MSC Nastran動力分析指南
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【作 者】田利思 李相輝 馬越峰 趙明宇
【I S B N 】978-7-5084-9527-9
【責任編輯】宋俊娥
【適用讀者群】本專通用
【出版時間】2012-03-19
【開 本】16開
【裝幀信息】平裝（光膜）
【版 次】第1版第1次印刷
【頁 數】404
【千字數】622
【印 張】25.25
【定 價】￥62
【叢 書】萬水MSC技術叢書
【備注信息】
簡介
本書特色
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本書介紹MSC Nastran軟件在動力學領域的基本理論和使用方法。內容包括動力學分析方法及Nastran基本功能介紹，模態分析，頻率響應分析，瞬態響應分析，響應譜與隨機響應分析，復特征值分析，使用超單元算法的正則模態分析，動力學建模選項，非線性正則模態，動力優化設計，試驗-分析的相關性，動力學設計分析方法DDAM，噪聲分析，非線性求解序列SOL 400、隱式非線性求解序列SOL 600、顯式非線性求解序列SOL 700的基本理論、求解方法及其在動力學分析中的應用。本書配有詳細的實例操作說明，所選實例均使用MSC Patran作為前后處理器來創建分析模型和進行分析結果評估。本書配套光盤中含有實例的相關源文件，以供學習之用。
本書可以作為汽車、航空航天、軍工、電子、土木工程、造船、水利、石油、制造和建筑等行業工程技術人員應用Nastran軟件進行仿真分析的基礎教程，也可作為理工科院校相關專業的學生、教師學習Nastran和Patran的參考書。
本書編者從事有限元分析應用多年，具有豐富的FEA軟件使用經驗
本書從講解MSC.Nastran動力學分析基礎理論入手，詳細講解MSC.Nastran在動力學分析方面的基本功能和應用方法
本書結合實際提供大量的MSC.Nastran典型應用實例，可以幫助讀者在最短的時間內系統掌握MSC.Nastran的使用方法與基本技巧，并進一步學以致用
本書可以作為汽車、航空航天、軍工、電子、土木工程、造船、水利、石油、制造和建筑等行業工程技術人員應用MSC.Nastran軟件進行仿真分析的基礎教程
近年來，有限元仿真分析在工程領域中的應用得到了很大發展，各大理工科院校、研究機構都開展了對有限元分析方法的深入研究。Nastran解算器是當今最為著名的有限元求解程序，擁有最為廣泛的用戶群，其輸入輸出格式及計算結果已成為當前CAE界的工業標準。但當今市場上針對該部分內容的書并不是很多，為了便于廣大用戶更好地掌握和使用MSC Nastran，本書將針對MSC Nastran在動力學分析方面的仿真應用做詳細介紹。
本書主要從講解MSC Nastran動力學分析基礎理論入手，詳細講述MSC Nastran在動力學分析方面的基本功能和應用方法。內容包括動力學分析方法及Nastran基本功能介紹，模態分析，頻率響應分析，瞬態響應分析，響應譜與隨機響應分析，復特征值分析，使用超單元算法的正則模態分析，動力學建模選項，非線性正則模態，動力優化設計，試驗－分析的相關性，動力學設計分析方法DDAM，噪聲分析，非線性求解序列SOL 400、隱式非線性求解序列SOL 600、顯式非線性求解序列SOL 700的基本理論、求解方法及其在動力學分析中的應用。本書中有大量的Nastran應用實例，讀者可以在最短的時間內掌握Nastran的應用特點，并學以致用。本書可以作為汽車、航空航天、軍工、電子、土木工程、造船、水利、石油、制造和建筑等行業工程技術人員應用Nastran軟件進行仿真分析的基礎教程。
MSC Nastran功能強大應用廣泛，并且有很多的前后處理器可供用戶選擇。本書編者從事有限元分析應用多年，有豐富的FEA軟件使用經驗。本書從動力學基礎理論著手，詳細講解了MSC Nastran在動力學分析方面的基本使用方法和流程，并結合實際，給出了許多典型例題及說明。通讀本書，可以幫助初學者系統掌握MSC Nastran的使用方法和基本技巧，并進一步學以致用。由于書中理論部分多以Nastran卡片介紹為主，所以建議讀者在學習本書之前先要了解一些Nastran的基礎應用知識，如果遇到難以理解的部分可以參考軟件中的“MSC Nastran快速幫助手冊”。
在本書的編寫過程中，得到了MSC.Software中國各辦事處的很多同志的大力支持，編者借此機會對Nastran資深工程師陳火紅、仰莼雯、劉北南、姜正旭在書籍編寫過程中給與的指導和建議表示感謝，并對北京辦事處孫丹丹、李道中、陳志偉、李保國以及市場部經理張健女士和IT部門主管王彬先生在編書過程給與的各種協助深表謝意。
由于編者水平有限，書中缺點和錯誤在所難免，敬請讀者批評指正。
作者
2012年1月于北京
1.1 有限元分析方法介紹 1
1.1.1 有限單元法的基本思路 2
1.1.2 有限元法的計算步驟 3
1.1.3 有限元法的進展與應用 5
1.2 動力學分析概述 6
1.2.1 動力分析過程瀏覽 6
1.2.2 單自由度系統 7
1.2.3 單自由度系統無阻尼自由振動 8
1.2.4 單自由度系統有阻尼自由振動 9
1.2.5 單自由度系統無阻尼簡諧振動 10
1.2.6 單自由度系統有阻尼簡諧振動 11
1.2.7 多自由度系統 12
1.2.8 有限元動力學建模需要考慮的問題 13
1.3 MSC Nastran的由來 13
1.3.1 Nastran程序的起源 13
1.3.2 MSC Nastran的由來 13
1.4 MSC Nastran動力分析功能介紹 14
1.4.1 動力分析功能及特性 14
1.4.2 MSC Nastran支持的硬件平臺 16
1.5 MSC Nastran基本應用流程 17
1.5.1 前處理 17
1.5.2 求解 22
1.5.3 后處理 22
1.6 動力學模型輸入 23
1.6.1 MSC Nastran 輸入文件結構 23
1.6.2 MSC Nastran 數據卡片格式 23
1.6.3 有限元分析手段 23
1.6.4 MSC Nastran常用單元形式 24
1.6.5 耦合質量與集中質量 25
1.6.6 MSC Nastran基本集合的運算 28
1.6.7 MSC Nastran基本集合的定義 29
1.6.8 模型檢查的提示 31
第2章 模態分析 32
2.1 模態分析目的 32
2.2 模態分析理論 32
2.3 自然模態與固有頻率性質 33
2.4 模態能量 34
2.5 特征值解法 34
2.5.1 跟蹤法 35
2.5.2 變換法 35
2.5.3 蘭索士（Lanczos）法 35
2.5.4 特征值方法的比較 35
2.5.5 Lanczos法卡片 36
2.5.6 模態分析求解控制 36
2.5.7 例子 37
2.6 動力分析的縮減 39
2.6.1 概述 39
2.6.2 MSC Nastran中使用的降階方法 39
2.7 剛體模態 44
2.7.1 剛體模態與剛體向量 44
2.7.2 剛體模態的計算 45
2.7.3 SUPPORT（支撐）自由度的選擇 46
2.7.4 SUPPORT（支撐）自由度的檢驗 46
2.7.5 MSC Nastran對剛體模態和剛體向量的計算 46
2.8 模態分析實例 47
第3章 頻率響應分析 56
3.1 動力學分析中的矩陣組集 56
3.1.1 阻尼矩陣 56
3.1.2 直接法 58
3.1.3 模態法 59
3.2 頻率響應分析 60
3.2.1 概述 60
3.2.2 直接頻率響應法 61
3.2.3 模態頻率響應法 61
3.2.4 激勵的確定 61
3.2.5 模態頻率響應與直接頻率響應的比較 69
3.2.6 SORT1和SORT2輸出的對比 70
3.2.7 頻率響應求解控制 70
3.2.8 頻變彈簧和阻尼器 71
3.3 頻率響應分析實例 74
第4章 瞬態響應分析 84
4.1 直接法瞬態響應分析 84
4.1.1 過程 84
4.1.2 直接瞬態響應分析中的阻尼 85
4.2 模態法瞬態響應分析 85
4.2.1 過程 85
4.2.2 模態法瞬態響應分析中的阻尼 86
4.2.3 MSC Nastran中模態法瞬態響應分析阻尼的輸入 86
4.2.4 模態法瞬態響應分析數據的提取 87
4.2.5 模態截斷 87
4.3 瞬態激勵 87
4.3.1 時變載荷 87
4.3.2 載荷的組合 89
4.3.3 DAREA卡 89
4.3.4 LSEQ卡片 90
4.3.5 初始條件 91
4.3.6 TSTEP卡 92
4.4 直接法瞬態響應與模態法瞬態響應比較 92
4.5 瞬態響應分析實例 93
第5章 響應譜與隨機響應分析 101
5.1 強迫運動 101
5.1.1 概述 101
5.1.2 瞬態分析中的強迫運動 101
5.1.3 瞬態分析中的大質量法 101
5.1.4 瞬態分析中的大剛度法 102
5.1.5 瞬態分析中的LAGRANGE乘子法 102
5.1.6 強迫位移例子 103
5.2 響應譜 106
5.2.1 概述 106
5.2.2 響應譜求解控制 107
5.2.3 響應譜應用 108
5.2.4 求解控制 109
5.2.5 響應譜實例 110
5.3 隨機響應分析 129
5.3.1 概述 129
5.3.2 自相關與自譜 130
5.3.3 各態歷經性隨機激勵下線性系統
響應計算 130
5.3.4 MSC Nastran中隨機分析的實現 132
5.4 隨機響應分析實例 133
第6章 復特征值分析 143
6.1 概述 143
6.2 理論 143
6.3 MSC Nastran中實現 143
6.4 求解控制 144
6.4.1 執行控制 144
6.4.2 工況控制 144
6.4.3 數據模型 144
6.5 復特征值分析實例 144
第7章 使用超單元的正則模態分析 152
7.1 超單元的概念與定義 152
7.1.1 超單元的概念 152
7.1.2 在MSC Nastran中如何定義部件超單元 152
7.2 例題——鋼的沖壓 153
7.2.1 模型及參數 153
7.2.2 例題的模型定義 153
7.3 超單元應用說明 162
7.3.1 求解過程 162
7.3.2 靜凝聚理論 163
7.3.3 使用超單元分析的優點 163
7.3.4 超單元分析的缺點 164
7.3.5 流程區別 164
7.4 動力分析中可用的超單元縮減方法 169
7.4.1 縮減程度對比 169
7.4.2 Guyan或靜態縮減 169
7.4.3 各種縮減方法的優點 169
7.4.4 只使用靜態縮減的正則模態計算 170
7.4.5 使用超單元動態縮減的正則模態計算 170
7.5 MSC Nastran的超單元輸入卡片 171
7.5.1 超單元的內部廣義自由度卡：SENQSET 171
7.5.2 標量點定義卡：SPOINT 171
7.5.3 廣義自由度定義卡：QSET 172
7.5.4 QSET卡的替代格式：QSET1 172
7.5.5 固定分析自由度的定義卡：BSET 173
7.5.6 BSET卡的替代格式：BEST1 174
7.5.7 自由的邊界自由度定義卡：CSET 175
7.5.8 CSET卡的替代格式：CSET1 175
7.6 默認的部件模態綜合方法——固定邊界法 176
7.7 手工求解示例 177
7.8 超單元分析實例 182
第8章 動力學建模選項 191
8.1 概述 191
8.1.1 動力分析的策略 191
8.1.2 規劃分析 191
8.2 質量建模 192
8.2.1 質量的基本定義 192
8.2.2 質量數據輸入選項 192
8.2.3 耦合的質量矩陣項 193
8.2.4 移動坐標系的質量效應 194
8.3 阻尼效應建模 196
8.3.1 粘性阻尼 197
8.3.2 結構阻尼 197
8.3.3 模態阻尼 198
8.3.4 非線性阻尼 199
8.4 附加點和傳遞函數 200
8.4.1 EPOINT集 201
8.4.2 模態變換 201
8.4.3 直接矩陣輸入 202
8.4.4 傳遞函數 202
8.4.5 Pickups和變換器 203
8.4.6 高階傳遞函數 203
8.4.7 實例 204
8.5 非線性載荷函數（NOLINi） 207
8.5.1 標準瞬態求解理論 208
8.5.2 非線性彈簧實例 208
8.5.3 依賴于速度的非線性力 209
8.5.4 非線性瞬態求解的順序 210
8.5.5 采用NOLIN1輸入時的一些建議 210
8.5.6 應用實例——旋轉結構的耦合 211
8.6 動力分析模型調試 213
8.6.1 建模要點 213
8.6.2 測試動力模型 214
第9章 非線性正則模態 229
9.1 帶微分剛度的正則模態 229
9.2 有預載荷結構的正則模態示例 230
9.2.1 使用SOL106計算 230
9.2.2 使用SOL103計算 236
第10章 動力優化設計 241
10.1 基本知識 241
10.1.1 優化設計的概念 241
10.1.2 優化設計的作用 241
10.1.3 MSC Nastran中“優化設計”的基本特性 241
10.1.4 MSC Nastran結構優化的優勢所在 241
10.1.5 MSC Nastran支持的優化功能 242
10.1.6 基本優化問題的描述 242
10.1.7 MSC Nastran中設計優化的輸入控制段 242
10.1.8 優化問題中常用的模型數據段輸入卡 243
10.2 例題 243
第11章 試驗－分析的相關性 258
11.1 試驗－分析相關性的介紹 258
11.2 完整的試驗－分析過程 258
11.2.1 試驗前的規劃 258
11.2.2 試驗后的評估 259
11.3 模型的改進 264
11.3.1 強制的人為干預法 264
11.3.2 靈敏度矩陣法 264
11.3.3 設計優化法 265
11.3.4 應用舉例 265
第12章 動力學設計分析方法DDAM 268
12.1 概述 268
12.2 理論背景 268
12.3 DDAM分析 270
12.3.1 分析流程概述 270
12.3.2 使用Patran前處理器進行
DDAM分析 270
12.3.3 應用實例 272
第13章 噪聲分析 277
13.1 MSC Nastran噪聲分析的理論背景 277
13.2 使用MSC Nastran進行噪聲分析 277
13.2.1 噪聲學基礎介紹 277
13.2.2 MSC Nastran流固耦合分析 278
13.2.3 MSC Nastran外噪聲分析 280
13.3 應用實例 281
13.3.1 MSC Nastran內噪聲分析案例 281
13.3.2 MSC Nastran外噪聲分析案例 301
第14章 高級非線性分析SOL 400 337
14.1 概述 337
14.2 非線性理論 337
14.2.1 非線性分析 337
14.2.2 非線性方程組的迭代方法 338
14.3 非線性分析的控制卡片 343
14.4 瞬態動力響應分析實例 344
第15章 隱式非線性分析SOL 600 354
15.1 概述 354
15.2 隱式非線性分析的步驟 354
15.3 鑰匙扣插－拔接觸模擬分析實例 355
第16章 顯式非線性分析SOL 700 368
16.1 概述 368
16.2 顯式積分求解算法的原理 369
16.3 侵徹分析實例 369
16.4 碰撞分析實例 384
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