MSC NASTRAN的案例
MSC.Nastran 簡介
一 MSC.Nastran的開發歷史
MSC公司自1963 年開始從事計算機輔助工程領域CAE產品的開發和研究, 在1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求主持開發大型應用有 限元程 序的招標，MSC因一舉中標，而參與了整個NASTRAN的開發過程。1969年NASA推出了其第一個NASTRAN版本, 即我們所知的NASTRAN Level 12。 1973年2月,NASTRAN Level 15。5發布的同時, MSC公司被指定為NASTRAN的特邀維護商。
1971 年, MSC公司對原始的NASTRAN做了大量改進, 采用了新的單元庫、增強了程序的功能、改進了用戶界面、提高了運算精度和效率。特別對矩陣運算方法做重大改進, 即而推出了自 己的專利版本: MSC.NASTRAN。
1989 年對MSC公司來說是具有里程碑意義的一年, 發布了經革命性改良的MSC.NASTRAN 66版本。該版本包含了新的執行系統、高效的數據庫管理、自動重啟動及更易理解的DMAP開發手段等新特點，同溶入許多當今世界上FEM領域最杰出的研究成果,使MSC.NASTRAN變得 更加通用、更加易于使用。這一年MSC公司還推出了自行開發的用于MSC各個產品的先進的前后 處理程序MSC/XL。
1991 年底, MSC公司與在CAD領域頗具影響的ARIES公司(Aries Technology Corp.)達成協議將CAD技術引入MSC.NASTRAN V67.5及相應產品。 1993年收購了Aries公司之后, 全新的MSC. Aries前后處理器使MSC.NASTRAN及其它產品又向領導CAE自動化邁進了一大步。
展開 CAE系列軟件介紹_MSC.Nastran
MSC.Nastran 簡介
一 MSC.Nastran的開發歷史
MSC公司自1963年開始從事計算機輔助工程領域CAE產品的開發和研究, 在1966年美國國 家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求主持開發大型應用有 限元程 序 的招標，MSC因一舉中標，而參與了整個NASTRAN的開發過程。1969年NASA推出了其第一個NASTRAN版本, 即我們所知的NASTRAN Level 12。 1973年2月,NASTRAN Level 15。5發布的同時, MSC公司被指定為NASTRAN的特邀維護商。
1971年, MSC公司對原始的NASTRAN做了大量改進, 采用了新的單元庫、增強了程序的功 能、改進了用戶界面、提高了運算精度和效率。特別對矩陣運算方法做重大改進, 即而推出了自 己的專利版本: MSC.NASTRAN。
1989年對MSC公司來說是具有里程碑意義的一年, 發布了經革命性改良的MSC.NASTRAN 66版本。 該版本包含了新的執行系統、高效的數據庫管理、自動重啟動及更易理解的DMAP開 發手段等新特點，同溶入許多當今世界上FEM領域最杰出的研究成果,使MSC.NASTRAN變得 更加通用、更加易于使用。 這一年MSC公司還推出了自行開發的用于MSC各個產品的先進的前后 處理程序MSC/XL。
1991年底, MSC公司與在CAD領域頗具影響的ARIES公司(Aries Technology Corp.)達成協議 將CAD技術引入MSC.NASTRAN V67.5及相應產品。 1993年收購了Aries公司之后, 全新的MSC. Aries前后處理器使MSC.NASTRAN及其它產品又向領導CAE自動化邁進了一大步。
展開 MSC Nastran用戶子程序功能的使用方法
采用有限元分析軟件MSC Nastran分析實際問題，通常歸結為離散有限元模型、給定載荷、定義初始/邊界條件和確定材料模型、分析求解、結果輸出等幾個步驟。利用MSC Nastran的標準功能已經可以求解大量的工程實際問題，但由于實際問題的多樣性，不同用戶要求的特殊性，也可能存在標準的程序尚不具備的特定用戶需要的某一方面功能的情形。此時可通過MSC Nastran提供的二次開發的功能得到有效解決，比如有很多用戶通過DMAP語言擴展了軟件功能，解決了軟件標準功能不容易實現的功能。利用用戶子程序是擴展軟件分析功能的另外一種手段，由于該功能開發出來的時間相對比較晚，一些用戶對它比較陌生，為此，本文對該功能做一個基本介紹，以便廣大用戶學習使用。
常用的用戶子程序及分類
常用的用戶子程序分為三類：單元、材料模型、接觸，如表1所示。
表1 常用用戶子程序分類
表１所列用戶子程序如何調用可以參考MSC Nastran用戶定義的服務用戶指南。
環境要求
如果要使用MSC Nastran的用戶子程序功能，除了安裝MSC Nastran軟件外，還需要安裝如下軟件(括號內是近期測試時安裝的版本)：
1) MSC Nastran SDK (2022.3)，SDK中Tools文件夾路徑需加入到環境變量PATH中。
展開 設計仿真 | MSC Nastran用戶子程序功能的使用方法
3
用戶子程序應用與運行命令
MSC Nastran用戶子程序功能的使用通常涉及以下方面：
?標識調用用戶子程序的少量選項；
?用戶子程序采用FORTRAN或C++語言編寫；
?將用戶子程序鏈接到MSC Nastran。
為了讓用戶掌握用戶子程序的使用功能，在用MSC Nastran 的手冊中有一些實際例子，比如在手冊“Demonstration Problems Manual- Implicit Nonlinear”中就有兩個詳細的例子，分別是第43章的定義剛體運動的用戶子程序和第44章的定義材料失效準則的用戶子程序（具體章的編號不同版本有所不同，此處是2022.3版本的編號）。下面以第43章的例題為例介紹用戶子程序的具體用法。
該例主要演示MSC Nastran熱機械耦合分析以及用戶子程序功能的使用，它模擬了考慮塑性功生熱和摩擦生熱效應的圓柱體鐓粗過程，并將分析結果與實驗結果進行比較。該例的MSC Nastran計算的輸入文件：nug_73.dat和用戶子程序為：nug_73.f。如果已經有了輸入文件名和用戶子程序名，就可以采用以下MSC Nastran計算命令運行（需要按軟件安裝的路徑略作調整，也可在圖形界面中提交計算）：
D:\MSC.Software\MSC_Nastran\2022.3\bin\nastran.exe nug_73.dat uds=nug_73.f
說明：對于類似本例情形，MSC Nastran有兩個命令行相關關鍵字uds和udssave。
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設計仿真 | MSC Nastran用戶子程序功能的使用方法
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用戶子程序應用與運行命令
MSC Nastran用戶子程序功能的使用通常涉及以下方面：
?標識調用用戶子程序的少量選項；
?用戶子程序采用FORTRAN或C++語言編寫；
?將用戶子程序鏈接到MSC Nastran。
為了讓用戶掌握用戶子程序的使用功能，在用MSC Nastran 的手冊中有一些實際例子，比如在手冊“Demonstration Problems Manual- Implicit Nonlinear”中就有兩個詳細的例子，分別是第43章的定義剛體運動的用戶子程序和第44章的定義材料失效準則的用戶子程序（具體章的編號不同版本有所不同，此處是2022.3版本的編號）。下面以第43章的例題為例介紹用戶子程序的具體用法。
該例主要演示MSC Nastran熱機械耦合分析以及用戶子程序功能的使用，它模擬了考慮塑性功生熱和摩擦生熱效應的圓柱體鐓粗過程，并將分析結果與實驗結果進行比較。該例的MSC Nastran計算的輸入文件：nug_73.dat和用戶子程序為：nug_73.f。如果已經有了輸入文件名和用戶子程序名，就可以采用以下MSC Nastran計算命令運行（需要按軟件安裝的路徑略作調整，也可在圖形界面中提交計算）：
D:\MSC.Software\MSC_Nastran\2022.3\bin\nastran.exe nug_73.dat uds=nug_73.f
說明：對于類似本例情形，MSC Nastran有兩個命令行相關關鍵字uds和udssave。
展開 設計仿真 | MSC Nastran Utilities 介紹
ABQ2NAS ·
功能：
此工具可以將Abaqus的.inp模型文件轉換為MSC Nastran的模型文件。
用法：
在命令行窗口中執行如下命令：
util_ver abq2nas an_abaqus.inp an_nastran.dat <command line options>
其中util_ver是MSC Nastran工具的執行文件，以MSC Nastran 2022.3版本為例，其位置為：MSC Nastran安裝目錄\2022.3\bin\msc20223.exe。
案例：
說明：
1）此工具所能支持的卡片和兩款軟件之間卡片的對應關系表請參見MSC Nastran幫助文檔中的《Utilities Guide》。
展開 設計仿真 | MSC Nastran .f04文件解讀
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優化、氣彈等功能全面的結構分析功能，在航空航天、汽車、船舶等各個行業均有廣泛的應用。MSC Nastran計算得到的文件包含.h5、.op2、.xdb、.log、.f06、.f04等格式。前面幾種格式的結果文件中包含了計算結果數據、計算過程的匯總信息、警告及報錯信息，用戶在日常使用中可能更為關注，而.f04文件則關注較少。
實際上，.f04文件是MSC Nastran計算執行狀態匯總文件，包含了MSC Nastran在計算過程中與硬件的交互信息數據、軟件內部得到各個矩陣的規模和稀疏程度、計算過程中所涉及到的各個子模塊的先后順序及其詳細的計算耗時數據等內容，可以幫助用戶準確獲取MSC Nastran的詳細工作狀態，不僅可以為提高計算效率提供指導，而且還能解決一些由于硬件資源方面的局限性而造成的問題。因此本文對.f04文件中的部分主要內容進行了概要性的解讀，幫助用戶提高相關的使用水平。更詳細的解釋參見MSC Nastran幫助手冊中的《Reference Guide》第7章Solution Sequences中的第2部分。
.f04文件信息
MSC Nastran
下圖中的匯總表給出了MSC Nastran在計算過程中的數據庫集（Database sets，DBsets）所使用文件的信息，位于.f04文件靠近上端開始的位置附近。
上圖中各項參數的含義如下：
儲存數據
MSC Nastran
在上述文件匯總表之后，緊跟著給出了內存分配的情況。
展開 設計仿真 | MSC Nastran .f04文件解讀
MSC Nastran具備靜力學、動力學、非線性、優化、氣彈等功能全面的結構分析功能，在航空航天、汽車、船舶等各個行業均有廣泛的應用。MSC Nastran計算得到的文件包含.h5、.op2、.xdb、.log、.f06、.f04等格式。前面幾種格式的結果文件中包含了計算結果數據、計算過程的匯總信息、警告及報錯信息，用戶在日常使用中可能更為關注，而.f04文件則關注較少。
實際上，.f04文件是MSC Nastran計算執行狀態匯總文件，包含了MSC Nastran在計算過程中與硬件的交互信息數據、軟件內部得到各個矩陣的規模和稀疏程度、計算過程中所涉及到的各個子模塊的先后順序及其詳細的計算耗時數據等內容，可以幫助用戶準確獲取MSC Nastran的詳細工作狀態，不僅可以為提高計算效率提供指導，而且還能解決一些由于硬件資源方面的局限性而造成的問題。因此本文對.f04文件中的部分主要內容進行了概要性的解讀，幫助用戶提高相關的使用水平。更詳細的解釋參見MSC Nastran幫助手冊中的《Reference Guide》第7章Solution Sequences中的第2部分。
.f04文件信息
MSC Nastran
下圖中的匯總表給出了MSC Nastran在計算過程中的數據庫集（Database sets，DBsets）所使用文件的信息，位于.f04文件靠近上端開始的位置附近。
上圖中各項參數的含義如下：
儲存數據
MSC Nastran
在上述文件匯總表之后，緊跟著給出了內存分配的情況。關于這個內存管理的詳細介紹可以參考MSC Nastran幫助手冊中的《Installation and Operations Guide》第五章中的《Managing Memory》一節。
展開 設計仿真 | MSC Nastran計算過程數據提取和使用方法
其實MSC Nastran也提供了很多方法來提高方法的版本兼容性，例如使用ALTER的關鍵字搜索功能或者MALTER功能，詳細的方法可以參考MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]以及相關的視頻講解[3]。
矩陣名稱
MSC Nastran矩陣的名稱有自身的命名規則，一般都是KTIJ的形式，其中：
? K是矩陣的類型，例如K為剛度、M為質量、P為載荷、U為位移、Q為反力、B為阻尼、G為轉換矩陣；
? T為矩陣類型，但是不常使用；
? I為行的自由度集；
? J為列的自由度集；
上述只是一般的規則，更詳細的介紹可以查閱MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]中《Data Block Glossary》以及其它相關章節。
MSC Nastran矩陣數據與全局坐標系[4]
MSC Nastran中GRID卡片第7域CD可以指定此節點所采用的全局坐標系（Global Coordinate System）。這里的默認數值為空，代表使用的是基礎坐標系（Basic Coordinate System）。用戶可以將某個自定義坐標系的編號填寫在這里，這樣MSC Nastran對于此節點相關自由度的表達和分析均會參考這個用戶指定的坐標系。
正是因為全局坐標系的概念，MSC Nastran所采用的總剛度矩陣（以及其它類似的矩陣數據）可能與常規意義上的總剛度矩陣有所區別。
展開 技術鄰學院丨MSC Nastran基礎培訓/精品講解/實際分析 三大福利齊聚！
【視頻課程】
MSC Nastran 基礎培訓（一）
MSC Nastran 基本原理
MSC Nastran 基礎培訓（二）
MSC Nastran 質量定義
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MSC Nastran 基礎培訓（五）
MSC Nastran 模態應用
MSC Nastran 基礎培訓（六）
MSC Nastran 動力學縮減
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MSC Nastran 基礎培訓（九）
MSC Nastran 瞬態分析
MSC Nastran 基礎培訓（十）
MSC Nastran 頻響分析
【案例學習】
案例是實戰積累而成的經驗，多看看案例，也許對你現在的工作很有啟發呢，有很多小技巧，可以通過案例來學習到哦~
案例 | MSC Nastran 更準確的評估骨折風險解決方案
1. 采用MSC Nastran 研究椎骨的力學性能，同時考慮到多種因素，例如形狀、皮質骨/松質骨的密度分布、其它骨組織的材質特性及疏松度。
2. 該解決方案可幫助從業者以詳細、非破壞性的方式來研究骨骼，并對椎骨的骨折風險進行定量分析。
3. 在確定骨折風險時，與傳統的BMD 測量方法相比，通過仿真所計算出的應力可提供更加準確的評估結果。
振動噪聲技術貼 | 一種針對車輛阻尼片位置的優化方法
本文提出了一種識別阻尼片最優布放位置的計算方法。阻尼片可以提高基礎板件的隔聲性能，但是會帶來成本和重量的增加，因此有優化的需求。
展開 MSC.ADAMS與MSC.Nastran在汽車產品開發中的應用
通過對MSC.Nastran和ADAMS軟件的聯合應用，可以很好地解決這類問題。利用MSC.Nastran生成ADAMS需要的柔性體，在ADAMS中建立整車剛柔混合動力學模型，模擬任何復雜的動態工況，并將動力學計算結果返回到MSC.Nastran中，深入研究結構的動力學響應。 5.其它應用 MSC.ADAMS與MSC.Nastran不僅在車輛動力學和結構有限元方面應用廣泛，而且可以很好地進行振動分析，與疲勞分析軟件也有方便的接口，同時在專用車輛上應用也越來越多。 6.結論 MSC ADAMS與MSC.Nastran在福田公司有著十分廣泛而深入的應用，CAE已成為產品開發過程中的一個重要環節，是提高設計能力和質量改進能力的重要手段。在對ADAMS和MSC.Nastran深入應用的基礎上，結合二者的技術優勢，通過對二者的聯合應用，可以很好的進行各種復雜工況下的車輛動力學和汽車結構分析，為車輛開發提供更好的技術支持。通過對ADAMS和MSC.Nastran軟件在福田公司的長期應用，CAE與產品設計已成為一個有機的整體，在降低產品開發成本、縮短開發周期、提高設計水平、避免設計缺陷等方面發揮了重要作用。
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設計仿真 | MSC Nastran Utilities介紹
ABQ2NAS ·
功能：
此工具可以將Abaqus的.inp模型文件轉換為MSC Nastran的模型文件。
用法：
在命令行窗口中執行如下命令：
util_ver abq2nas an_abaqus.inp an_nastran.dat <command line options>
其中util_ver是MSC Nastran工具的執行文件，以MSC Nastran 2022.3版本為例，其位置為：MSC Nastran安裝目錄\2022.3\bin\msc20223.exe。
案例：
說明：
1）此工具所能支持的卡片和兩款軟件之間卡片的對應關系表請參見MSC Nastran幫助文檔中的《Utilities Guide》。
展開 設計仿真 | MSC Nastran高性能求解計算（一）
MSC Nastran是一款功能強大的有限元分析（FEA）軟件，是工程仿真的基礎。MSC Nastran已被結構分析專家使用和驗證了半個世紀，以其穩健性、準確性和能夠解決工程中的挑戰而聞名。
本期摘要內容
? 了解MSC Nastran如何利用高性能計算（HPC）策略提高您的仿真和分析性能。
? 探索適用于所有分析類型（包括靜力學、特征值、動力學和非線性）的可用求解器，以便您可以根據特定的仿真需求選擇最合適的求解器。
? 從其他MSC Nastran用戶和Hexagon專家的經驗中汲取見解，以實現最佳的并行性能，同時最大限度地降低讀取和寫入磁盤的成本。
? 將HPC專業知識與對MSC Nastran求解器的全面了解相結合，以顯著加快仿真速度、最大限度地降低成本并提高不同類型分析的效率。
01
求解器分類
MSC Nastran包含多種求解器。根據分析模型的特點來選擇最優的求解器。MSC Nastran 求解器可分為三大類：直接求解器、迭代求解器和特征值求解器。
例如，線性靜態分析計算位移和其他結果，其靜態仿真性能主要由兩步運算決定：求解矩陣方程和將請求的數據寫入到輸出文件中。為了求解矩陣方程，我們可以使用直接或迭代方法，其中輸入是剛度矩陣和載荷，輸出是位移。
直接求解器
直接求解器依賴于LDLT分解，該方法在結構分析中應用廣泛，這種方法對剛度矩陣的數值特性不敏感，因此適用性比較好，它們的運行過程包含兩步。首先，將對稱剛度矩陣分解為下三角陣；然后，執行前向消元和后向替換（FBS）來求解結果系統，這一步也稱為求解算法的FBS部分。
直接方法利用剛度矩陣中固有的稀疏性（圖1）。稀疏矩陣僅意味著有許多零項。
展開 設計仿真 | MSC Nastran計算過程數據提取和使用方法
其實MSC Nastran也提供了很多方法來提高方法的版本兼容性，例如使用ALTER的關鍵字搜索功能或者MALTER功能，詳細的方法可以參考MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]以及相關的視頻講解[3]。
矩陣名稱
MSC Nastran矩陣的名稱有自身的命名規則，一般都是KTIJ的形式，其中：
? K是矩陣的類型，例如K為剛度、M為質量、P為載荷、U為位移、Q為反力、B為阻尼、G為轉換矩陣；
? T為矩陣類型，但是不常使用；
? I為行的自由度集；
? J為列的自由度集；
上述只是一般的規則，更詳細的介紹可以查閱MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]中《Data Block Glossary》以及其它相關章節。
MSC Nastran矩陣數據與全局坐標系[4]
MSC Nastran中GRID卡片第7域CD可以指定此節點所采用的全局坐標系（Global Coordinate System）。這里的默認數值為空，代表使用的是基礎坐標系（Basic Coordinate System）。用戶可以將某個自定義坐標系的編號填寫在這里，這樣MSC Nastran對于此節點相關自由度的表達和分析均會參考這個用戶指定的坐標系。
正是因為全局坐標系的概念，MSC Nastran所采用的總剛度矩陣（以及其它類似的矩陣數據）可能與常規意義上的總剛度矩陣有所區別。
展開 設計仿真 | MSC Nastran轉子動力學新功能介紹
●方法一
采用MSC Nastran 內置的2D Bush單元，結合PBSH2DT卡片來描述此單元各個方向的剛度、阻尼隨著頻率的變化關系。實現的方式是采用TABLED1卡片來描述各個參量隨頻率的變化，進而在PBSH2DT卡片相應的域中引用這些TABLED1的ID即可。
●用戶子程序接口ELEMUDS
如果用戶對于上述剛度性能和阻尼性能有自己的算法和程序，那么MSC Nastran也支持采用用戶子程序的方式來調用這些程序進行計算。MSC Nastran使用用戶子程序的方法可以參考[2,3]。
用戶通過可以通過用戶自定義服務/子程序卡片ELEMUDS來將自己的程序與MSC Nastran的CBUSH2DA服務進行關聯，用戶子程序會返回隨著頻率變化的2×2的剛度數據、阻尼數據和慣性數據交給MSC Nastran執行相應的分析任務。事實上，從2011版本開始MSC Nastran就已經具備了此類的功能，2020版本在之前已有功能的基礎上進行擴充，均新增了慣性數據的輸出功能
CBUSH2DA：2D Bush單元支持剛度、阻尼和慣性數據，支持SOL 107、108、110、111、128、400
NLRSFDA：擠壓油膜阻尼器，新增了慣性數據的輸出，支持SOL 128、400
與此功能相關的還有若干卡片如NLBSH3D、LBSH3DG等用戶計算在給定轉子速度下的力與變形/速度的關系等內容，詳情和算例請查看《MSC Nastran 2020新功能指南》。
04
多個轉子分別定義不同的旋轉速度
從2021.3版本開始，MSC Nastran可以對多個轉子分別定義不同的旋轉速度，支持的求解序列包括SOL 107、110、200、400。
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