NX NASTRAN是1972年MSC Software公司获得了一个版本的COSMIC Nastran，并推出自己的商业化产品。

 

NX Nastran要从Nastran说起

 

Nastran，即NASA 结构分析系统，是1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，主持开发大型应用有限元程序的招标，有多家软件开发商中标并参与了结构分析求解器的开发过程。1969年NASA推出了其第一个Nastran版本, 称为COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在public domain上的公开发售版本， Nastran和COSMIC是NASA的注册商标。

 

1972年，MSC Software公司获得了一个版本的COSMIC Nastran，并推出了自己的商业化产品 NX NASTRAN。这个版本的Nastran也是著名的Nastran版本。到了八十年代，又有另外两家公司UAI、 CSAR基于NASA的COSMIC Nastran 源代码推出了各自的商业版本，从而市场上形成了由主要三家Nastran供应商（MSC，UAI和CSAR）相互竞争的局面。 Nastran是工程分析界应用广泛的有限元软件，绝大多数的商业化前后处理器都对Nastran有良好的支持，其文本格式已成为标准格式，其计算结果也成为CAE分析的规范。

 

NX Nastran的由来

 

1999年，MSC 收购了UAI 和 CSAR，成为市场上唯一提供Nastran商业代码的供应商。而以后的几年，MSC NASTRAN的价格上涨，但是其相关功能和服务却没有得到提升，从而引发大量客户的抱怨，并向美国联邦贸易委员会（FTC）申诉。

 

经过调查，FTC认定MSC NASTRAN垄断。为了重建Nastran市场的竞争，FTC做出了如下的几项裁决（关于FTC官方裁决，请参看附录一）：

 

--MSC.Software公司必须共享MSC NASTRAN新商业版(当时为2002年11月v2001r9)，以重新建立NASTRAN市场竞争（该版本即MSC Nastran V1.0）

--共享内容包括用于Nastran开发、销售用的所有MSC NASTRAN的源代码、目标代码、测试案例、开发环境和所有文档的永久使用权许可

--告知在过去3年多时间（仅限美国）已购买了MSC.Software公司的永久使用许可的用户。这些用户有权转而使用EDS的NX Nastran，并由MSC.Software退还差额赔偿

--MSC和UGS 必须保证在未来3年内数据的兼容性，MSC Nastran将继续使用通用的Nastran格式，以确保那些转到NX Nastran的用户能使用过去的NASTRAN输入/输出文件

--获得许可的机构(EDS)应获得MSC.Software、UAI和CSAR公司雇员的名单，并有权雇佣他们

 

FTC的裁决使得一个强有力的公司——UGS PLM Solutions加入到Nastran的市场中来， Nastran由单一供应商MSC转为两家互相竞争的供应商，NX NASTRAN在各行业得到的认证同样适用于NX Nastran产品，不需要进行再次认证。

 

2003年9月，NX Nastran产品正式发布。UGS PLM承诺将全力开发支持 NX Nastran和NX NASTRAN 前后处理器（NX MaterFEM, Femap, NX Scenario），并在近两年中每年推出两个NX Nastran新版本。由于FTC的裁决使得MSC公司的雇员名单也已共享，因此已经有许多资深的NASTRAN专家加入到UGS PLM Solutions的开发队伍中来。包括：

 

1． Dr. Louis Komzsik ，前MSC的首席算法专家，有超过30年的结构分析经验和20年在MSC的工作经历；

2． Dr. Tom Kowalski，前MSC数值计算专家，10年专注于高性能科学计算研究；

3． Mr. Ken Burrell，前MSC和UAI程序开发人员，20年开发经验；

4． Mr. Richard Bush, 前MSC市场负责人，17年MSC市场运作管理经验。

5． Dr. Mark Donley… 等等

 

UGS PLM有超过两千人的研发队伍，其中仅CAE开发人员就已经超过600人。这些人员有平均15年以上的开发经验，而且在 2004年和2005 年将继续扩大队伍。UGS[1]  中国上海研发中心已经成立，将专注于CAE研发和本地化。由于UGS PLM Solutions投入了大量的CAE研发力量，许多国际用户对NX Nastran的未来发展充满信心，并有大量用户已经从NX NASTRAN转到了NX Nastran。在NX Nastran推向市场三个月内，有超过5000个license的国际用户转而应用NX Nastran，其中包括Daimler Chrysler，Caterpillar Tractor，Lockheed-Martin，GE Power Systems，Nissan R&D- USA，FORD Europe，EADS，Matra Automotive，Liebherr Spac，Gulf Aircraft Maintenance，Yokohama Rubber，Hyundai Heavy Ind，Tata Steel，Honeywell Aerospace等等。

 

西门子已经完成对产品生命周期管理（PLM）软件和服务提供商UGS公司的收购，并于 2007年5月4日生效。UGS公司从此将更名为“UGS PLM软件公司”（UGS PLM Software），并作为西门子自动化与驱动集团（Siemens A&D）的一个全球分支机构展开运作。

 

NX Nastran动力分析功能介绍

 

 

与当前版本的商业软件NX NASTRAN一样，NX Nastran是国际上应用广泛的CAE工具，大量的制造厂商依靠其分析结果来设计和生产更加安全可靠产品，得到更优化的设计，缩短产品研发周期。三十多年来, Nastran已经成为了几乎所有国际大企业的工程分析工具，应用领域包括航空航天, 汽车，军工，船舶，重型机械设备，医药和消费品等，这也使得其分析结果成为了工业化的标准。

 

对于大型企业来说，NX Nastran是一个独立的解决方案。它通常运行局域网上，支持多用户，多平台系统，并可以和多种有限元前后处理器协同工作。这些处理器包括EDS和其他许多CAE供应商提供的高效易用的专业产品。

 

NX Nastran适用于需要完成大量流程化分析计算的用户。它的特点是灵活，可靠并能同大量的其他分析软件协同运作，形成统一高效的分析流程，并在整个流程中承担核心求解功能。它的数据格式可以在绝大多数的CAE软件中识别和使用，使得同其他CAE使用者交换数据的方式灵活方便，大大减少了数据转换和共享的工作量。

 

目前的NX Nastran 产品包括：

 

NX Nastran -- Basic: NX Nastran 的基本模块，包括线性静力，模态，屈曲和热传递功能。

NX Nastran -- Nonlinear: 支持材料非线性，几何非线性和接触分析。

NX Nastran -- Dynamic Response: 在时域和频域中计算结构在外在激励下的动力学响应。

NX Nastran -- Superelements: 将超大模型分解为小的子结构求解。

NX Nastran -- Direct Matrix Abstraction Program (DMAP): 允许用户进行二次开发，将自己的算法和应用扩充到NX Nastran 中。

NX Nastran -- Aeroelasticity: 对气流作用下的模型进行分析。

NX Nastran -- Optimization: 自动迭代完成优化设计。

Nastran for Femap: 基于Windows环境，将 Femap的前后处理功能和 NX Nastran 分析能力结合在一起。

NX Nastran -- Advanced Aeroelasticity: 预测结构在气流作用下的响应，并可以进行超音速分析。

NX Nastran -- Rotor Dynamics: 一个新的动态分析能力，专门针对转子动力学分析。

 

NX NASTRAN在结构动力学分析中有非常多的技术特点, 具有其它有限元分析软件所无法比拟的强大分析功能。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响, 同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。 

 

全面的NX NASTRAN动力学分析功能包括: 正则模态及复特征值分析、 频率及瞬态响应分 析、 (噪)声学分析、 随机响应分析、 响应及冲击谱分析、 动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模, 用户可选择NX NASTRAN不同的动力学方法加以求解。在处理大型结构动力学问题时如不利用特征缩减技术将会使解题效率大大降低，而NX NASTRAN的通用动力缩减算法（GDR法）在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度，而不必象其他缩减法那样更多地需要由用户进行手工干预。此外速度更快、磁盘空间更节省的稀疏矩阵解算器适用于所有的动力分析类型, 半带宽缩减时的自动内部重排序功能及并行向量化的运算方法可使动力解算效率大大提高。

 

为求解动力学问题, NX NASTRAN提供了求解所需齐备的动力和阻尼单元,如瞬态响应分析的非线性弹性单元、 各类阻尼单元、 (噪) 声学阻滞单元及吸收单元等。 众多的阻尼类型包括: 结构阻尼、 材料阻尼、 不同的模态阻尼(含等效粘滞阻尼)、(噪)声阻滞阻尼和吸收阻尼、可变的模态阻尼(等效粘性阻尼,临界阻尼的分数,品质因数)、 离散的粘性阻尼单元、随频率变化的非线性阻尼器以及动力传递函数，直接矩阵输入、动力传递函数定义等。NX NASTRAN可在时域或频域内定义各种动力学载荷, 包括动态定义所有的静载荷、 强迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延时、时间窗口、解析显式时间函数、实复相位和相角、 作为结构响应函数的非线性载荷、基于位移和速度的非线性瞬态加载、随载荷或受迫运动不同而不同的时间历程等。模态凝聚法有 Guyan凝聚（静凝聚），广义动态凝聚，部分模态综合，精确分析的残余向量等。

 

NX NASTRAN的高级动力学功能还可分析更深层、更复杂的工程问题如控制系统、流固耦合分析、传递函数计算、输入载荷的快速富里叶变换、陀螺及进动效应分析(需DMAP模块)、模态综合分析(需Superelement模块)。所有动力计算数据可利用矩阵法、位移法或模态加速法快速地恢复, 或直接输出到机构仿真或相关性测试分析系统中去。

 

NX NASTRAN的主要动力学分析功能如:特证模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等可简述如下：

 

1）正则模态分析用于求解结构的自然频率和相应的振动模态,计算广义质量, 正则化模态节点位移,约束力和正则化的单元力及应力, 并可同时考虑刚体模态。具体包括:

 

a). 线性模态分析又称实特征值分析。 实特征值缩减法包括: Lanczos法、增强逆迭代法、Givens法、改进 Givens法、Householder法，并可进行Givens和改进Givens法自动选择、带Sturm 序列检查的逆迭代法,所有的特征值解法均适用于无约束模型。

 

b). 考虑拉伸刚化效应的非线性特征模态分析, 或称预应力状态下的模态分析。

2）复特征值分析复特征值分析主要用于求解具有阻尼效应的结构特征值和振型, 分析过程与实特征值分析类似。 此外NASTRAN的复特征值计算还可考虑阻尼、质量及刚度矩阵的非对称性。复特征值抽取方法包括直接复特征值抽取和模态复特征值抽取两种:

 

a) 直接复特征值分析

 

通过复特征值抽取可求得含有粘性阻尼和结构阻尼的结构自然频率和模态,给出正则化的复特征矢量和节点的约束力, 及复单元内力和单元应力。主要算法包: Delerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、复Lanczos法,适用于集中质量和分布质量、对称与反对称结构,并可利用DMAP工具检查与测试分析的相关性。

 

b) 模态复特征值分析

 

此分析与直接复特征值分析有相同的功能。 本分析先忽略阻尼进行实特征值分析, 得到模态向量。 然后采用广义模态坐标,求出广义质量矩阵和广义刚度矩阵, 再计算出广义阻尼矩阵, 形成 模态坐标下的结构控制方程, 求出复特征值。 模态复特征值分析得到输出类型与用直接复特征值分析得到输出类型相同。

 

3）瞬态响应分析(时间-历程分析)瞬态响应分析在时域内计算结构在随时间变化的载荷作用下的动力响应，分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。

 

a) 直接瞬态响应分析

 

该分析给出一个结构对随时间变化的载荷的响应。 结构可以同时具有粘性阻尼和结构阻尼。该分析在节点自由度上直接形成耦合的微分方程并对这些方程进行数值积分,直接瞬态响应分析求出随时间变化的位移、速度、加速度和约束力以及单元应力。

 

b) 模态瞬态响应分析

 

在此分析中,直接瞬态响应问题用上面所述的模态分析进行相同的变换,对问题的规模进行压缩，再对压缩了的方程进行数值积分，从而得出与用直接瞬态响应分析类型相同的输出结果。

 

4）随机振动分析该分析考虑结构在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应。对于例如地震波,海洋波,飞机超过建筑物的气压波动,以及火箭和喷气发动机的噪音激励,通常人们只能得到按概率分布的函数,如功率谱密度(PSD)函数,激励的大小在任何时刻都不能明确给出,在这种载荷作用下结构的响应就需要用随机振动分析来计算结构的响应。NX NASTRAN中的PSD可输入自身或交叉谱密度,分别表示单个或多个时间历程的交叉作用的频谱特性。计算出响应功率谱密度、自相关函数及响应的RMS值等。 计算过程中, NX NASTRAN不仅可以象其它有限元分析那样利用已知谱,而且还可自行生成用户所需的谱。

 

5）响应谱分析响应谱分析(有时称为冲击谱分析)提供了一个有别于瞬态响应的分析功能,在分析中结构的激励用各个小的分量来表示, 结构对于这些分量的响应则是这个结构每个模态的超大响应的组合。

 

6）频率响应分析 频率响应分析主要用于计算结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度,虚部代表响应的相角。

 

a) 直接频率响应分析

 

直接频率响应通过求解整个模型的阻尼耦合方程,得出各频率对于外载荷的响应。 该类分析在频域中主要求解二类问题。 第一类问题是求结构在一个稳定的周期性正弦外力谱的作用下的响应。结构可以具有粘性阻尼和结构阻尼,分析得到复位移、速度、 加速度、约束力、单元力和单元应力。这些量可以进行正则化以获得传递函数。

第二类问题是求解结构在一个稳态随机载荷作用下的响应。此载荷由它的互功率谱密度定义。而结构载荷由上面所提到的传递函数来表征。分析得出位移,加速度,约束力或单元应力的自相关系数。该分析也对自功率谱进行积分而获得响应的均方根值。

 

b) 模态频率响应

 

模态频率响应分析和随机响应分析在频域中解决的二类问题与直接频率响应分析解决相同的问题。结构矩阵用忽咯阻尼的实特征值分析进行了压缩, 然后用模态坐标建立广义刚度和质量矩阵。 该分析的输出类型与直接频率响应分析得到的输出类型相同。

 

NX NASTRAN的模态扩张法(残余矢量法)可以估算高阶模态的作用,以确保参加计算的频率数足以使模态法的响应分析的计算精度显著提高。

 

此外，在众多的应用里，结构模态分析同时考虑几何刚化和材料非线性也是非常重要的。这一功能在NX NASTRAN中叫做非线性正则模态分析。

 

7）多级超单元分析超单元分析是求解大型问题一种十分有效的手段,特别是当工程师打算对现有结构件做局部修改和重分析时。超单元分析主要是通过把整体结构分化成很多小的子部件来进行分析, 即将结构的特征矩阵(刚度、传导率、质量、比热、阻尼等)压缩成一组主自由度类似于子结构方法,但较其相比具有更强的功能且更易于使用。子结构可使问题表达简单、计算效率提高、计算机的存储量降低。超单元分析则在子结构的基础上增加了重复和镜像映射和多层子结构功能, 不仅可单独运算而且可与整体模型混合使用, 结构中的非线性与线性部分分开处理可以减小非线性问题的规模。应用超单元工程师仅需对那些所关心的受影响大的超单元部分进行重新计算, 从而使分析过程更经济、更高效,避免了总体模型的修改和对整个结构的重新计算。NX NASTRAN优异的多级超单元分析功能在大型工程项目国际合作中得到了广泛使用, 如飞机的发动机、 机头、机身、机翼、垂尾、舱门等在最终装配出厂前可由不同地区和不同国家分别进行设计和生产, 此间每一项目分包商不但可利用超单元功能独立进行各种结构分析,而且可通过数据通讯在某一地利用模态综合技术通过计算机模拟整个飞机的结构特性。

 

多级超单元分析是NX NASTRAN的主要强项之一, 适用于所有的分析类型, 如线性静力分 析、 刚体静力分析、 正则模态分析、几何和材料非线性分析、 响应谱分析、 直接特征值、 频率响应、 瞬态响应分析、 模态特征值、 频率响应、 瞬态响应分析、 模态综合分析(混合边界方法和自由边界方法)、设计灵敏度分析、 稳态、 非稳态、 线性、非线性传热分析等。

 

模态综合分析: 模态综合分析需要使用超单元,可对每个受到激励作用的超单元分别进行分析, 然后把各个结果综合起来从而获得整个结构的完整动态特性。超单元的刚度阵、质量阵和载荷阵可以从经验或计算推导而得出。结构的高阶模态先被截去,而后用静力柔度或刚度数据恢复。 该分析对大型复杂的结构显得更有效(需动力学分析模块)。

 

NX NASTRAN支持的硬件平台

 

NX NASTRAN 具有广泛的平台适用性，可在PC机、工作站、小巨型机、超级计算机等50种以上通用和专用计算机不同的操作系统下运行，主要机种如：PC、SUN、DEC、HP、IBM、SGI、NEC、HITACHI、SIEMENS、CRAY、CONVEX等。NX NASTRAN的并行处理技术保证其在诸如CRAY、CONVEX、IBM、SUN、DEC、SGI等具有多处理器的大中型计算机上高效运行。