Nastran瞬态分析中的强迫运动分析方法

Nastran瞬态分析中的强迫运动分析方法

Nastran软件具有强大的瞬态响应分析功能，可以在时间域求解结构在时变激励载荷作用下的动力行为（节点位移、速度、加速度、单元力和应力）。载荷形式可以是外力或强迫运动（位移、加速度、速度）。

在Nastran中求解瞬态响应分析有直接法和模态法，求解瞬响应分析中的强迫运动又分为：直接法、大质量法、大刚度法和拉格朗日乘子法。其中强迫运动直接法是Nastran在2010年新加入的方法，相比其他三种方法操作简单，计算结果精度高。

国内还没有教材及参考文献对其详细操作过程进行介绍。这里，以两种思路同时对Nastran强迫运动分析步骤进行介绍，一是以HyperMesh软件作为前处理软件，进行操作生成求解文件；二是直接编写Nastran求解文件。该步骤适合常用的MSC Nastran和NX Nastran。

下面以平板四角强制位移输入直接法仿真作为例子。

首先用HyperMesh软件建立平板有限元模型，单元类型为壳单元，为其设置材料属性（泊松比、弹性模量、密度），如下图所示，建模不是重点，可以通过各种方法建模，不再详细叙述。

如用HyperMesh作为前处理软件，注意通过Prefernces>User Profiles设置相应格式，设置为MSC Nastran或NX Nastran格式，如图所示。

注意HyperMesh采用的14.0版本。

首先设置分析类型为直接法瞬态响应分析（sol 109）或模态法瞬态响应分析（sol 112）。

用HyperMesh软件进行操作，首先打开Analysis主菜单下control cards，接着在自面板下选择sol，选择相应分析类型，sol 109对应“Dir.Transient Response”，sol 112对应“Modal Transient Response”。

直接编写Nastran格式求解文件，添加SOL 109或SOL 112语句（直接编写求解文件详细步骤可参考有关教程）。

SPCD卡的设置，SPCD卡用来设置强迫运动的输入位置及方向。

在HyperMesh中新建一个Load Collector（为其合理命名，如），不用为其选择类型。通过Analysis主菜单下constraints设置SPCD卡，如图所示。选择nodes选项后，选中平板有限元模型一角（多种方法，如直接在模型上单击选择），这样强迫运动输入位置设置完成。通过设置dof设置方向，本例中平板四角z向输入强迫运动，所以只选中dof3（dof3后面应设置大于0的数，图中给的是0，应当注意，一般设置为1）。load types设置为SPCD，单击creat，设置完成。同理，为其他3个角设置SPCD卡，注意每个SPCD卡需存放在不同Load Collector。

如果直接编写Nastran格式求解文件，可添加SPCD语句。

TABLED卡设置，TABLED卡用来储存时间历程数据。

在HyperMesh中新建一个Load Collector（为其合理命名，如TABLED1），为其选择类型TABLED2（还有其他表格类型，根据需要选择），设置数据点为20，单击Data编辑表格数据，x列为时间数据，y列为激励时间历程数据。最终应为平板四个角输入设置四个表格卡片。

如果直接调蚂编写求解文件，可添加TABLED语句。

TLOAD卡片设置，用来关联SPCD卡片及TABLED卡片生成强迫载荷（广义上的，包括强迫位移等）。

在HyperMesh中新建一个Load Collector（为其合理命名，如TLOAD1），为其选择类型矿各恩TLOAD，右击新建的Load Collector，单击card edit，打开详细设置面板。EXCITEID设置为SPCD卡，TYPE可设置为位移、速度、加速度等，图示为DISP即位移强迫输入，TID设置为相应TABLED卡片。步骤3中介绍dof后面数字不能为0，因为强迫输入数值为SPCD卡中dof后面数值与TABLED卡中数值的乘积，如果为0则输入为0。用该方法为平板四角设置四个TLOAD卡。

如果直接编写求解文件，可添加TLOAD语句。

DLOAD卡片设置，用来关联TLOAD卡，如仿真中只有一个TLOAD卡，则TLOAD卡等价于DLOAD卡，如果有多个TLOAD卡需要用DLOAD卡设置。

在HyperMesh中创建Load Collector并进行card edit方法同步骤5中TLOAD卡创建方法，打开设置面板。图中下方DLOAD_NU表示TLOAD卡个数，这里设置为4，图中上方S表示DLOAD系数，S（1）表示第一个TLOAD卡系数，L（1）表示第一个TLOAD卡编号，最终平板每个角上强迫输入值还要乘上系数S及S（i），i取1、2、3、4。其他如S（2）、L（2）则对应第二个TLOAD卡，同理设置其他两个TLOAD卡。至此强迫位移设置完毕。

如果直接编写求解文件，可添加DLOAD语句。

TSTEP卡设置，接趴裁下来进行仿真的必要设置，该卡用来设置仿真步长，这里设置为定步长，该步长需小于TABLED卡中最小时间间隔。

在HyperMesh中创建Load Collector，设置类型为TSTEP，设置Data.N，N表示仿真步数，DT表示步长，如图表示仿真时间为1秒。

如果直接编写求解文件，可添加语句TSTEP。

SPC1卡，约束及边界条件的施加。

要想顺利进行强迫输入瞬态响应仿真需要设置约束，创建Load Collector，设置类型为SPC1（单点约束），分别约束平板四个节点123自由度，需要创建4个Load Collector。如图所示，Card Image 为SPC1，C表示约束的自由度，Data G打开后可设置约束的节点，同样的方法设置4个SPC1卡。

如果直接编写求解文件，可添加语句SPC1。

SPCADD卡

同步骤6，SPCADD卡用于将多个SPC1卡集成为一个卡，这里不再详细叙述。

求解控制条件的设置。

在HyperMesh中打开主面板Analysis下control cards，打开GLOBAL_CASE_CONT。DLOAD选择之前设置的DLOAD卡，SPC选择SPCADD卡，TSTEP选择TSTEP卡。

求解输出结果参数设置。

在HyperMesh中打开主面板Analysis下control cards，分别打开PARAM及GLOABLE_OUTPUT_REQ进行设置，这里一起介绍。PARAM中选择AUTOS，AUTOSPC设置为YES，POST设置为-1，用来自动删除多余约束，设置结果文件格式为op2；GLOABLE_OUTPUT_REQ中设置输出所有节点加速度、位移、应力响应。

输出求解文件

用HyperMesh输出Nastran格式求解文件，具体步骤如图所示。

用Nastran求解器求解

这里采用NX Nastran，选择HyperMesh输出的bdf格式文件进行求解。

用HyperView读入Nastran计算结果，并将位移响应保存为动画。