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MD Nastran

MSC 推出了多学科（MD）分析技术，大大减少仿真分析与实际工作环境之间的差距，确保准确模拟真实的世界，MD技术是MSC.Software公司企业级解决方案的核心和基础，MSC.Software的企业仿真方案使用详细的数字产品模型模拟并验证产品各个方面的性能、制定和跟踪严格的设计目标、沟通协调产品开发，从而使产品创新和质量提高到一个具竞争力的新水平。

在今天多样化激烈竞争的市场环境中，企业需要在短的时间内设计和验证产品性能，将好的产品以很快的速度投放市场。企业设计研发部门所使用的传统的工程分析方法是利用点分析工具，近似地模拟产品在现实环境中的行为，但是通常情况下，产品的性能总是受到多种物理环境的同时影响，用户使用单一分析工具往往不能准确充分地模拟产品的真实性能。为了解决这个问题，进一步提升产品的竞争力，从而使企业更好的适应市场需求，MSC推出了多学科（MD）分析技术，大大减少仿真分析与实际工作环境之间的差距，确保准确模拟真实的世界，MD技术是MSC.Software公司企业级解决方案的核心和基础，MSC.Software的企业仿真方案使用详细的数字产品模型模拟并验证产品各个方面的性能、制定和跟踪严格的设计目标、沟通协调产品开发，从而使产品创新和质量提高到一个具竞争力的新水平。

什么是 MD Nastran

Nastran 是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称 NASA，又称美国宇航局）为适应各种工程分析问题而开发的多用途有限元分析程序。这个系统称为 NASA Structural Analysis System，命名为Nastran。

20世纪60年代初，美国宇航局为登月需要，决定使用有限元法开发大型结构分析系统，并能在当时所有大型计算机上运行。MacNeal-Scherndler Corporation（即MSC公司）是开发小组主要成员。Nastran程序早在1969年通过COSMIC（Computer Software Management and Information Center）对外发行，一般称为COSMIC.Nastran。之后又有各种版本的Nastran程序发行，其中以MSC公司所开发的MSC.Nastran程序用户广泛应用。长期以来MSC.Nastran已成为标准版的Nastran，是全球应用广泛的分析程序之一。为了迎合企业准确充分地模拟产品的真实性能的需求，结合当今计算方法、计算机技术的发展，从2001年以来，MSC.Software投入了大量的研发力量于进行MD技术研发，在2006年成功发布了新一代的多学科仿真工具MD Nastran，在继承原有MSC Nastran强大功能的基础上，陆续集成了Marc、Dytran、Sinda、Dyna和Actran等知名软件的先进技术，大大增强了非线性、显式非线性、热分析、外噪声分析等功能。

通过提供极限的并行设计仿真能力，MD Nastran使企业能够：

? 产品更快速投放市场—快速透彻了解整个设计性能，能够使设计环节速度更快和使整个方案时间缩短50%以上。

? 更低的制造成本—在设计过程中更早地了解设计产品的性能，从而能够在设计获批准之前发现和修改缺陷。同时，能够更早地确定可加工性、优化制造环节时间、减少材料余量和防止不必要设备的投资。

? 提高分析效率——对共同分析数据模型的支持，避免了在不同学科仿真之间手工传递信息和数据。

? 改善产品质量和降低维护成本——通过对多学科之间复杂交互作用的准确描述，MD Nastran仿真结果更准确地反映了真实结果，消除了使用过程中意想不到的操作错误。

MD Nastran具备多学科优化的能力，并具有处理大规模问题和提升高性能计算效能的强大能力。针对制造商对越来越复杂模型进行交互多学科分析的需要，MD Nastran提供的关键功能可以提高设计效率和完善流程管理。

MD Nastran的优化功能具有尺寸、形状、拓扑等的组合优化能力，可以提高整个设计效率和并预测产品全生命周期内的性能。MD Nastran独特的优化序列能够综合考虑各种工况，例如静态NVH加内外噪声，从而可更准确地确定设计的鲁棒稳健性。

只有MD Nastran在仿真时支持多学科之间的交互作用和耦合效应。无论是线性、非线性、运动学，还是显式动力学，MDNastran都能够让多种学科一起工作，从而准确地、适时地在多学科之间提供正确的工程和力学反馈。

MD Nastran 软件功能

基本功能

MD Nastran 的基本模块支持各种材料模式的线性分析,包括：均质各向同性材料、正交各向异性材料、各向异性材料和随温度变化的材料等。

? 具有惯性释放的静力分析：

考虑结构的惯性作用，可计算无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应

? 线性静力分析中，可以定义接触和粘接，为装配体的线性分析提供了方便且准确的方法。

? 线性屈曲：可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放。

? 正则模态分析

动力学分析

结构动力学分析是MD Nastran的主要强项之一，它具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。MD Nastran动力学分析功能包括时间域的瞬态响应和频率域的频率响应分析，方法有直接积分法和模态法，同时考虑各种阻尼如结构阻尼、材料阻尼和模态阻尼效应的作用。MD Nastran 动力学响应分析可以准确预测结构的动力特性，大大提高虚拟产品开发的成熟度，改善物理样机的产品品质。主要包括以下分析类型

? 正则模态和复特征值分析

? 非线性模态（即预应力模态）分析

? 频率响应分析

? 瞬态响应分析

? 强迫运动分析

? 随机振动分析

? 冲击谱和谱响应分析

? 动力灵敏度和优化分析

? 部件频响应函数分析 (FRF)

? 基于频响应函数的装配分析

MD Nastran不但可以求解部件和装配件的频率响应函数，而且具有频响函数装配功能，通过频响函数装配，可以由部件或子系统的频响函数得到整个装配件的频率响应函数，从而研究系统各部件之间的耦合关系，确定振动和噪声的传递路径，为减振降噪提供工程指导。

FRF/FBA/TPA（NVH全新的算法）

频响函数(FRF)

? 在指定频率单位载荷下的响应

? 不同的激励频率有不同的响应

? 是激励频率的函数

基于FRF的装配 (FBA)

? 装配每一个部件的 FRF 得到系统级的频响函数

? 也称为基于FRF的子结构(FBS)

传递路径分析(TPA)

?跟踪能量从源到接收处的流动过程，分析能量传递路径。

针对中小及超大型问题不同的解题规模,用户还可灵活选择MD Nastran不同的动力学方法加以求解，如对大型结构动力学问题，可采用特征缩减技术和子结构分析方法。时域NVH分析。

MD Nastran的另一特色是集成了显式非线性计算和信号分析，能提供时域NVH分析的功能。在瞬态显式分析过程中，通过计及非线性因素的影响，提高NVH分析的精度。基于系统级事件的仿真途径。

流-固耦合和声场分析

流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用。主要应用在汽车NVH、列车车辆和飞机客舱等的内噪音预测分析，以及考虑流体质量影响的流体中结构如舰船的模态特性分析等。MD Nastran 中拥有多种方法求解完全的流——固耦合分析问题,包括：

? 流-固耦合法：流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研究、NVH等。分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。流体假设是无旋和可压缩的, 分析的基本控制方程是三维波方程，两种特殊的单元被用来描述流——固耦合边界。此外，MD Nastran新增加的声吸收单元可以准确描述材料的频变吸声性能，方便地模拟汽车中的座椅，内饰材料等。(噪)声学载荷由节点的压力来描述,既可以是常量,也可以是与频率或时间相关的函数,还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。对不同结构产品的噪声影响结果可被分别输出。对于频率范围较宽，模型规模较大的声场分析可以方便地结合MD Nastran的ACMS方法，同时利用并行计算技术、超单元技术，大大提高计算效率和精度。

? 水弹性流体单元法：该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。水弹性流体单元法可用于标准的模态分析、瞬态分析、复特征值分析和频率响应分析。当流体作用于结构时,要求指出耦合界面上的流体节点和相应的结构节点。自由度在结构模型中是位移和转角,而在流体模型中则是在轴对称坐标系中调和压力函数的傅利叶系数。类似于结构分析，流体模型产生"刚度"和"质量"矩阵,但具有不同的物理意义。载荷、约束、节点排序或自由度凝聚不能直接用于流体节点上。

? 虚质量法：虚质量法是仅考虑流体质量对结构的影响，主要用于以下流——固耦合问题的分析：

a) 结构沉浸在一个具有自由液面的无限或半无限液体里

b) 容器内盛有具有自由液面的不可压缩液体

c) 以上二种情况的组合,如船在水中而舱内又装有不充满的液体

MD Nastran的声场分析功能还集成了Actran的声学求解技术，不但可以进行内声场的分析，还可以进行外声场的分析。可以分析结构的声辐射，声传播，吸收，散射以及结构声振耦合问题等。并且更大的特点是可以求解大型结构的内外声结构耦合分析和优化，如整车的声响分析和动力系统的声辐射。

- 内外噪声

? Nastran的噪声分析拓展到无限区域，诸如汽车发动机、飞行器的的声辐射- 无限元技术

? 集成了经过测试和验证的MSC.Actran的无限元技术

? 不需要在结构和声学分析两个不同的程序之间进行复杂的数据传递

- 可以解决超大规模，全耦合的振动噪声耦合仿真问题。

- 可以计算结构辐射的声压、声强、声功率等，为结构件的声辐射能力提供定量描述。

自动部件模态综合法 -ACMS

ACMS(Automated Component Mode Synthesis)自动部件模 态综合法，使得工程师能够实现对大模型的动力响应分析和声 场分析，ACMS 法自动将一个大模型用区域分解法分成几个子 区域进行各个子结构的模态分析，然后进行模态综合，由此得 到整体结构的动力学特性。采用 ACMS 法可大大减少大模型的计算时间，例如对近1400万自由度的汽车模型（500Hz内2500阶模态），采用全模型标准的模态法频率响应分析(SOL 111)进行求解用时约26小时，而采用MD Nastran的ACMS方法用时只需4小时，同时占用的计算资源也大大降低，所以采用 MD Nastran的自动部件模态综合技术为大型结构的动力学分析在精度和计算速度上提供很好的解决方案。

在MD Nastran中，自动部件模态综合法(ACMS)得到了大大增强，新增加了矩阵域自动部件模态综合法(MDACMS)，此法基于自由度计算，与已有的几何域自动部件模态综合法（GDACMS）相比计算速度更快，而且模型越复杂，计算效率提升越明显；可应用于模态分析，瞬态分析，频响应分析及优化分析，对于多点约束（MPC）多的情况下计算效率更高。提供的多种区域划分方法（随求解类型变化）

? 几何区域划分（适用 SOL103,111,112,200）

? 频率域划分（适用 SOL 111, 200）

? 自由度域（适用 SOL 103,111,200）——新的缺省方法

? 几何域与频率域相结合(适用 SOL 111, 200)

? 矩阵域与频率域相结合(适用 SOL 200)

应用于不同求解类型：

? MD Nastran动力分析(SOL103, 111, 112)

◆ MD Nastran声学分析(SOL 108)

◆  MD Nastran设计优化(SOL 200)

◆ MD Nastran与ADAMS的集成

? 结构外部超单元技术

MD Nastran的ACMS技术可与分布式域并行计算技术（DMP）相结合，对频率范围较宽且有多个动力载荷的复杂模型，可大幅度提高计算速度和计算精度。

热传递分析

热传递分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性,利用MD Nastran可以计算出结构内的温度分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。

MD Nastran可以解决包括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内的热交换现象,计算辐射视角系数，并真实地仿真各类边界条件,建立各种复杂的材料和几何模型,模拟热控系统,并能进行热——结构耦合分析。

MD Nastran提供了稳态和瞬态热分析的线性、非线性求解算法。SINDA/G和P/Thermal的热分析功能将集成到MD Nastran SOL400中，同时，MD Nastran可以连接多种商业化的空间轨道热分析软件，如THERMICA, NEVADA, TSS,TRASYS和SINDARad等，在这些软件中计算出来的辐射交换系数将自动传递MD Nastran中。MD Nastran还提供了9个稳态求解器和12个瞬态求解器，用户可以指定求解器求解，同时支持双精度计算。

MD Nastran支持热结构链式分析和完全的热结构耦合分析。在热结构链式分析中，热分析的网格可以和结构分析的网格不同，热分析的结果将自动插值到结构网格中。支持热接触功能，热可以通过接触传递，大大方便了建模。为航天航空结构、汽车发动机、刹车系统、动力总成等的热分析提供了有力的解决工具。

设计灵敏度及优化分析

设计优化是为了满足特定优选目标如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等的综合设计过程。MD Nastran拥有强大、快速的设计优化能力,其优化过程由设计灵敏度分析及优化两大部分组成，可对静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、气动弹性和颤振分析进行优化。快速的优化算法允许在大模型中定义成千上百个设计变量和响应。设计灵敏度支持并行环境下的计算，大大提高了设计灵敏度的计算效率。

除了具有用于结构优化和零部件详细设计过程的形状和尺寸优化设计的能力外, MD Nastran又集成了适于产品概念设计阶段的拓扑优化功能。拓扑优化是与参数化形状优化或尺寸优化不同的非参数化形状优化方法。在产品概念设计阶段,为结构拓扑形状或几何轮廓提供初始建议的设计方案。拓扑优化采用Homogenization方法,在满足结构设计区域的剩余体积（质量）比的约束条件下，对静力分析满足最小平均柔度或最大平均刚度,在模态分析中,满足最大基本特征值或指定模态与计算模态的最小差。目前的拓扑优化设计单元为一阶壳元和实体单元。集成在MD Nastran中的拓扑优化,通过特殊的DMAP工具,建立了新的拓扑优化求解序列。拓扑优化还包括Topometry功能，它可以以每个单元作为设计变量，根据设定的目标，优化每个单元的厚度（材料分布）；Topography（形貌）优化，优化板壳的形貌。拓扑优化的过程中可以考虑加工工艺要求，以保证优化后的结构能被制造出来。Topometry优化还支持复合材料层厚度的优化。

另外，MD Nastran 还有以下全新的优化功能：

- 综合了尺寸、形状和拓扑优化，更快速的找到优化路径

-  外噪声响应优化，可以将汽车的NVH优化分析扩展到外声场

- 随机优化

-  Sol 200可以有粘接接触，是装配体优化功能

- 非线性优化

- 部件超单元优化，使用超单元技术，提高优化效率

- 与MD Adams耦合优化（研发中）

MD Nastran的优化功能可以实现多学科优化，可以进行以下分析类型及其组合分析的优化。

? 静力分析 (SOL 101)

? 模态分析 (SOL 103)

? 屈曲分析 (SOL 105)

? 直接法复特征值分析 (SOL 107)

? 直接法频率响应分析 (SOL 108)*

? 模态法复特征值分析 (SOL 110)

? 模态法频率响应分析 (SOL 111)*

? 模态法瞬态响应分析 (SOL 112)*

? 静气弹分析 (SOL 144)

? 颤振分析 (SOL 145)

凡是标?号的都可以进行噪声优化。

企业简介：

美国MSC软件公司于九十年代进入中国，在CAE发展伊始就在努力推动CAE技术在中国的普及。其总公司美国MSC软件公司成立于47年以前，并获得了由美国航天局授予的原始契约，从而可以开展有限元分析（FEA）作知名软件Nastran的商业化工作（美国航天局的结构分析）。MSC开创了众多科技，现在各行各业正在依靠这些科技，进行行业分析，预测应力和应变，振动与动力学，声学，以及在JNH官网的旗舰产品MSC.Nastran中的热分析。在公司悠久的历史中，MSC已经开发或收购了其他很多知名的计算机辅助工程（CAE）技术应用，包括Patran，Adams，Marc，Dytran，SimDesigner，SimManager，资讯工程，EASY5，Sinda，和Fluid Connection等。JNH官网正致力于新计算机辅助工程（CAE）工具和以及这些新产品所包含的技术的不断发展，技术主要包括MD Nastran，MD Adams SimXpert，能够集成独立计算机辅助工程（CAE）工具的技术到统一的多学科的求解器和用户环境中。这些“下一代”产品，因为包含多物理场和多学科互动，使工程师能够改善他们的虚拟原型的准确性和可靠性。MSC也是把模拟延长至工程企业的计算机辅助工程（CAE）行业的先进企业。JNH官网的客户认识到，他们需要测量建立虚拟样机和进行测试的益处，从而使工程和产品开发正规化，MSC提供了“模拟数据管理”（SDM）平台，该平台已经成功的应用在各行业中，包括汽车，航空航天，造船，电子等等。总部位于加利福尼亚州，圣安娜，MSC软件公司在23个国家拥有超过1000名员工。

产品概览：

MD Nastran功能强大、应用广泛、通用的结构有限元分析软件，进行结构强度、刚度、动力、随机振动、频谱响应、热传导、非线性、转子动力学、参数及拓扑优化、气动弹性等完整的仿真分析，是公认的业界标准。

Marc 功能齐全的非线性分析软件，具有较强的结构分析能力。可以处理各种各种复杂的非线性问题-几何非线性（大变形和大应变）、材料非线性和接触非线性，其快速的并行计算能力能够实现超大模型的非线性计算。

MSC Adams功能很强、应用广泛的机械系统动力学仿真工具，Adams可用于建立复杂机械系统的“虚拟样机”，在真实工作条件下真实地模拟所有运动，并且快速分析比较各种设计，直到获得性价比高的设计方案，从而减少昂贵的物理样机、提高产品设计水平，大幅缩短产品开发周期和开发成本。

Easy5主流的控制/多学科系统级虚拟样机建模分析软件，Easy5是一个基于图形的用来对动态系统进行建模、分析和设计的软件，其建模主要面向由微分方程、差分方程、代数方程及其方程组所描述的动态系统。模型直观地由基本的功能性图块组装而成，例如加法器、除法器，过滤器、积分器和特殊的系统级零件如阀、执行器、热交换器、传动装置、离合器、发动机、气体动力模型、飞行动力模型等多种零件。分析工具包括非线性分析、稳态分析、线性分析、控制系统设计数值分析和图表等。源代码自动生成以满足实时性的要求。

Dytran高速瞬态非线性动力学和瞬态流固耦合通用仿真工具，特别适用于高度非线性的动态分析，包括结构对结构的接触撞击、材料流分析、以及流体-结构藕合分析。Dytran也适用于模拟撞击破裂、钣金成型、锻造、安全气囊充气并与乘客的碰撞、船体撞击毁损、飞机或叶片鸟击分析、爆炸分析等，是集MSC公司两个核心软件MSC.DYNA和MSC.PISCES之大成，开高度非线性、流体-结构耦合、瞬态动力响应仿真商用软件之先河的先进产品。

MSC Fatigue是MSC.Software公司与英国谢非尔德nCode国际公司（nCode International）紧密合作的基础上发展起来的疲劳分析软件。在产品设计阶段使用MSC.Fatigue，可在设计制造过程之前进行疲劳分析，并为集成的寿命管理创造一个MCAE环境，真实地预测产品的寿命，很大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。MSC.Fatigue已经使世界众多的知名公司和企业从中获得巨大的经济效益。涉及从空间站、飞机发动机到汽车、铁路，从空调、洗衣机等家电产品到电子通讯系统，从舰船到石油化工，从内燃机、核能、电站设备到通用机械制造等各个领域。早期疲劳分析可提高产品的可靠性，增强客户对产品性能的信心，同时也可减少售后保修维护等费用，避免产品招回等难以预计的严重后果。

Patran集成的并行框架有限元前后处理器，针对各种不同的设计分析，提供一个全开放性的CAE环境。Patran是世界公认很好的新一代前后处理系统，它结合了几何造型整合、有限元素模型建立、以及仿真分析和结果评估能力，常被用来仿真产品的性能，并早在设计／制造实体模型测试前，即找出可能发生的问题并解决问题，提高产品的竞争力。

Sofy全球先进的有限元仿真流程自动化专家，是新一代有限元素的建模环境，也是进阶的、自动的、直观的建模工具，可以快速并有效率地建立、处理和管理巨大复杂的有限元素模型，系列模块主要是针对解决有限元素仿真流程自动化的问题。除了提供先进的前后处理功能之外，也具有功能强大的专业模块，在确保模型在高质量的基础上，快速自动化建模流程。

FlightLoads拥有飞行载荷及气动仿真系统，可直接满足飞行器设计人员的需求,进行静动气弹分析，并获得详细结构设计和分析所需的准确外载荷数据

FEA&AFEA结构分析及前后处理软件包，MSC.FEA是MSC.Patran和MSC.Nastran合成的一个软件包，前后处理利用MSC.Patran，求解器为知名的结构分析软件MSC.Nastran。MSC.AFEA是MSC.Patran和MSC.Marc合成的一个软件包，两者无缝集成，网络浮动。前后处理利用MSC.Patran,求解器为知名的结构分析软件MSC.Marc。分析功能齐全，界面操作方便，大大提高仿真效率。

Mvision的商品化的材料数据信息系统。

FluidConnection是理想的适用于自动实现CFD仿真流程的前处理环境，可大大提升产品研发的效率。它与现有的工程软件一同工作（不是取代），并支持各种主流的CAD和CFD软件。FluidConnection的创新性和突出价值在于抽象模型(Abstract Model)的理念和网格的自动划分相结合，很大程度地降低了无效工作。抽象模型的创建和测试一般由CFD专家完成。软件自动地将这些模型加载到CAD上，不需要分析专家的过多干预，也就是说，当通过CFD分析后CAD模型需要变化时，CAD设计师可以方便地进行操作。

MSC Sinda Sinda软件原是美国Network Analysis,Inc公司的产品，是目前世界上权威的系统热设计和热分析软件。它来源于美国航天工业，已有近四十年的研发历史。主要用于温度场和热控制计算，是基于集总参数和热阻—热容节点网络，采用有限差分数值方法设计开发的专业热分析软件，包括大量计算求解器、库函数和开放式的用户开发环境。20多年来，成功地解决了航天、汽车和电子学领域中的复杂的热技术难题。该软件自1982年起成为美国工业标准以来，已广泛应用于全球数百家公司（包括美国NASA、Lockhood、Boeing、Chrysler和TRW等知名企业或部门），并于1996年进入中国。目前已成功地应用于我国载人航天工程和多颗卫星、载荷的热设计。

SimEnterprise: MSC企业级解决方案。

SimXpert: 面向分析工程师的企业多学科仿真解决方案。

SimManager: 企业仿真管理，推进仿真持续改进。

SimDesigner: 面向设计工程师一元化多学科仿真环境。