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1 概述
Nastran 是美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，簡稱 NASA，又稱美國宇航局）為適應各種工程分析問題而開發(fā)的多用途有限元分析程序。這個系統(tǒng)稱為 NASA Structural Analysis System，命名為Nastran。
20世紀60年代初，美國宇航局為登月需要，決定使用有限元法開發(fā)大型結構分析系統(tǒng)，并能在當時所有大型計算機上運行。MacNeal-Scherndler Corporation（即MSC公司）是開發(fā)小組主要成員。Nastran程序最早在1969年通過COSMIC（Computer Software Management and Information Center）對外發(fā)行，一般稱為COSMIC.Nastran。之后又有各種版本的Nastran程序發(fā)行，其中以MSC公司所開發(fā)的MSC.Nastran程序用戶較為廣泛。長期以來MSC.Nastran已成為標準版的Nastran，是全球應用廣泛的分析程序之一。
2 軟件功能
基本功能
Nastran 的基本模塊支持各種材料模式的線性分析,包括：均質各向同性材料、正交各向異性材料、各向異性材料和隨溫度變化的材料等。
? 具有慣性釋放的靜力分析：
考慮結構的慣性作用，可計算無約束自由結構在靜力載荷和加速度作用下產(chǎn)生的準靜態(tài)響應
? 線性靜力分析中，可以定義接觸和粘接，為裝配體的線性分析提供了方便且精確的方法。
? 線性屈曲：可以考慮固定的預載荷，也可使用慣性釋放。
? 正則模態(tài)分析
動力學分析
結構動力學分析是Nastran的主要強項之一，它具有其它有限元分析軟件所無法比擬的強大分析功能。Nastran動力學分析功能包括時間域的瞬態(tài)響應和頻率域的頻率響應分析，方法有直接積分法和模態(tài)法，同時考慮各種阻尼如結構阻尼、材料阻尼和模態(tài)阻尼效應的作用。Nastran 動力學響應分析可以準確預測結構的動力特性，大大提高虛擬產(chǎn)品開發(fā)的成熟度，改善物理樣機的產(chǎn)品品質。主要包括以下分析類型
? 正則模態(tài)和復特征值分析
? 非線性模態(tài)（即預應力模態(tài)）分析
? 頻率響應分析
? 瞬態(tài)響應分析
? 強迫運動分析
? 隨機振動分析
? 沖擊譜和譜響應分析
? 動力靈敏度和優(yōu)化分析
? 部件頻響應函數(shù)分析 (FRF)
? 基于頻響應函數(shù)的裝配分析
Nastran不但可以求解部件和裝配件的頻率響應函數(shù)，而且具有頻響函數(shù)裝配功能，通過頻響函數(shù)裝配，可以由部件或子系統(tǒng)的頻響函數(shù)得到整個裝配件的頻率響應函數(shù)，從而研究系統(tǒng)各部件之間的耦合關系，確定振動和噪聲的傳遞路徑，為減振降噪提供工程指導。
流-固耦合和聲場分析
流-固耦合分析主要用于解決流體(含氣體)與結構之間的相互作用。主要應用在汽車NVH、列車車輛和飛機客艙等的內(nèi)噪音預測分析，以及考慮流體質量影響的流體中結構如艦船的模態(tài)特性分析等。Nastran 中擁有多種方法求解完全的流——固耦合分析問題,包括：
?? 流-固耦合法：流-固耦合法廣泛用于聲學和噪音控制領域中,如發(fā)動機噪聲控制、汽車車廂和飛機客艙內(nèi)的聲場分布控制和研究、NVH等。分析過程中,利用直接法和模態(tài)法進行動力響應分析。流體假設是無旋和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程，兩種特殊的單元被用來描述流——固耦合邊界。此外，Nastran新增加的聲吸收單元可以精確描述材料的頻變吸聲性能，方便地模擬汽車中的座椅，內(nèi)飾材料等。(噪)聲學載荷由節(jié)點的壓力來描述,既可以是常量,也可以是與頻率或時間相關的函數(shù),還可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數(shù)。對不同結構產(chǎn)品的噪聲影響結果可被分別輸出。對于頻率范圍較寬，模型規(guī)模較大的聲場分析可以方便地結合Nastran的ACMS方法，同時利用并行計算技術、超單元技術，大大提高計算效率和精度。
? 水彈性流體單元法：該方法通常用來求解具有結構界面、可壓縮性及重力效應的廣泛流體問題。水彈性流體單元法可用于標準的模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、復特征值分析和頻率響應分析。當流體作用于結構時,要求必須指出耦合界面上的流體節(jié)點和相應的結構節(jié)點。自由度在結構模型中是位移和轉角,而在流體模型中則是在軸對稱坐標系中調(diào)和壓力函數(shù)的傅利葉系數(shù)。類似于結構分析，流體模型產(chǎn)生"剛度"和"質量"矩陣,但具有不同的物理意義。載荷、約束、節(jié)點排序或自由度凝聚不能直接用于流體節(jié)點上。
? 虛質量法：虛質量法是僅考慮流體質量對結構的影響，主要用于以下流——固耦合問題的分析：
a) 結構沉浸在一個具有自由液面的無限或半無限液體里
b) 容器內(nèi)盛有具有自由液面的不可壓縮液體
c) 以上二種情況的組合,如船在水中而艙內(nèi)又裝有不充滿的液體
Nastran的聲場分析功能還集成了Actran的聲學求解技術，不但可以進行內(nèi)聲場的分析，還可以進行外聲場的分析?？梢苑治鼋Y構的聲輻射，聲傳播，吸收，散射以及結構聲振耦合問題等。并且最大的特點是可以求解大型結構的內(nèi)外聲結構耦合分析和優(yōu)化，如整車的聲響分析和動力系統(tǒng)的聲輻射。
內(nèi)外噪聲
? Nastran的噪聲分析拓展到無限區(qū)域，諸如汽車發(fā)動機、飛行器的的聲輻射- 無限元技術
? 集成了經(jīng)過測試和驗證的MSC.Actran的無限元技術
? 不需要在結構和聲學分析兩個不同的程序之間進行復雜的數(shù)據(jù)傳遞
- 可以解決超大規(guī)模，全耦合的振動噪聲耦合仿真問題。
- 可以計算結構輻射的聲壓、聲強、聲功率等，為結構件的聲輻射能力提供定量描述。
自動部件模態(tài)綜合法 -ACMS
ACMS(Automated Component Mode Synthesis)自動部件模 態(tài)綜合法，使得工程師能夠實現(xiàn)對大模型的動力響應分析和聲 場分析，ACMS 法自動將一個大模型用區(qū)域分解法分成幾個子 區(qū)域進行各個子結構的模態(tài)分析，然后進行模態(tài)綜合，由此得 到整體結構的動力學特性。采用 ACMS 法可大大減少大模型的計算時間，例如對近1400萬自由度的汽車模型（500Hz內(nèi)2500階模態(tài)），采用全模型標準的模態(tài)法頻率響應分析(SOL 111)進行求解用時約26小時，而采用Nastran的ACMS方法用時只需4小時，同時占用的計算資源也大大降低，所以采用 Nastran的自動部件模態(tài)綜合技術為大型結構的動力學分析在精度和計算速度上提供很好的解決方案。
在Nastran中，自動部件模態(tài)綜合法(ACMS)得到了大大增強，新增加了矩陣域自動部件模態(tài)綜合法(MDACMS)，此法基于自由度計算，與已有的幾何域自動部件模態(tài)綜合法（GDACMS）相比計算速度更快，而且模型越復雜，計算效率提升越明顯；可應用于模態(tài)分析，瞬態(tài)分析，頻響應分析及優(yōu)化分析，對于多點約束（MPC）多的情況下計算效率更高。提供的多種區(qū)域劃分方法（隨求解類型變化）
? 幾何區(qū)域劃分（適用 SOL103,111,112,200）
? 頻率域劃分（適用 SOL 111, 200）
? 自由度域（適用 SOL 103,111,200）——新的缺省方法
? 幾何域與頻率域相結合(適用 SOL 111, 200)
? 矩陣域與頻率域相結合(適用 SOL 200)
應用于不同求解類型：
? ?Nastran動力分析(SOL103, 111, 112)
◆?Nastran聲學分析(SOL 108)
◆?Nastran設計優(yōu)化(SOL 200)
◆ Nastran與ADAMS的集成
? 結構外部超單元技術
? 聲學外部超單元技術（包含流體空腔和流固邊界）
Nastran的ACMS技術可與分布式域并行計算技術（DMP）相結合，對頻率范圍較寬且有多個動力載荷的復雜模型，可大幅度提高計算速度和計算精度。
熱傳遞分析
熱傳遞分析通常用來校驗結構零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性,利用Nastran可以計算出結構內(nèi)的溫度分布狀況,并直觀地看到結構內(nèi)潛熱、熱點位置及分布。用戶可通過改變發(fā)熱元件的位置、提高散熱手段、絕熱處理或用其它方法優(yōu)化產(chǎn)品的熱性能。
Nastran可以解決包括傳導、對流、輻射、相變、熱控系統(tǒng)在內(nèi)的熱交換現(xiàn)象,計算輻射視角系數(shù)，并真實地仿真各類邊界條件,建立各種復雜的材料和幾何模型,模擬熱控系統(tǒng),并能進行熱——結構耦合分析。
Nastran提供了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析的線性、非線性求解算法。
Nastran支持熱結構鏈式分析和完全的熱結構耦合分析。在熱結構鏈式分析中，熱分析的網(wǎng)格可以和結構分析的網(wǎng)格不同，熱分析的結果將自動插值到結構網(wǎng)格中。支持熱接觸功能，熱可以通過接觸傳遞，大大方便了建模。為航天航空結構、汽車發(fā)動機、剎車系統(tǒng)、動力總成等的熱分析提供了有力的解決工具。
設計靈敏度及優(yōu)化分析
設計優(yōu)化是為了滿足特定優(yōu)選目標如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級等的綜合設計過程。Nastran擁有強大、高效的設計優(yōu)化能力,其優(yōu)化過程由設計靈敏度分析及優(yōu)化兩大部分組成，可對靜力、模態(tài)、屈曲、瞬態(tài)響應、頻率響應、氣動彈性和顫振分析進行優(yōu)化。高效的優(yōu)化算法允許在大模型中定義成千上百個設計變量和響應。設計靈敏度支持并行環(huán)境下的計算，大大提高了設計靈敏度的計算效率。
除了具有用于結構優(yōu)化和零部件詳細設計過程的形狀和尺寸優(yōu)化設計的能力外, Nastran又集成了適于產(chǎn)品概念設計階段的拓撲優(yōu)化功能。拓撲優(yōu)化是與參數(shù)化形狀優(yōu)化或尺寸優(yōu)化不同的非參數(shù)化形狀優(yōu)化方法。在產(chǎn)品概念設計階段,為結構拓撲形狀或幾何輪廓提供初始建議的設計方案。拓撲優(yōu)化采用Homogenization方法,在滿足結構設計區(qū)域的剩余體積（質量）比的約束條件下，對靜力分析滿足最小平均柔度或最大平均剛度,在模態(tài)分析中,滿足最大基本特征值或指定模態(tài)與計算模態(tài)的最小差。目前的拓撲優(yōu)化設計單元為一階殼元和實體單元。集成在Nastran中的拓撲優(yōu)化,通過特殊的DMAP工具,建立了新的拓撲優(yōu)化求解序列。拓撲優(yōu)化還包括Topometry功能，它可以以每個單元作為設計變量，根據(jù)設定的目標，優(yōu)化每個單元的厚度（材料分布）；Topography（形貌）優(yōu)化，優(yōu)化板殼的形貌。拓撲優(yōu)化的過程中可以考慮加工工藝要求，以保證優(yōu)化后的結構能被制造出來。Topometry優(yōu)化還支持復合材料層厚度的優(yōu)化。
另外，Nastran 還有以下全新的優(yōu)化功能：
- 綜合了尺寸、形狀和拓撲優(yōu)化，更快速的找到優(yōu)化路徑
- ?外噪聲響應優(yōu)化，可以將汽車的NVH優(yōu)化分析擴展到外聲場
- 隨機優(yōu)化
- ?Sol 200可以有粘接接觸，這個是特有的裝配體優(yōu)化功能
- 非線性優(yōu)化
- 部件超單元優(yōu)化，使用超單元技術，提高優(yōu)化效率
- 與Adams耦合優(yōu)化
Nastran的優(yōu)化功能可以實現(xiàn)多學科優(yōu)化，可以進行以下分析類型及其組合分析的優(yōu)化。
? 靜力分析 (SOL 101)
? 模態(tài)分析 (SOL 103)
? 屈曲分析 (SOL 105)
? 直接法復特征值分析 (SOL 107)
? 直接法頻率響應分析 (SOL 108)*
? 模態(tài)法復特征值分析 (SOL 110)
? 模態(tài)法頻率響應分析 (SOL 111)*
? 模態(tài)法瞬態(tài)響應分析 (SOL 112)*
? 靜氣彈分析 (SOL 144)
? 顫振分析 (SOL 145)
凡是標?號的都可以進行噪聲優(yōu)化。
