MSC Nastran

MSC Nastran – это современная расчетная суперсистема. Тесная интеграция MSC Nastran через Patran, MSC Apex, SimXpert и SimManager с другими системами высокого уровня: Adams, Fatigue, FlightLoads and Dynamics, Marc, Mvision, Dytran, Easy5, SimDesigner, а также возможность интеграции со всеми распространёнными системами CAD/CAM/CAE реализует совершенно новый по своей широте и глубине системный уровень моделирования и многодисциплинарного анализа. Практически, на компьютере создается точная виртуальная модель изделия и, еще до начала производства, всесторонне исследуется его функционирование в рабочих и экстремальных условиях, тем самым, совершенствуя изделие, повышая его качество, надежность, безопасность, технологичность и экономичность на основе “компьютерных испытаний”.

С помощью MSC Nastran разрабатываются самые передовые образцы авиационной, автомобильной, космической техники, высокотехнологичные устройства и сооружения в других областях техники. В процессе постоянного развития и расширения функциональных возможностей MSC Nastran вместил в себя целый ряд ведущих систем анализа: Marc, Actran, Dytran, LS-DYNA, Sinda и др. Универсальность и многофункциональность в сочетании с высокой вычислительной эффективностью и открытой программной архитектурой позволяют инженерам проводить комплексный всесторонний многодисциплинарный анализ конструкций в единой расчётной среде.

 

MSC Nastran демонстрирует высокую эффективность при проведении наиболее востребованных видов анализа:

  • расчет напряженно-деформированного состояния и запасов прочности;
  • расчёт частот и форм собственных колебаний;
  • расчёт устойчивости;
  • расчёт характеристик статического и динамического нагружения изделия в линейной и нелинейной постановках;
  • расчёт с учётом сложного контактного взаимодействия, расчёт теплопередачи;
  • расчет критических частот и вибраций роторных машин;
  • расчёт частотных характеристик (передаточных функций) изделия;
  • расчёт отклика изделия на стационарные случайные нагрузки и импульсное широкополосное воздействие; исследование статического равновесия, динамического отклика и динамической устойчивости конструкций с учётом аэроупругости на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях;
  • моделирование совместной работы объекта управления и системы управления (в том числе систем терморегулирования);
  • расчёт усталостной прочности и долговечности изделий и оптимизации изделия по ресурсу.

 

В состав MSC Nastran входит:

  • Проблемно-ориентированный модуль MSC Nastran Embedded Fatigue (NEF) для расчета усталостной прочности, долговечности и оптимизации изделий.
  • Набор программных инструментов Seismic Toolkit, реализующих расширенные возможности моделирования ударного широкополосного воздействия.

 

Основу MSC Nastran составляют отработанная технология конечных элементов и надёжные численные методы. Численные методы разреженных матриц, используемые при любом типе расчетов, значительно повышают скорость вычислений и минимизируют объем требуемой дисковой памяти, что повышает эффективность обработки данных. MSC Nastran работает на персональных компьютерах, рабочих станциях, кластерах, суперкомпьютерах и предусматривает широкие возможности параллельных вычислений.

Тесная связь MSC Nastran с пре- и постпроцессорами Patran, MSC Apex и SimXpert обеспечивает полностью интегрированную среду для моделирования и анализа результатов. Все ведущие производители систем автоматизированного проектирования предусматривают интерфейсы к MSC Nastran, учитывая лидирующие позиции этой системы на рынке конечно-элементных продуктов. В результате MSC Nastran гибко интегрируется в любую имеющуюся среду проектирования.

В MSC Nastran предусмотрена возможность моделирования широкого круга материалов с изотропными и анизотропными, линейными и нелинейными свойствами, которые могут зависеть от деформации, температуры, скорости деформирования и др. Широко применяются балочные (1D), оболочечные (2D), объёмные (3D) конечные элементы MSC Nastran, а также специальные элементы для моделирования точечной и шовной сварки, болтовых и заклепочных соединений, «жёсткие» элементы различных типов (кинематические связи между узлами расчетной модели), интерполирующие связи, и многие другие.

В состав расширенных функций MSC Nastran входят методы статической и динамической конденсации расчётных моделей, модальный синтез и метод Крейга–Бамптона. Метод суперэлементов (подконструкций) позволяет рассматривать сложные изделия по частям, передавать расчётные модели подконструкций в матричном виде между подразделениями и предприятиями с сохранением конфиденциальности исходной модели, при этом имея возможность вывода результатов по всем узлам и элементам модели. Технология суперэлементов MSC Nastran является де-факто стандартом в международной кооперации машиностроительных предприятий. Применение технологии суперэлементов MSC Nastran позволяет участникам проектов обмениваться моделями изделий, при этом сохраняя конфиденциальность внутренних размеров, свойств, материалов, способов соединения деталей и т.д.

Конечно-элементная модель кузова легкового автомобиля

 

Фрагмент конечно-элементной модели фюзеляжа самолет

 

Программный пакет MSC Nastran имеет открытую программную архитектуру, построенную на основе языка программирования DMAP – Direct Matrix Abstraction Program. Программный код всех структурированных последовательностей решения (SOL 101-200) написан на языке DMAP и доступен пользователям. Пользователи могут вносить изменения в существующий программный код, а также разрабатывать свои специализированные сценарии и исполнять их в среде MSC Nastran. Примером использования указанных возможностей является разработка на языке DMAP “пользовательской” процедуры, обеспечивающей оценку степени соответствия динамических характеристик изделия, получаемых в результате расчёта и модального эксперимента. Проведение соответствующих расчётов позволяет определять места расположения и ориентацию датчиков, обеспечивающих идентификацию динамических характеристик изделия и, тем самым, эффективно планировать его испытания.

Дальнейшим развитием программного пакета MSC Nastran является внедрение в его структуру технологии User Defined Services (UDS), обеспечивающей возможность интеграции специально разработанных пользователями программных компонентов в MSC Nastran. В частности, система UDS позволяет разрабатывать подпрограммы пользователя для описания конечных элементов, материалов и контактного взаимодействия; взаимодействия MSC Nastran с CFD-системами и внешними оптимизационными программами, а также модули языка DMAP универсального назначения. Программы можно создавать на языках программирования Fortran и C++, присутствует ограниченный функционал и для других языков. В составе MSC Nastran поставляются библиотеки, программные компоненты и документация, требуемая для написания собственных программ. Также поставляются готовые к применению примеры таких программ.

MSC Nastran предоставляет в распоряжение пользователя эффективный аппарат оптимизации конструкций, включая поддержку суперэлементов и нелинейности (физическая и геометрическая нелинейность, контакт). Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неустановившихся динамических процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики, аэроупругости по отдельности или в комплексной многодисциплинарной постановке. В задачах многодисциплинарной оптимизации целевая функция зависит от выбранных откликов из всего комплекса решаемых задач. Оптимизация проводится на основе выбранных типов расчета путем вариации параметров формы, размеров и свойств конструкции. Количество варьируемых проектных параметров и применяемых ограничений в расчётной модели не ограничено и определяется постановкой задачи и мощностью используемых вычислительных средств. В процессе оптимизации проектные параметры меняются непрерывно в заданном диапазоне. Возможен автоматический выбор итоговых значений проектных параметров из набора заданных фиксированных значений (например, толщин листового проката). Масса, напряжения, перемещения, собственные частоты колебаний и многие другие виды отклика или их произвольные комбинации могут рассматриваться как в качестве целевых функций, так и в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Наряду с “обычной” параметрической оптимизацией (варьирование параметрами конечно-элементной модели) и оптимизацией формы (изменение формы конструкции путём изменения координат узлов конечно-элементной модели) MSC Nastran позволяет также выполнять следующие виды оптимизации: топологическую (изменение геометрической топологии объекта), топографическую (поиск формы и глубины выштамповок на детали из тонколистового материала) и топометрическую (поиск значения параметра, например – толщины, для каждого конечного элемента по отдельности). Эти функции значительно расширяют возможности применения MSC Nastran для автоматического проектирования силовых схем изделий наилучшим образом, удовлетворяющих заданным требованиям.

Широкие возможности оптимизации позволяют использовать MSC Nastran для автоматической идентификации конечно-элементной расчетной модели, при этом целевая функция, подлежащая минимизации, определяется как величина рассогласования результатов расчета и эксперимента, а в качестве варьируемых параметров выбираются наименее достоверные расчетные параметры конструкции. Результат решения такой задачи – “новая” конечно-элементная модель, свойства которой приближены к свойствам физического образца.

MSC Nastran обладает широкими возможностями по моделированию, расчету и оптимизации композитных конструкций. Поддерживаемые в MSC Nastran 1D, 2D и 3D конечные элементы с различными моделями композиционных материалов (квазиизотропная, ортотропная, анизотропная, слоистая) позволяют выполнить расчёт с учётом особенностей композиционных материалов в реальной конструкции (анизотропия, нелинейность свойств материала, количество и ориентация слоев, характеристики волокна и матрицы, микроструктура, существующие дефекты и т.д.). Наиболее эффективно эти возможности реализуются при использовании MSC Nastran в сочетании со встроенным приложением Patran – Patran Laminate Modeler, обеспечивающим быструю подготовку высокоточных 2D конечно-элементных моделей из слоистых композиционных материалов с учетом технологии изготовления и при проведении в MSC Nastran связанного с Digimat конечно-элементного расчета, при котором нелинейная модель материала на микроуровне из Digimat описывает в каждой точке конструкции жесткость и прочность ком-позиционного материала с учетом его реальной микроструктуры.

Для анализа разрушения композитной конструкции MSC Nastran обладает как базовыми возможностями (расчет индексов разрушения по наиболее известным теориям разрушения), так и продвинутыми возможностями (прогрессирующее разрушение, расслоение и рост трещин).

В составе MSC Nastran имеются специальные возможности моделирования динамики роторных машин в одномерной, двумерной осесимметричной и трёхмерной постановках:

  • анализ установившихся и переходных динамических процессов;
  • исследование спектров собственных частот и форм колебаний отдельных деталей и узлов в поле центробежных сил и при действии гироскопических моментов с анализом распределения относительных напряжений при колебаниях по собственным формам, построение диаграмм Кемпбелла и Найквиста;
  • построение математических моделей динамического поведения роторных машин (в том числе многоваль-ных) с учетом нелинейных характеристик опор;
  • исследования критических частот вращения роторов, анализ условий возникновения и параметров прямой и обратной прецессий, изучение реакций на обрыв лопаток и касание ротора о статор;
  • анализ вибрационных характеристик машин при моделировании дисбалансов роторов с учетом реальных условий закрепления на объекте. Комплексный всесторонний анализ отклика изделий на внешние воздействия в линейной и нелинейной постановке в произвольной комбинации с автоматической передачей текущего состояния между видами анализа, полная нелинейная статическая или динамическая постановка задач, связанный тепло-прочностной анализ в MSC Nastran может осуществляться с применением наиболее совершенного модуля SOL 400. Модуль SOL 400 – новый этап развития MSC Nastran в части повышения эффективности и точности решения статических и динамических задач, усовершенствования алгоритмов учёта 3D контактного взаимодействия частей расчётной модели, внедрения новых алгоритмов решения тепловых задач (алгоритмы, применяемые в программном пакете Sinda), проведения комплексного исследования работы изделия за один запуск модели на расчет, сокращения затрат времени на вычисления за счёт повышения эффективности решателей и др.

В полной мере использовать возможности SOL 400 позволяет специализированный набор настроек (преференс) системы Patran. Интеграция SOL 400 с другими видами анализа в MSC Nastran, с встроенными и внешними системами оптимизации, продвинутые итерационные методы решения нелинейных задач, расчёта трёхмерного контактного взаимодействия, механики разрушения, скорости роста трещин, моделирования композиционных материалов в одномерной, двумерной и трёхмерной постановках, анализ прогрессирующего разрушения композитов, и многое другое в полностью интегрированной инфраструктуре MSC Nastran даёт уникальные возможности создания высокоточных универсальных моделей функционирования изделий. На данный момент SOL 400 – самый совершенный и функциональный модуль MSC Nastran, в который в приоритетном порядке внедряются все новые возможности.

MSC Nastran SOL 600 представляет интеграцию решателя Marc в MSC Nastran. Преимущество использования SOL 600 состоит в возможности доступа к эффективным инструментам решателя Marc путём создания расчётных моделей в формате MSC Nastran.

В состав программного пакета MSC Nastran входит последовательность решения SOL 700, объединяющая в себе возможности известных решателей LS-DYNA и Dytran, и предназначенная, преимущественно, для моделирования высокоскоростного нагружения изделий, включая их большие деформации и разрушение (например, соударения различных объектов, технологические процессы типа штамповки, ковки и т.п.), а также динамического взаимодействия изделия и газовой или жидкой среды (например, взаимодействие подушки безопасности и манекена в процессе столкновения автомобиля и т.п.). В SOL 700 для решения нелинейных задач применяется высокоэффективная явная схема интегрирования. За счет интеграции решателей LS-DYNA и Dytran в MSC Nastran снижается время, требуемое для подготовки расчетной модели и повышается точность многодисциплинарного анализа. Производительность SOL 700 особенно высока при решении задач на многопроцессорных вычислительных комплексах. Интеграция в MSC Nastran решателей, основанных на разных математических принципах (явных и неявных решателей) позволяет с высокой эффективностью моделировать процессы последовательных этапов функционирования изделий, характеризующихся существенно разными характерами протекающих процессов, например, “статическое преднагружение” – “кратковременное воздействие большой импульсной нагрузки” – “последействие приложения импульсной нагрузки”.

Среди возможностей MSC Nastran – решение акустических задач, причём задачи внутренней акустики решаются с применением “традиционных” конечно-элементных подходов, а для решения внешнеакустических задач предлагаются специальные алгоритмы, в основу которых положены “бесконечные” элементы. Комбинация этих методов позволяет решать достаточно широкий круг задач акустического анализа, однако ещё большей эффективности можно достичь при использовании возможностей интеграции MSC Nastran и специализированного программного пакета для акустических расчётов Actran для решения виброакустических задач с акустической средой малой плотности (например, с воздухом).

Оснащение MSC Nastran новыми решателями (SOL 400, SOL 700, интеграция с решателем Actran, технология UDS и др.), дает пользователям возможность перейти от узкоспециализированных инструментов моделирования и анализа к интегрированному решению в масштабах предприятия. Использование единой расчетной модели для многодисциплинарного моделирования позволяет минимизировать время, обычно затрачиваемое на подготовку множества расчетных моделей, преобразование и передачу данных от одной расчетной модели в одной системе инженерного анализа к другой модели в другой системе (решается проблема устранения вносимых при таких преобразованиях ошибок, тем самым повышается точность решения).

В MSC Nastran также имеется возможность передачи моделей упругих тел в систему Adams для дальнейшего использования их в этом программном комплексе при построении расчётных моделей машин, механизмов и изделий в сборе. Такой метод обеспечивает учёт упругих свойств тел, имеющих пространственную форму любой сложности, что позволяет выполнять точный анализ динамики изделий с учётом податливости их компонентов. Таким образом, интег-рация двух мощных программных комплексов MSC Nastran и Adams позволяет моделировать и проводить точный анализ функционирования сложных современных изделий с учетом реальных условий их эксплуатации.