，使用時(shí)需要謹(jǐn)慎。

02 借助外部超單元實(shí)現(xiàn)

鑒于前一種方法存在剛度不夠準(zhǔn)確的問題，還有一種借助外部超單元分析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Global Local分析的方法[2]。

這種方法將整體模型中，將用戶所關(guān)心的局部區(qū)域以外的所有部分創(chuàng)建生成外部超單元，而用戶所關(guān)心的局部區(qū)域作為殘余結(jié)構(gòu)，可以采用更加精細(xì)的網(wǎng)格。而局部模型的實(shí)際分析過程，其實(shí)就是一個(gè)外部超單元的裝配分析過程。

如下圖所示，左側(cè)機(jī)頭結(jié)構(gòu)為整體模型，右側(cè)部分為用戶所關(guān)心的框架結(jié)構(gòu)。將左側(cè)圖中灰色部分縮聚為外部超單元，在對(duì)右側(cè)局部模型分析時(shí)，其原有的邊界位置的連接剛度等特性會(huì)通過外部超單元與此殘余結(jié)構(gòu)的裝配分析而完整準(zhǔn)確的予以保留。因此這種方法相對(duì)于方法二來(lái)說(shuō)，會(huì)更加準(zhǔn)確。

說(shuō)明：圖片來(lái)源于[2]

如果用戶對(duì)這個(gè)局部模型的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，可能會(huì)導(dǎo)致外部超單元所創(chuàng)建的縮聚點(diǎn)（或者外部連接點(diǎn)），與局部模型上的點(diǎn)不匹配。對(duì)于這個(gè)問題，Patran中也提供了專門的工具予以解決：Utilities----FEM General----RBE3 Model Connection。

下文也提供了一個(gè)使用此方法的算例，見[1]。

03 CARVE方法

方法2彌補(bǔ)了方法1在局部模型邊界剛度方面準(zhǔn)確度不足的劣勢(shì)，但是方法2相對(duì)較為復(fù)雜，需要用戶預(yù)先掌握縮聚、外部超單元相關(guān)的理論和操作方法，使用門檻相對(duì)較高。

因此MSC Nastran 2024.2推出的新的方法：CARVE。此方法在本質(zhì)和方法2是一樣的，但是從用戶使用上來(lái)說(shuō)非常直觀和簡(jiǎn)便，而且MSC Apex還具備完善的界面支持，對(duì)用戶非常友好。

CARVE方法的使用可以分為兩步：

1) 從全局模型分離局部模型，并創(chuàng)建外部超單元

2) 外部超單元和局部模型的裝配分析

在第一步中通過在模型文件中添加相應(yīng)的卡片（CARVE、MDSET3）來(lái)選定局部模型。MSC Apex界面可以簡(jiǎn)單高效的來(lái)完成這一任務(wù)，用戶可以完全不需要進(jìn)行卡片編輯操作。第一步分析結(jié)束后，MSC Nastran會(huì)自動(dòng)生成第二步所需的bdf文件，用戶只需要提交計(jì)算即可。

如上圖所示的飛機(jī)模型，假設(shè)我們想針對(duì)右機(jī)翼的內(nèi)側(cè)局部（高亮區(qū)域）進(jìn)行局部分析，可以首先在MSC Apex對(duì)這個(gè)區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)組。然后在下圖Global Local job generator中選擇這個(gè)局部模型構(gòu)建的組，接著設(shè)置好外部超單元的格式，如op2、pch或者dball文件，繼續(xù)選擇原始全局模型的bdf文件，并設(shè)置好輸出文件的文件夾位置和文件名稱，點(diǎn)擊創(chuàng)建Create Carve Job即可完成第一步文件的生成。

下圖是一個(gè)生成文件示例，第一行所示的文件為原始的、未作任何更改的全局模型文件，后續(xù)的四個(gè)文件為MSC Apex創(chuàng)建的文件，其中*.bdf為主文件，其余文件均被此主文件引用，不需要額外關(guān)注。

用戶直接提交主文件計(jì)算即可自動(dòng)生成局部模型文件，進(jìn)而可以直接對(duì)局部模型文件提交計(jì)算即可快速完成局部模型的分析任務(wù)。

CARVE方法除了可以完成上述分析任務(wù)之外，還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)特別值得注意。在第二種方法中，外部超單元中的載荷數(shù)據(jù)是保存PAX（邊界載荷矩陣）之中的，用戶無(wú)法直接提取和使用。而CARVE方法中這些載荷會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成力和力矩的FORCE/MOMENT卡片數(shù)據(jù)保存在bdf文件之中，便于用戶后續(xù)直接使用。

目前此方法僅支持SOL101和SOL103。關(guān)于此方法更詳細(xì)內(nèi)容，請(qǐng)參考MSC Nastran 2024.2發(fā)布指南。

04 網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化（Adaptive Meshing)

這種方法嚴(yán)格的說(shuō)并不屬于Global-Local分析方法，但是可以部分的實(shí)現(xiàn)類似的功能，即：既可以快速的得到結(jié)構(gòu)整體的性能又可以準(zhǔn)確的掌握局部細(xì)節(jié)的表現(xiàn)，因此在這里一并介紹一下。網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化技術(shù)可以應(yīng)用于SOL 101和SOL 400中的線性求解。此方法詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參考MSC Nastran幫助文檔中的《線性靜力學(xué)分析手冊(cè)》中的第18章[3]。

網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化依據(jù)用戶預(yù)先設(shè)置的細(xì)化區(qū)域和細(xì)化準(zhǔn)則，在模型計(jì)算過程中自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的位置的網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)的加密，從而提高了此區(qū)域位置的求解精度，而盡量降低由于網(wǎng)格加密引起的模型自由度的增加，避免了效率的顯著降低。而且這一過程是MSC Nastran在計(jì)算過程中自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的，無(wú)需用戶干預(yù)。

在建模階段，用戶在工況控制段采用HADAPT來(lái)引用模型數(shù)據(jù)段的HADAPTL的ID編號(hào)。模型數(shù)據(jù)段的HADAPTL來(lái)定義加密區(qū)域，其第六域引用HADACRI的ID號(hào)，HADACRI卡片定義加密準(zhǔn)則。

例如下圖中的圓柱殼在中間位置承受一個(gè)單節(jié)點(diǎn)的力載荷。上半?yún)^(qū)域和下半?yún)^(qū)域分別定義了不同的單元屬性。

在選擇加密區(qū)域時(shí)既可以選擇全部網(wǎng)格，也可以根據(jù)單元屬性來(lái)選擇相應(yīng)的屬性ID來(lái)進(jìn)行有針對(duì)性的網(wǎng)格加密。但是為即使選擇了ID為2的下半?yún)^(qū)域進(jìn)行加密，在上半?yún)^(qū)域與下半?yún)^(qū)域相連接的位置，也會(huì)進(jìn)行一定程度的加密以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

如果加載條件修改為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的力載荷，下圖中可以看出，軟件可以自動(dòng)在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)附近的區(qū)域進(jìn)行加密以確保其計(jì)算結(jié)果滿足精度要求。

05 文章小結(jié)

本篇內(nèi)容對(duì)MSC Nastran在Global Local分析方面幾種方法進(jìn)行了概括性的介紹，包括：空間插值實(shí)現(xiàn)邊界條件傳遞、借助外部超單元、網(wǎng)格自適應(yīng)細(xì)化，以及最新的CARVE方法。歡迎廣大用戶對(duì)上述各種方法進(jìn)行嘗試。

06 參考文獻(xiàn)

1.教程：

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鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1EUmxcIlxj9sRyqH6wP53Rg?pwd=89nj 

提取碼：89nj

2. Taylor R , Garcia J , Tang P S .Using Optimization for Structural Analysis Productivity Improvement on the F-35 Lightning II[C]. AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, & Materials Conference. 2013.DOI:10.2514/6.2007-2312.

3. MSC Nastran Linear Static Analysis User’s Guide

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