MSC.Software最新有限元技术

    在市场竞争日益激烈，计算机仿真技术飞速发展的今天，以倡导虚拟产品开发（VPD）技术并为全球制造行业提供标准的MCAE软件、服务和咨询的业内巨头MSC.Software公司，其宗旨正是在于不仅仅使CAE仿真技术更容易使用、更有效率，而且使产品设计能够像投资者期望的那样，以更短的研发时间和更少的成本，确保最佳的产品性能。

    MSC.Software在推出第一个商用CAE软件以来的41年中，一直引领着MCAE发展潮流，不断利用最新的计算机软硬件技术，网络技术和各种有用资源，为传统的CAE技术注入新鲜概念和巨大威力。MSC.Software所倡导和正在逐步实施的未来CAE发展规划和蓝图，将对传统制造行业产生巨大冲击力，促使CAE技术更为深广地渗透到产品开发的整个过程，帮助用户革新产品开发流程、确保竞争实力。MSC.Software公司于今年10月6日宣布其核心产品的全面升级，释放最新的2005版本，新功能的增加和现有功能的大大提升，使得2005版成为功能最强大、最全面产品系列。MSC.Software公司投入大量人力物力，旨在开发出更好地帮助用户提高仿真能力，满足企业实现虚拟产品开发(VPD)多重需求的CAE软件。下面介绍主要有限元产品2005版的主要新功能，与读者们共享。

    一、MSC.Nastran v2005的特点

    MSC.Nastran v2005 : MSC. Nastran是世界上功能全面、性能超群、应用广泛的大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准程序。能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、(噪)声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。MSC.Nastran的开放式用户开发环境和DMAP语言，能够满足用户扩展求解功能和完成数据转换的特殊需要。2005版除了修正所有用户反馈的信息外，在非线性、动力分析、转子动力学及优化等方面均有大大增强，成为功能最强大版本。

    (1)隐式非线性分析(SOL 600)，在将MSC.Marc的高级非线性技术集成入MSC.Nastran后，2005版对其功能进一步提升，使得它具有完整的处理考虑摩擦的三维接触（柔形体-柔形体，柔形体-刚性体）、各种材料非线性如考虑各向异性屈服的塑性材料；支持粘弹性材料、超弹性材料 (Ogden)、几何大变形的能力，增加了求解复特征值、定义随温度变化的应力-应变曲线、多非线性载荷工况屈曲分析、非线性弹簧、壳梁的偏置、螺栓单元，支持空腔模型内的非衡定压力，内存控制和用户子程序等功能，在区域并行方面（DMP），支持64个CPU，对区域并行计算，只要定义一个输入文件即可，而以前版本需要定义多个文件（数目等同于CPU数），因此，用户可以更方便高效地利用MSC.Nastran求解各类非线性问题。SOL600功能的所有参数在其前后处理器 MSC.Patran中得到全面支持，方便了用户的使用。

    (2)显式非线性分析(SOL 700)，是集成著名的显式非线性软件LS-DYNA 970的求解器，采用MSC.Nastran的数据格式，在MSC.Nastran统一环境下仿真瞬态动力学问题，如汽车碰撞、高速冲击、金属成型等高度非线性问题。这一功能的增加，是MSC与LSTC的强强结合，使得MSC.Nastran集显式和隐式非线性于一体，功能更强大，应用更广泛。

图1 汽车正面碰撞

图2 汽车让     

    (3)与MSC.ADAMS集成，MSC.Nastran与MSC.ADAMS密切集成，MSC.ADAMS所需要的柔性体的信息能够直接从MSC.Nastran中输出MNF文件，自动读入MSC.ADAMS进行带柔性体的系统运动学仿真，2005版将矩阵域自动部件模态综合法（MDACMS）用于计算柔性体的MNF文件，提高了计算速度与精度，在MNF文件输出设置中，增加了Rigid选项，便于模型检查。

    (4)数值方法增强，自动部件模态综合法(ACMS)得到增强，新增加矩阵域自动部件模态综合法(MDACMS)，此法基于自由度计算，与在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，频响分析及优化分析，对于多点约束（MPC）多的情况下计算效率更高。

图3

图4

    (5)动力学的增强，2005版在强迫运动分析可设置初始位移、初始速度，性能大大提高；在直接频率和模态频率响应及优化分析，可以设置多边界条件；在执行控制中，新增了模态输出（MODES ELECT）选项，可以根据模态有效质量（MEFFMFRA）选择模态输出。

    (6)转子动力学，MSC.Nastran的转子动力学提供给用户对进行旋转机构的设计与分析。可以进行频响分析（直接法与模态法），复模态（直接法与模态法）,静态，非线性瞬态与线性瞬态分析，以满足设计上的需求。频响分析用来分析转子—支承系统受到任意激励的响应，既可计算与转速无关的外部激励的响应，也可计算由于转子不平衡或其他与转速相关激励所产生的响应。复模态分析可计算涡动频率与临界转速，涡动模态是转子—支承系统在转子以某一特定转速转动情况下的模态。临界转速是与转速相一致时的涡动频率，是影响转子设计最重要的指标。静态分析用来分析由于偏斜等因素造成的载荷影响，避免转子叶片与机匣或其它定子部分的摩擦。直接线性或非线性瞬态分析可进行转子叶片的动力学仿真，保证结构的强度，及避免振动超限。MSC. Nastran 2005的转子动力学分析功能得到很大提高，挤压油膜模型被成功的引入，可以模拟滑动轴承、挤压油膜。

图5 挤压油膜阻尼器模型

    (7)优化分析，MSC.Nastran的SOL 200具有优化设计功能，可以在同时考虑结构的静力、模态、屈曲、瞬态响应、频率响应、空气弹性和颤振分析时，针对一定的优化目标和限制条件对结构进行优化设计。在SOL 200中，尺寸参数如梁单元横截面的高度和宽度或壳单元厚度，形状参数（相关的格栅坐标）和材料特性，诸如材料密度，杨氏模量等均可作为设计变量。2005版增强了复合材料的优化分析；基于矩阵自动部件模态综合法和区域并行（DMP）的敏度优化使优化分析的时间大大缩短效率更高，为了给用户提供一个范围更加完整的优化设计分析能力，MSC.Nastran 2005增加了另一个范畴的优化能力，即拓扑形状优化功能，可以方便地应用于概念设计阶段，帮助设计人员确定产品初始形状，为得到最优设计提供参考。

图6 二维结构的拓扑优化

图7 三维实体结构的拓扑优化

    (8)动力设计分析方法DDAM， 2005版增加了新的求解序列（SOL187），提供了使用动力设计分析方法（DDAM）对结构响应的计算。使用DDAM可以进行结构的冲击响应分析，计算模型的振动参与因子及模型的有效质量。在MSC.Patran中提供了此功能设置与运行DDAM 的分析选项。

    二、MSC.Marc v2005的新增功能

    MSC.Marc v2005: MSC.Marc是处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场问题的高级有限元软件。具有超强的单元技术和网格自适应及重划分能力，广泛的材料模型，高效可靠的处理高度非线性问题能力和基于求解器的极大开放性。被广泛应用于产品加工过程仿真，性能仿真和优化设计。MSC.Marc 2005新功能及原有功能的加强包括:

    (1)接触和摩擦的改进， MSC.Marc 2005 的接触功能得到了显著的改进，使接触问题的求解更加准确、更加稳定、效率更高。接触分析的功能已扩展到静电—结构耦合和扩散模拟。允许接触节点采用局部坐标系；允许接触节点采用多点约束，可以联合使用TYING、SERVO link、INSERT、CONTACT、RBE2、RBE3选项，采用新增加的MPC-CHECK选项可以对所有多点约束按正确的顺序重新排序；改善分离判断算式，使计算结果更为合理；可以根据接触体的平均刚度、接触区单元边长优化变形体接触约束；真正高阶单元接触分析可以对接触节点或被接触节点的接触应力和摩擦应力进行后处理；对并行分析时的约束处理方式作了调整，使其计算结果与单个CPU求解时结果完全一致；增加了基于相对位移的双线性摩擦模型，比基于速度的库仑摩擦模型更准确，比粘滑摩擦模型更通用、效率更高；将接触分析扩展到静电—结构耦合分析中，允许导体与周围介质网格不协调，因而便于网格划分，对于设备有大运动时，还可以进行整体网格重划分；将接触分析扩展到扩散分析中，允许物体与环境的网格不协调；增强了热接触分析功能，如果接触体不与别的物体相接触时，除考虑与环境对流换热外，还可以考虑接触体对环境辐射；可以采用TABLE的功能定义许多接触参数，如：接触体之间的摩擦系数、传热系数等；对于多工步的加工过程，可以利用重启动功能增加或改变刚性表面。

图8 不同摩擦模型和参数得到的结果比较

    (2)自动载荷步长的加强，自适应载荷步长和时间步长控制是得到复杂非线性模拟准确结果的有效方法。AUTO STEP选项得到了很好的加强，即使发生物理或数值不稳定也可以得到合理的数值结果，改善了准静态和动力分析的求解稳健性。增加新的准静态阻尼算式，对于涉及系统突变的问题（接触、失稳等）的自动时间步长策略更加稳健，用户不需指定任何阻尼系数；改变步长调整策略，避免步长增长过快；引入特定的阻尼策略，避免CUT BACK 过多引起的步长过小而导致的3015退出。

    (3)分析速度、内存使用和加速比的改进，并行分析时可以采用单个输入文件而不必每个区域分别拥有一个输入文件；通过单元技术、材料模型、接触算法和求解器等方面的改进使求解速度进一步加快、内存使用效率进一步提高。

    (4)单元技术，新增3种电磁分析的单元，分别是4节点、10节点四面体单元和2节点线单元，更便于复杂结构的网格划分以及边界条件的施加；Rebar单元的后处理得到进一步加强，可以显示rebar和在rebar层平面中参考轴投影的夹角变化。

    (5)易用性和通用性的加强，新加预状态PRE STATE选项，使以前分析的结果（包括应力、应变、温度、位移等）可以转化为新模型的初始条件，此新功能对加工、土木工程等行业特别有用，目前包括情况:2D 到 2-D，2-D 平面应变到 3-D，2-D 轴对称到 3-D，2-D 广义平面应变到3-D，3-D 到 3-D。新加结构局部二次分析功能，用户可以利用整体分析的结果，对结构局部细化网格进行二次分析，可以很经济地得到局部准确的结果，目前包括以下情况:2D实体到2-D实体，3-D实体到3-D实体，3-D壳/膜到3-D壳/膜，3-D壳/膜到3-D实体。允许定义跟随集中力；表格输入得到很大的加强，其优点有：更便于使用，增加产品的功能，允许采用连续函数以提高分析精度，减少输入文件的大小，减少用户子程序编调工作，改进与 CAD 软件的兼容性，改善 MSC.Patran 和 Mentat的兼容性，改善与MSC.Nastran输入文件的兼容性，允许参数化输入；将几何信息以及几何与网格的关联信息输入到MSC.Marc求解器中，并在几何实体上施加边界条件，使网格重划分后边界条件能够重新施加到结构上，目前限于2D问题，将来会扩展到3D问题；断裂力学分析功能进一步增强，可以支持大位移、大应变的弹性和塑性问题，也允许接触面之间的发生接触。

    (6)总体网格重划分和网格自适应，对于2D问题，总体重划分中的允许施加分布载荷和节点边界条件；可以在并行分析过程中的实现网格自适应。

    (7)加工过程仿真，车削过程模拟作了大量改进，增加了大量很实用的选项，可以改善结果的精度，提高模拟效率，增强了用户友好性；焊接模拟功能得到很多加强，可以在界面上进行标准的焊接热源定义，包括尺寸、形状、大小和移动速度，还可以很方便地定义焊接热源的运动，包括路径、方向以及重复的次数，对焊料单元模拟也更为方便，后处理能自动根据单元死活情况进行显示。

图9 飞机部件加工过程仿真

    (8)材料模型，除实体单元外，可以用壳单元和梁单元记忆合金材料结构，另外采用新的迭代方法使分析结果的精度进一步提高；通过新加的用户子程序接口UELASTOMER，用户可以很方便地定义用户自己提出的广义应变能函数模型；大应变泡沫模型已推广到可以支持粘弹性行为，这一功能地扩展对包装工业很有用。

图10 血管支架接触分析

图11 车门密封过程模拟

    (9)多物理场和热分析的加强，辐射分析能力有了大幅度的提高，主要体现在以下方面：新加视角系数计算程序，比以前的Monte Carlo法更准确、更快；视角系数在MSC.Marc程序中计算，当结构发生大位移时可以重新计算，因而可以模拟绞接结构；辐射可以与网格自适应联合使用，如果需要，可以重新计算角系数；对于2D问题，辐射可与总体网格重划分联合使用；通过TABLE选项，发射率可以定义为频率、空间位置、温度等函数；用户可以在后处理中看到角系数的大小；能求解比以前大很多的问题，根据实例测试辐射计算加快10倍，内存使用相当于原来的1/2 ；新增静电—结构耦合分析，此功能对微机电系统（MEMS）特别有用如打印头、放映机、生物微机电系统；增加扩散模拟分析功能。

    (10)多点约束功能的加强，增加了一个新的tying（多点约束）类型，使模拟螺栓和铆钉的能力得到了加强；上一个版本的RBE3基于小转动增量假设，新版本消除了该限制，可以准确应用于大转动问题中；INSERT 功能的加强，新版本允许用户在INSERT选项中定义主体物体（接触体）而不是主体单元，而且允许主体物体网格重划分；新版本还允许将壳单元、膜单元定义为主体单元。

    (11)产品的集成，MSC.Adams—MSC.Marc集成得到了加强，MSC.ADAMS/Flex允许将柔性部件包含在MSC.ADAMS模型中，以便得到更真实的模拟结果。MSC.Marc 2005可以产生一个模态中性文件（MNF）来代表将要集成到MSC.ADAMS模型中的柔性部件。柔性部件在MSC.Marc可以在需要产生MNF文件的点上承受线性或非线性载荷。MSC.Marc采用最通用的部件模态综合法（CMS）Craig－Bampton来产生MNF文件。MSC.Marc允许用户指定界面节点，而且还允许自动指定用用户选择的接触体接触的界面节点，这对一些非线性分析非常有用。