NX NASTRAN在福田CAE的应用
廖晖 王阳
摘要：NASTRAN以其强大的线性模拟仿真技术广泛应用于汽车行业CAE结构分析中，其中从UGS 发展出来的NX NASTRAN，有着自身的技术优势。福田CAE在线性仿真计算中应用了NX NASTRAN的Linear Contact、Glue、Superelement、Bolt Preloads功能，从而很好的解决接触问题、胶粘问题和超大规模计算问题、预紧力问题。从而福田CAE工程师更专注于汽车工程分析。
关键词：NASTRAN、Linear Contact、 Glue、Superelement、 Bolt Preloads
1 引言
进入21世纪，中国CAE应用得到长足的发展。以福田CAE为例，人员从最初的5人，发展到30人；分析内容从静力学和多体动力学，拓展了NVH、CFD、碰撞、疲劳等分析。其中，有限元分析在总的工作量占80%，而与NASTRAN相关分析又占到80%。所以，福田CAE 分析工作的深度和效率很大程度依赖于NASTRAN的技术能力支持。
有限元线性分析中，福田CAE常用到NX NASTRAN的Linear Contact、Glue 、Superelement、 Bolt Preloads有特的功能，来解决常见的仿真问题。
2 Linear Contact
过去的NASTRAN版本，在SOL 101和SOL 103中是不能施加接触。在过去，如果需要模拟接触，一般有四种方式：
2.1 使用GAP单元，SOL 106求解
使用这种方法，建立模型工作量巨大，并且一开始就要规划好划分网格的策略。还有就是求解时间很长，计算结果需要标定。纯电动汽车哪一款好
2.2 在ABAQUS求解
进行了真正的非线性求解，必然求解时间很长。工程师很难在分析精度和工作量到平衡。
2.3 在IDEAS（现为masterFEm）求解
结果计算数值不一致，这是因为使用不同的求解器。一直沿用IDEAS求解，是不会有任何问题。如果，仅一两个这样的接触问题，而切换求解器，是很难对结果进行评价。
SOL 101 和SOL 103 中使用Linear Contact 很简单，只需要定义接触面和接触对就可以了。对应的卡片，例如：
BCSET = 1
BCTSET 1 1 2 0.015.00000
$* I-DEAS region: 1 name: CONTACT REGION 1
BCRPARA 1BOT 0.0
BSURF 1 116THRU 193 + + 195 197 + $* I-DEAS region: 2 name: CONTACT REGION 2
BCRPARA 2TOP 0.0
BSURF 2 291THRU 310 +
3 Glue
Glue是NX NASTRAN独特的技术优势之一，可把不连续的网格连接起来。在SOL 101 和SOL 103 中使用，几乎与Linear Contact一样。
对应的卡片，例如：
金华交通违章BGSET = 1
$* CONTACT SET NAME = CONTACT SET 1
BGSET 1 1 210.00000
$* I-DEAS region: 1 name: CONTACT REGION 1
BSURF 1 1006THRU 1025 + + 1200THRU 1265 + $* I-DEAS region: 2 name: CONTACT REGION 2
BSURF 2 1901THRU 1961 + + 3597 +
4 Superelement
葫芦岛交通违章Superelement已是很老的概念了，主要是解决大规模计算问题，突破硬件瓶颈。在中国CAE现况，Superelement应用很不成熟。原因很多：软件接口很不好，技术人员不够了解工程需求，帮助文档也很少，从而使Superelement功能无法得到广泛应用。
Superelement简单可分为Single-Level Superelement和Multilevel Superelement两大类。
使用中，需要注意的问题：
1.明确超单元和剩余结构，定义装配关系
2.规划超单元和剩余结构的节点编号
3.输入输出信息的定义
4.规划总成命名和空间存储
实例：不同设计方案的进气管模态分析；对象：发动机总成；状态：约束模态。
对应的卡片，例如：
机体部分：body.dat
$* GLOBAL CASE
DISPLACEMENT(PLOT) = ALL
METHOD = 1
extseout(otm,bulk(miniplot),dmigop2=30)
BEGIN BULK
$* PARAM CARDS
PARAM,USETPRT,0huawei inside
PARAM,USETSTR1,A
PARAM,RESVEC,YES
EIGRL 1 10 0 7 MASS SPOINT,1001,1010
QSET1,0,1001,1010
ASET1,123456,1,2,3,4,5,6,7,
,8,9,10
进气管部分：input_air.dat
assign inputt2='fort.30',unit=31
BEGIN BULK
SEBULK,1,EXTERNAL,,,,,op2,31
宁德汽车$*后处理用的，不参与计算。
PLOTEL,501,133238,167523
PLOTEL,502,167523,108157
PLOTEL,503,108157,108240
PLOTEL,504,108240,133238
PLOTEL,505,66181,23258
太阳神车PLOTEL,506,23258,261381
计算结果对比：
同一台工作站：
完整计算：即需要46分钟
Real: 2779.781 seconds ( 0:46:19.781)
User: 967.078 seconds ( 0:16:07.078)
Sys: 162.453 seconds ( 0:02:42.453)
超单元计算：即需要31分钟
Real: 1918.000 seconds ( 0:31:58.000)
User: 823.328 seconds ( 0:13:43.328)
Sys: 87.765 seconds ( 0:01:27.765)
剩余本体计算：即需要4分钟。其时间长短由剩余本体决定。
Real: 262.906 seconds ( 0:04:22.906)
User: 175.062 seconds ( 0:02:55.062)
Sys: 15.406 seconds ( 0:00:15.406)
注意到，剩余本体和超单元计算时间总和比完整计算时间还短。在多方案计算时，只需计算剩余本体，而无须再计算超单元。从而大大缩减计算时间，并节约大量硬盘空间。
5 Bolt Preloads
Bolt Preloads是最常见的仿真问题，现在可以在NX NASTRAN得到很好的解决。在卡片中，输出单元力，后处理在MASTETFEM，使用Beam Post processing中，输出剪切分力，轴力和弯矩。
对应的卡片，例如：
BOLTLD=4
BOLT 4 1 11
BOLTFOR 4 1000.0 12 THRU 21
6 总结
Linear Contact、 Glue、Superelement和Bolt Preloads 是NX NASTRAN非常有特的功能，直观而
又易用，使CAE工程师从建模困难中解脱出来，从而提高分析效率。在汽车研发项目中，CAE工程师充分使用这些新进的功能，会较容易地发现并解决工程问题，从而帮助提高企业的研发速度，降低开发成本，进而提高产品质量。
参考文献:
[1] NX Nastran User's Guide
[2] Basic Nonlinear Analysis User's Guide
[3] NX Nastran Superelement User's Guide
作者简介:
廖晖，2001年加入福田公司，目前主要工作方向NVH仿真分析。
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