一、MSC.DYTRAN開發歷史

MSC.DYTRAN以無可爭辯的實力，贏得世界頂尖高度非線性、流-固耦合、瞬態動力響應仿真軟件的地位。了解MSC.DYTRAN的開發歷史，更能夠理解MSC.DYTRAN在同類軟件中獨特之處。

MSC.DYTRAN的第一個商業版本發布于1991年，是集MSC公司兩個核心軟件MSC.DYNA和MSC.PISCES之大成，開高度非線性、流體-結構耦合、瞬態動力響應仿真商用軟件之先河的領先產品。

MSC.DYNA 是在著名結構瞬態動力響應軟件LS-DYNA 3D框架下，經過MSC公司全面更新后，在1988年正式發布的非線性結構動力學仿真軟件。MSC.DYNA繼承了LS-DYNA 3D優異的快速顯式積分算法和豐富的材料模式，被廣泛用于分析各種非線性瞬態響應，如高速撞擊、接觸摩擦、沖壓成型等。但是，仍然有大量的工程問題不是單一的結構分析所能解決的，對流體的影響甚至流體-結構相互作用的關心變得更為重要。MSC公司對這種需求的回應就是在MSC.DYNA中增加高級的流體動力學分析能力，為此MSC公司看中著名的荷蘭PISCES INTERNATIONAL公司開發的高級流體動力學和流體-結構相互作用仿真軟件PICSES。當時的PISCES軟件在國防、航空航天、核安全、汽車、石化、土木等領域廣泛應用。特別是在國防行業，PISCES成功地用于沖擊、穿甲、爆炸（水下爆炸）等軍事工程分析，其卓越品質和功效，早已成為不爭的事實。MSC于1990年收購PISCES公司，隨后更新PICSES以MSC.PICSES產品發布。

MSC.DYTRAN 的問世堪稱MSC.DYNA和MSC.PICSES強強聯合，優勢互補的成功佳作。這兩者嚴密整合、推陳出新的產品除了具備所有原有優勢外，還因MSC公司在MSC.PISCES的歐拉模式算法基礎上,自行開發了先進的物質流動算法和流固耦合算法,使得MSC.DYTRAN成為全球第一個能夠用完全耦合的方法模擬復雜的流體-結構相互作用的大型商用軟件。作為MSC產品家族的后起之秀，MSC.DYTRAN在單元庫、數據結構、前后處理等方面與MSC的王牌產品MSC.NASTRAN取得了全面一致。

在1994 年MSC公司收購了當時全球第二大CAE廠商PDA Engineering公司后,MSC.PATRAN成為MSC公司產品的前后處理框架系統。MSC所有的求解器產品，都以MSC.PATRAN為界面。 MSC同樣為MSC.DYTRAN開發了MSC.PATRAN 與MSC.DYTRAN的界面接口, 全新、方便、快捷的MSC.PATRAN前后處理器,使得MSC.DYTRAN向領導CAE自動化邁進了一大步。

在MSC.DYTRAN 問世的十余年中，歷經無數航空、航天、汽車、鐵路、國防、核工業等領域科研和工程項目考驗，在全球用戶中有口皆碑。以美國軍方近年CAE選型過程對包括 MSC.DYTRAN在內的三個同類軟件的評測為例，可窺一斑。該項評測基于兩類原則：軟件功能的最小可接受原則；考慮用戶目前尚不需要的額外功能和特色的理想原則。評測內容包括技術特色和非技術特色兩大類，采用加權平均的評估算法，獲得最后評測報告。就技術而言，MSC.DYTRAN在材料非線性、幾何非線性、接觸和材料模型及損傷模擬、材料模型擴展能力、軟件可擴充性、流體-結構相互作用和高級復合材料模擬等諸多方面獲得最高分數。非技術的考核結果表明，MSC.DYTRAN軟件運行速度非常有效，極好的不同硬件平臺數據兼容性、行業接受度和友好的用戶界面、充足的軟件文檔資料，和前后處理的協調一致。這一項MSC.DYTRAN也獲最高分。此外，對三個軟件考核分析與實驗結果的可對比性，MSC.DYTRAN以最小的分析誤差獲勝。經受如此正規和嚴厲考驗的MSC.DYTRAN因此成為深得美國軍方信任的非線性瞬態動力分析軟件，得到全面應用。

MSC.DYTRAN應用范圍

MSC.DYTRAN 是具有快速模擬瞬態高度非性結構、氣體/液體流動、流體-結構相互作用的大型商用軟件。采用高效的顯式積分技術，支持廣泛的材料模型和高度組合非線性分析及流體-結構的全耦合。尤其擅長對高速碰撞、結構大變形和瞬時內發生的流體結構相互作用事件的仿真。廣泛應用于：

• 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、爆炸成形、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、戰斗部結構的設計分析；


• 水下/空中彈體發射過程，火炮制推器模擬動態仿真


• 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


• 結構的適撞性分析，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；


• 金屬彈塑性大變形成形，如鈑金沖壓成形、噴丸成型、全三維鍛造成形等


• 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


• 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


• 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～氣袋～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、氣囊著陸等）


• 輪胎在積水路面排水性和動平衡分析


• 高速列車行駛的輪軌動力學，高速列車穿隧道的沖擊波響應，車輛過橋的動態響應等 及其它瞬態高速過程仿真。

為什么選擇MSC.DYTRAN

用戶選擇軟件時會從軟件品質、是否滿足需求等方面擇優。軟件品質的優劣涉及到正確性（精度）、可靠性（經過測試認證）、相溶性（與CAD或其他CAE軟件及界面的整合能力）、靈活性（易于客戶化）、可用性（界面友好、易學習）及效率（對計算機資源和時間的占用降到最低）等諸多因素。而客戶在考慮需求時需要兼顧近期需求和長遠目標、軟件的最小可用性和理想可用性。綜合上述因素得到的CAE選型結果，才是贏得最大商業利益的正確投資。

對需要模擬產品的高速非線性動力特性的用戶來說，MSC.DYTRAN具有以下諸方面的品質優勢：

• 易于建模：MSC.DYTRAN與MSC.PATRAN完全集成，利用MSC.PATRAN與各類CAD軟件的強大接口可訪問各類CAD軟件，能夠方便獲得分析的幾何模型。而MSC.DYTRAN與MCAE標準的MSC.NASTRAN一致的數據格式，又使得絕大多數的第三方軟件也能生成 MSC.DYTRAN所需的輸入數據格式。MSC.DYTRAN的強大集成特性，有助于減少在數據轉化和傳遞過程的無畏花費。


• 經過考驗的分析求解：MSC.DYTRAN的瞬態非線性動力分析提供的結構和材料流動分析、流體-結構耦合功能，經歷無數考驗，是最有資格完成復雜的瞬態非線性動力響應仿真工具。


• 結構分析能力：MSC.DYTRAN利用MSC先進的顯式算法求解技術分析結構動力響應。它包括完整的單元類型和大量的材料模型，范圍從金屬、復合材料到塑料和泡沫。提供極度大變形和結構失效分析功能，以及模擬結構之間或結構本身通過接觸傳遞的復雜相互作用。


• 材料流動的歐拉描述：MSC對材料流動的模擬采用經典的歐拉技術，網格固定在空中不動且不產生變形。材料只是從一個單元流動到另一個單元，避免了材料大變形所帶來地單元畸變。MSC.DYTRAN的歐拉格式適于結構、氣體和流體分析，正是基于這種格式，使MSC.DYTRAN的分析能夠擴展到復雜的沖擊和穿透問題。


• 精確的流體-結構耦合：MSC.DYTRAN將純結構的有限元技術和純流動的歐拉有限體積技術結合，提供獨特的功能完成精確的流體-結構耦合模擬，解決大量復雜的實際流體-結構耦合工程問題，而對這類工程問題，那些只有結構分析能力或單有歐拉格式的流體模擬功能的軟件是無能為力的。


• 快速有效的分析：MSC.DYTRAN融入了最新的MCAE技術，確保分析過程的快速完成，對產品實際設計過程提供及時的分析依據。MSC.DYTRAN 分析時間的縮短依靠先進的數值方法和省力的建模工具，工程師和分析專家不必花太多時間等候分析結果，而將注意力放在對設計的改進上。MSC.DYTRAN 的每個版本發布之前都要經過實際工程問題考核，確保在解決實際問題時具有滿意的性能和精度。


• 應用領域多樣性：從航空航天和汽車碰撞到船舶觸礁，從氣囊開發到爆炸分析，從沖擊穿透到輪胎排水性模擬，MSC.DYTRAN所能伸展到的應用領域覆蓋國防、航空航天、汽車、船舶、核能、土木、石化、冶金等各個工業部門的產品設計、開發和運行維護。這種強大的適用性和靈活性使MSC.DYTRAN在MSC 對各行業產品設計的MCAE解決方案中，通常成為必選軟件之一。


• 靈活性和易于客戶化：MSC.DYTRAN能夠在從UNIX工作站到PC機的廣泛硬件平臺上運行。在MSC.PATRAN的PCL開發語言和開發環境支持下，易于實現客戶化，滿足客戶的特殊需求。


• MSC.DYTRAN的專業化服務：MSC在提供軟件同時，還奉獻一流專業化服務。對商家選擇MSC公司和MSC.DYTRAN所注入的投資，MSC以對產品開發的MCAE戰略、軟件工具和專業化服務的一攬子解決方案來回聵。MSC售出一流軟件后，再以高水平專業化的技術支持、軟件培訓、詳盡文檔資料和咨詢服務配合跟進，確保用戶花在MCAE上的投資物有所值，回報豐厚。

二、 MSC.DYTRAN理論背景

支持MSC.DYTRAN強大的瞬態動力、流體-結構耦合分析功能的基礎，是MSC.DYTRAN極具特色的先進算法。MSC.DYTRAN的算法基本上可以概況為：MSC.DYTRAN采用基于Lagrange格式的有限單元方法（FEM）模擬結構的變形和應力，用基于純Euler格式的有限體積方法（FVM）描述材料（包括氣體和液體）流動，對通過流體與固體界面傳遞相互作用的流體-結構耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和純Euler 格式的有限單元與有限體積技術，完成全耦合的流體-結構相互作用模擬。由于MSC.DYTRAN集中于模擬瞬間事件，采用快速準確的顯式時間積分格式，模擬短暫瞬態過程中質量慣性和各類阻尼的影響。

Lagrange格式的有限單元技術（FEM）和Euler格式有限體積技術（FVM）并存

任何力學系統都是由無數質點構成的，而不同質點占有各不相同的空間坐標。有兩種定義空間坐標的方法，即Lagrange方法和Euler方法。

Lagrange 方法是把坐標原點固定在系統的某個質點上。當系統的位形發生改變時，坐標也跟著一起移動。Euler方法則將坐標固定在空間。設想在馬路上車來車往，如果將坐標原點固定在其中一輛行進的車上，從這輛車上觀察其他車輛相對于這輛車的運動，這就是Lagrange方法；若坐標原點設在交警的指揮臺上，那么所觀察到的不是各車輛的相對運動，而是指揮臺周圍車輛流動的變化情況，這就是Euler方法。固體力學關心的是每個質點的移動、質點之間的相對位移及質點因之受的力，而流體力學則關心空間某處的流動情況，所以Lagrange方法常用于結構分析，而Euler方法則用于流體力學問題。

物理場問題的數值仿真通常在所選定的空間坐標系下，將連續區域離散成單元和節點信息的有限單元或有限體積法，來近似描述連續的物理場。模擬瞬態內位移和速度場變化的非線性動力分析軟件MSC.DYTRAN，提供了兩類參考坐標系定義，即Lagrange格式和Euler格式。在描述結構時采用基于Lagrange格式的有限元法（FEM），對流體采用基于Euler格式有限體積法（FVM）。MSC.DYTRAN可以允許單獨地使用這兩類方法，也可以將二者同時結合使用，并且支持將Lagrange網格和Euler網格耦合在一起，用來處理流體-結構相互作用問題。

當使用Lagrange方法時,單元的質量不變，節點在物體上的位置固定不動。物體單元由節點連接構成,物體變形時,節點隨物體在空間移動,單元亦發生相應的變形,而單元的質量保持不變。Lagrange方法通常用于解決常質量單元即Lagrange單元的變形問題, 它可以精確地描述位移、變形、應力等。這種方法適用于結構的力學分析,通過單元的行為仿真物體的運動，并為大多數結構分析有限元程序所采用。

基于有限體積的Euler方法主要用于流體和材料大變形問題,Euler單元的體積是不變的,單元由節點連接構成,節點在空間上固定不動。Euler網格是一個固定的參考框架,物體的材料在分析過程中可以在網格中流動,并且材料的質量、動量和能量也隨之從一個單元流到另一個單元。因此在劃分單元時, Euler網格的范圍必須包含材料的所有可能流動區域。從這個意義上講，Euler網格就像一個容器，除非特別定義，材料是不能流出該網格系統， MSC.DYTRAN中Euler網格可以定義成任意形狀，這比一般采用Euler方法的流體軟件所苛求的長方體網格要靈活得多。Euler單元中可以定義空單元(void)、單一材料、多重材料，可以考慮剪切強度的材料或只考慮靜水壓力的流體材料。MSC.DYTRAN這種功能強大的基于有限體積離散的 Euler法，非常適于精確模擬氣體、流體的流動和固體結構的極端大變形問題,完全避免了用有限單元技術和Lagrange方法難于處理又無法回避的三維網格的重劃分和自由液面跟蹤問題。

采用顯式時間積分方法

在用數值方法求解動力平衡方程：

時，通常可以采用模態疊加法或直接積分法。所謂直接積分法是指在數值積分之前，毋需將原有的方程加以變換。直接積分法又分為顯式和隱式，有條件穩定和無條件穩定等方法。例如在四種常用的直接積分法中，中心差分法是顯式的和有條件穩定的；Houbolt方法是隱式的和無條件穩定的；Wilson-法和 Newmark方法是隱式和有條件穩定的。MSC.DYTRAN采用的是中心差分法。

• 隱式方法：對大多數有限元程序采用隱式時間積分法求解動力問題。




• 兩種方法的比較
  
  
  
  • 隱式時間積分法可以是條件穩定和無條件穩定，積分時間步長只與結構的固有頻率有關。而顯式積分法是條件穩定的，其時間積分步長必須取很小，與隱式時間積分法相比,顯式法要求的積分時間步長要小得多,而隱式法則要對剛度矩陣進行多次分解和迭代。
  
  

  對高度非線性問題，采用高效的算法是十分必要的。由此可見,對于解決瞬態、高度材料非線性、高度幾何非線性、模型規模較大的問題,采用顯式方法較隱式法要優越得多。MSC.DYTRAN提供了一種質量因子法（mass scale）增大時間步長，提高解題效率。MSC.DYTRAN的時間積分方法是一種非常優秀的非線性動態解題方法，有效性和計算精度已被許多考題和實際應用算例所測試和驗證。MSC.DYTRAN采用這種方法解決了大量隱式法難于解決的問題，例如沖壓成形中的皺褶、輪-軌接觸、結構高速撞擊、核管道甩動、液體晃動等問題。
  

有限體積方法(FVM)

MSC.DYTRAN的Euler格式通過有限體積法離散實施。這種方法的網格節點固定在空間不動即節點無自由度，物質材料在恒定的體積內從一個單元流動到另一個單元,在求解過程中同時滿足物質在有限體積內的質量守恒、動量守恒、能量守恒、狀態方程和本構關系,

MSC.DYTRAN 的這種有限體積法模擬物質流動與傳統的基于有限單元法模擬的物質流動相比，具有極大優勢，能夠根據質量流動和密度而非單元來邊界模擬自由面和流體-結構交界面運動以及材料的拉斷。并且MSC.DYTRAN的Euler網格可以是任意形狀的六面體網，保證精確建立流體的幾何模型。用MSC.DYTRAN的帶強度的Euler有限體積技術模擬結構材料的流動（如體積成型），避免了用Lagrange格式無法回避而又非常棘手的三維網格的重劃分。

MSC.DYTRAN用有限體積法跟蹤物質的流動的強大流體功能，可有效解決大變形和極度大變形問題，如：液壓傳動分析,液體晃動,爆炸分析,高速穿甲和三維鍛造成型等問題。

流體-結構的耦合解法

在眾多的商業有限元分析軟件中,MSC.DYTRAN是唯一提供精確的或稱完全的流固耦合功能的軟件。通常的軟件在處理流體-結構相互作用問題時,將流體產生的力作為"預先確定"的載荷作用到結構上進行分析,而MSC.DYTRAN則不然,它是通過直接耦合結構網格(Lagrange網格)和流體材料網格 (Euler網格)間的響應自動地、精確地算出每一時間步流－固界面處的物理性質,在這個過程中,一方面,Euler材料流動引起的壓力載荷通過耦合算法自動作用到結構的有限元網格上,在這種壓力作用下,結構的有限元網格將發生變形,結構的變形也反過來影響Euler材料的流動和壓力值,這種結構變形和流體載荷間的相互影響使得我們可以得到完全耦合的流體-結構響應。

MSC.DYTRAN根據不同分析問題需要，提供五種處理流－固耦合分析方法：

l 普通耦合法(General Coupling),對這種算法，首先，必須在結構的外部定義一封閉的耦合面（Coupling Surface），用于傳遞兩種解算器之間的力，此耦合面對Euler網格來說是一種流動邊界，材料在Euler網格中流動產生的壓力通過耦合面傳遞到結構上，使結構發生變形。普通耦合法適用于所有的流－固耦合問題。如安全氣囊的膨脹過程、子彈穿甲過程、炸彈爆炸分析等。

2 快速耦合法（Fast General Coupling）,要求Euler網格法向與總體坐標系平行，此方法大大加快耦合算法的計算效率。可用于帶強度的單材料歐拉法, 流體單材料歐拉法, 多材料歐拉法及Roe法。

3 考慮失效的多重耦合面法，這種方法是將快速耦合法與Reo算法相結合，定義多個考慮失效的耦合面，對于每一個耦合面，Euler網格法向與總體坐標系平行。

4 ALE法(Arbitrary Lagrange Euler)。用ALE法,只需在流固界面處定義一ALE面，Euler網格可以隨著結構的變形而移動,因不需要每步對ALE面進行檢查，它是一種求解效率較高的方法,這種方法的典型應用是鳥體碰撞飛機結構的過程、液體晃動等分析。

5 全Euler方法。MSC.DYTRAN允許將兩種以上的Euler網格耦合，來處理流體與流體、或流體與結構、甚至結構與結構系統在高速碰撞、爆炸、穿透過程中的材料流動。這種基于有限體積的Euler-Euler耦合技術，特別適于定量描述瞬態過程中復雜的材料剝離、拉斷和飛濺現象。

三、 MSC.DYTRAN基本功能

MSC.DYTRAN 是一個有著通用目的和廣泛用途的非線性動態三維有限元分析軟件包。它采用高效的顯式時間積分技術，能模擬多種材料和幾何的高度非線性問題。尤其在模擬高速碰撞、結構和零部件的大變形、液氣體流動、流固耦合等方面，MSC.DYTRAN的能力是獨一無二的。

完整的單元庫

MSC.DYTRAN 采用拉格朗日和Euler兩種處理器對結構和流體進行建模。實體、殼、梁、薄膜、彈簧和剛性單元被Lagrange處理器用于結構的建模；Euler網格由三維六面體單元組成, Euler處理器可以處理具有剪切強度的材料的流動。MSC.DYTRAN具備完整的一維、二維、三維單元庫，主要包括：

• 桿單元（CROD）


• 梁單元（CBEAM， CBAR）
  
  
  
  • Belytschko-Schwer 模式
  
  
  • Hughes-Liu 模式


• 安全帶單元


• 拉延筋單元(用于板金成型)


• 四邊形殼單元(CQUAD4)
  
  
  
  • Belytschko-Tsai 模式
  
  
  • Hughes-Liu 模式
  
  
  • Key-Hoff 模式
  
  
  • 薄膜單元


• 三角形殼單元(CTRIA3)
  
  
  
  • C0 模式
  
  
  • 薄膜單元


• 體單元(CHEXA, CPENTA, CTETRA)


• 彈簧/阻尼單元(CELAS, CDAMP)
  
  
  
  • 線性單元
  
  
  • 非線性單元
  
  
  • 扭簧
  
  
  • 用戶自定義單元(子程序EXSPR, EXVISC, EXELAS)


• 集中質量單元(CONM2)


• 剛性單元
  
  
  
  • 橢球體(RELLIP)
  
  
  • 剛性體(RIGID)
  
  
  • 剛性單元(RBE2)
  
  
  • 剛性墻(WALL)


• Euler單元(CHEXA,CPENTA,CTETRA)
  
  
  
  • 單材料，多材料實體單元(CHEXA,CPENTA, CTETRA)

豐富的材料庫

MSC.DYTRAN的材料模式中,它包括了線彈性、彈塑性、剛性材料、橡膠材料、低密度泡沫材料、土壤材料、正交各向異性材料、層合復合材料、率相關材料以及各種屈服準則、失效模式、狀態方程、多點爆炸燃燒模型等。

約束

約束有普通的節點約束(SPC)、剛性節點約束、剛性墻約束、節點間的可分開連接(BJOIN)、殼單元和實體單元節點連接(KJOIN)以及剛性體間的連接。

• 單點約束(SPC)


• 剛性網格點連接(RBE2)


• 剛體墻（WALL）


• 可斷開連接(BJOIN)


• 殼體與實體間的動態連接(KJOIN)

反艦導彈穿透鋼板

載 荷

載荷模式可以是與時間有關的定向的或隨動的集中載荷、壓力以及各種初始條件。在Euler網格中還可以定義具有各種性質的流動界面等。MSC.DYTRAN的載荷模式包括：

• 集中力和集中彎矩


• 跟隨力和跟隨彎矩


• 壓力載荷


• 重力載荷


• 強迫速度


• 初始條件


• 氣袋壓力


• 多點點火爆炸模式


• 用戶自定義載荷

接觸算法

MSC.DYTRAN 可以處理多個構件相互高速撞擊問題，接觸界面可以擴大、縮小、考慮摩擦的相對滑動和分離及粘結。結構可能接觸的兩個面分別稱為主面和從面，面上的節點稱為主節點和從節點。MSC.DYTRAN接觸算法采用對稱罰函數法，其原理是：每一時步檢查從節點是否穿透主面，沒有穿透則對從節點不作任何處理；如果穿透則在該從節點與被穿透的主面之間引入一個較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主面剛度成正比，這個接觸力亦稱為罰函數值。對稱罰函數法是同時再對主節點處理一遍，其算法與從節點一樣。對稱法函數法具有對稱性，計算準確，不需要碰撞和釋放條件。罰函數值受到穩定性限制，若計算中出現明顯的穿透，可以放大罰函數值或縮小時間步長來調節。MSC.DYTRAN還可以定義單面檢查接觸或雙面檢查接觸，定義接觸開始和終止的時間，定義阻尼系數。 MSC.DYTRAN可以考慮以下多種接觸問題：

• 面與面接觸
  
  
  
  • 變形體-變形體接觸
  
  
  • 變形體-剛性體接觸


• 點與面接觸
  
  
  
  • 節點-變形體接觸
  
  
  • 節點-剛性體接觸


• 單面自身接觸(self-contact)


• BPLANE接觸法，有效解決接觸面死角區域和穿透問題，并且計算效率高穩定性好，尤其適于氣囊展開分析。


• 高效的自適應接觸(侵蝕接觸)：可以定義單元與單元間、不同材料間的侵蝕接觸


• 所有的接觸均可考慮庫倫摩擦, 靜、動力摩擦系數和滯留系數


• 考慮殼單元厚度及間隙


• 粘合連接
  
  
  
  • 網格密度不同的面與面間的連接
  
  
  • 點與面間連接
  
  
  • 線與面間連接

MSC.DYTRAN考慮摩擦的面～面接觸、點～面接觸、單一平面自身接觸、自適應(侵蝕)接觸以及接觸滑動的強有力接觸分析功能，能夠廣泛應用在結構和結構之間甚至結構自身的動力接觸分析中。

船頭觸礁后的應力分布

剛性體

MSC.DYTRAN可以用多種方法定義剛性體，剛性體的各種性質如質量、各慣性矩均可以用戶 自己定義或程序自動計算

• 用解析法定義的剛性橢球(PELLIPS)


• 任意形狀的剛性體
  
  
  
  • 用剛性面定義(Rigid)
  
  
  • 用剛性材料定義(DMATRIG)

安全防護（假人模型/安全氣囊）

MSC.DYTRAN在安全防護方面具有高級安全氣囊展開分析能力；并與美國航天醫學研究中心開發的ATB程序提供的假人模型(此模型主要應用于動態運動中人體生物力學研究)進行了全面集成。MSC.DYTRAN的假人模型包括：基于SI制的假人模型即5%、50%和95%的HYBRID III模型，以及SI制和英制的50%的HYBRID II模型和英制50%的HYBRID III假人模型。此外MSC.DYTRAN與荷蘭TNO公司汽車安全性分析軟件Madymo的假人模型直接耦合，可方便地調用它的多種假人模型。利用假人模型和MSC.DYTRAN可以在汽車碰撞或飛機著陸時模擬人體的響應及運動姿態。

MSC.DYTRAN 利用流體-結構耦合分析功能模擬氣囊展開，同時可以模擬展開過程中氣囊內熱傳導。對氣囊內的氣體描述允許采用均勻壓力或更精確的完全氣動力學方法。分析模型中考慮了氣囊的多孔性，通過孔洞的滲透性。MSC.DYTRAN先進的氣囊展開技術除了用于乘員安全性模擬，也能用在飛行器回收和著陸時的氣囊展開模擬。

GNK WESTLAND 直升機水上降落浮球設計

爆炸分析

MSC.DYTRAN具有豐富的材料模式、狀態方程（JWL炸藥方程）及各種起爆條件，能夠用于模擬爆炸波的傳播和爆轟產物的運動，以及爆炸沖擊波對結構的響應。MSC.DYTRAN的爆炸分析支持單點爆炸分析和多個爆炸點的多點爆炸仿真。

三點爆炸波

水下爆炸

MSC.DYTRAN 嵌套了美國著名的水下沖擊遠場分析USA軟件的集成接口（需License授權），用于計算水下爆炸的流體與結構的相互作用。MSC.DYTRAN的 USA接口可以考慮孔穴模型。MSC.DYTRAN強大的爆炸氣泡算法，能夠保證精確模擬水下爆炸問題。

重啟動分析

MSC.DYTRAN的重啟動功能可以十分方便地將一個規模較大的題目分階段進行運算。

用戶自定義子程序接口

MSC.DYTRAN通過預留的大量用戶子程序接口，方便地實現客戶化的需求。通過這些接口，能夠將MSC.DYTRAN本已強大的標準分析功能進一步擴充。

• 定義材料的失效: EXFAIL, EXFAIL1, EXCOMP, EXYLD


• 定義壓力載荷: EXPBAG, EXPLD


• 定義狀態方程: EXEOS


• 定義彈簧/阻尼特性: EXELAS, EXSPR, EXTLU, EXVISC


• 定義速度場: EXTVEL


• 用戶指定的節點和單元的輸出請求：EXALE,EEXOUT, GEXOUT


• 定義初始條件：EXINIT


• 定義流動條件：EXFLOW，EXFLOW2


• 定義與時間相關函數：EXFUNC


• 定義連接失效：EXBRK

四、MSC.DYTRAN界面

在MSC.PATRAN 框架下集成的MSC.DYTRAN前后處理界面清晰、直觀，方便實現利用MSC.DYTRAN分析所需的復雜建模和可視化，以及計算結果的各種動畫處理。詳細了解請參見介紹MSC.PATRAN的專門資料。

五、MSC.DYTRAN的應用產品

MSC一貫遵循面向客戶，面向過程的產品開發戰略。除了提供應用廣泛的標準仿真產品外，還在這些標準的軟件基礎上通過客戶化提供了各種面向行業中特定問題的仿真工具。例如在MSC.DYTRAN這一先進的非線性動力分析標準求解器產品基礎上，開發了另外兩個客戶化產：MSC.SUPERFORGE和 MSC.DTROP TEST。

MSC.SUPERFORGE 是由MSC與日本鍛造協會、住友重工和日立公司四方聯合，在MSC.DYTRAN核心上，面向鍛造工程設計人員而開發的全三維鍛造仿真系統。并與 MSCPATRAN全面集成，方便快捷地完成冷鍛熱鍛和多道次加工。MSC.SUPERFORGE的計算效率比傳統有限元法提高至少5-10倍。

機車曲軸鍛造

MSC.DTROP TEST是以MSC.DYTRAN為內核求解器，與MSC.PATRAN集成的專門面向跌落試驗和沖擊仿真，可用于電子儀表、消費品、醫療器械和包裝容器（袋）等物體的抗沖擊和跌落分析。MSC.DTROP TEST軟件具有高度自動化，使用者無需過多仿真知識易于掌 握。

化工產品包裝袋的跌落

六、 應用實例

MSC.DYTRAN的強大功能在軍事、國防、航空航天、汽車、核工業、電子工業、船舶工業等許多重要的領域得到廣泛深入應用, 尤其是對各種復雜而又難以觀測的物理過程模擬方面, 它起到了理論分析和實驗觀測難以替代的作用, 是一般的有限元分析軟件力所不及的。

應用實例一、聚能藥型罩(Shaped-Charge)射流形成及切割效應的模擬

聚能藥型罩的工作原理是在聚能裝藥起爆后， 爆轟產物沿金屬罩壁軸線運動過程中，將能量傳給金屬罩而形成金屬射流。MSC.DYTRAN利用Euler模式 可以十分有效模擬金屬射流的形成過程。 在此算例中以軸對稱模式建立金屬罩和Euler 網格，炸藥在對稱軸頂點起爆，見圖一。

圖一. 幾何模型

圖二顯示了各時刻金屬射流形成的形狀，圖三顯示了各時刻射流切割一鋼板的情況。

圖二 . 射流形成過程

圖三. 射流穿透靶體過程

應用實例二、彈體侵徹無限大混凝土的動態仿真

本算例采用Lagrange-Euler 全耦合算法, 彈體以45度侵徹至無限大混凝土機構，彈體速度為1870 m/s，用Lagrange 網格(見圖四、五)，無限大混凝土為 Euler模式(見圖六)

彈體以45度侵徹混凝土的數值仿真結果見圖七，其中白色網格為空氣，色為混凝土。

圖 七. 彈體侵徹過程

應用實例三、水下爆炸對艦船結構動態響應

此類算例均為流固耦合問題，艦船采用Lagrange模式，可用多項式狀態方程和各種屈服準則描述其材料性質，炸藥、水、空氣采用多材料帶強度Euler模式，炸藥用JWL狀態方程，空氣用理想氣體狀態方程，水用多項式狀態方程描述。在艦船和流體的界面定義全耦合面進行流固耦合動態仿真。

1． 日立造船分析船體結構在水下爆炸沖擊波作用下的動態響應

圖八. 爆炸波的傳播

圖九. 船體結構的響應

2．淺水水下爆炸對水下艦船結構響應仿真：從圖十可見炸藥氣泡( Explosion Bubble)的形成和對結構的影響

圖十. 淺水爆炸

3．深水水下爆炸對水下艦船結構的沖擊

圖十一. 深水炸彈沖擊波及其對結構作用

應用實例四、東風柳州汽車有限公司對汽車中立柱外板的沖壓成形數值仿真

有限元模型：定義凸，凹模具，壓邊及鈑料，見圖十二，定義各工件間的相互接觸，摩擦系數為0.15

拉延過程：凸模固定, 凹模及壓邊垂直向下運動直至合模，凹模的速度曲線見圖十三，壓邊力：35 噸, 鈑料為冷軋鋼板，其本構關系見圖十四，

計算結果：MSC.DYTRAN可以輸出鈑料在成形每一時刻的變形圖(圖十五），厚度變化分布圖(圖十六)，應變圖(圖十七)。

圖十五. 鈑料變形圖

圖十六. 成形狀態鈑件厚度分布 圖十七. 合模狀態最大主應變

應用實例五、發動機的包容性分析

發動機葉片在高速旋轉時受到鳥體后外界物體撞擊后，可能發生破壞而飛濺，包容性分析即分析葉片運動軌跡及要求它不能飛出發動機體。MSC.DYTRAN的流體-結構耦合算法和接觸算法可以有效地模擬這一過程，為世界各著名發動機廠商如普惠、GE、RR、SNECMA等一致推崇，廣泛應用。圖十八是一鳥體撞擊發動機葉片的分析結果，其中鳥體為Euler模式，葉片為Lagrange模式，在其界面處定義耦合面。圖十九是發動機在高速旋轉時，葉片突然爆裂的分析結果。

應用實例六、汽車的適撞性和安全性分析

主要利用MSC.DYTRAN的接觸算法定義多個接觸對，分析汽車在碰撞過程中，人體的運動姿態和生存空間，圖二十是汽車在碰撞過程中三個不同時刻車體、人體、安全氣囊的狀態。圖二十是Ford汽車公司對系安全背帶的人體在碰撞過程中姿態的模擬，利用MSC.DYTRAN輸出的人體頭部加速度曲線，能夠判斷人體是否安全。

圖二十. 汽車，安全氣袋，假人整體碰撞分析

圖二十一. 系安全背帶的人體在撞擊過程中響應歷程

應用實例七、輪胎的排水性分析

輪胎設計時，對在干燥路面和積水路面行駛的要求各不相同。利用MSC.DYTRAN的Euler解算器和流固耦合算法可以模擬輪胎在積水路面上行駛時的排水性。輪胎定義成橡膠材料的Lagrange網格，水和空氣定義成Euler網格，在輪胎的外表面定義全耦合面。日本YAKOHAMA輪胎公司利用 MSC.DYTRAN在這方面作了大量的數值仿真和試驗。圖二十二是有限元分析模型，圖二十三是計算結果即輪胎在行駛過程中排水性。圖二十四是輪胎剎車時的排水性。

應用實例九、戰斗部破片對定距離內目標的破壞仿真

應用MSC.DYTRAN多材料Euler模式定義炸藥狀態方程，目標的帶強度材料模式，用有限體積法蹤模擬預制破片的運動軌跡 戰斗部 及其對目標的殺傷力。

圖十五. 爆轟波的傳播

應用實例十、電視機包裝箱跌落仿真

德國與PHILIPS齊名的電視機生產廠商GRUNDIG，在獲得電視機物理原型之前，用仿真技術模擬電視機包裝箱跌落過程。分析模型包括紙板箱、EPS泡沫和PS外殼。電視機包裝箱從1米高的空中跌落到硬地面上，應力分布如下圖。

應用實例十一、高速鐵路過橋的動力響應

中國鐵科院利用MSC.DYTRAN分析日本鐵路公司的告訴鐵路過斜拉橋動力響應。模型有火車車身-車軌-彈簧-阻尼，鐵路和橋梁構成。

應用實例十二、水上飛機撞擊水面

美國海軍的空軍作戰中心（NAWC）曾專門立項，對海上飛機撞擊水面這類多發事故展開深入研究。通過該項研究，開發有效方法評估直升機與水面嚴重沖撞時的結構性能，進而建立失效評定準則，尋求提高飛機抗水面沖擊能力的有效途徑。該項目應用MSC.DYTRAN的流體-結構耦合功能成功完成了飛機與水面的撞擊分析。