MSC.Nastran有限元分析理论基础与应用PDF电子书下载

目录 1

第一章 绪论 1

1.1 Nastran程序的历史 1

1.2 MSC.Nastran程序的组织构架 2

1.3 MSC.Nastran程序的参考文献 3

1.4 MSC.Nastran前后处理软件MSC.Patran 4

1.5 有限元模型的建立 4

1.6 有限元模型的处理 5

1.7 MSC.Nastran的分析功能 5

1.8 MSC.Nastran的输入文件 6

1.9 MSC.Nastran初步 7

1.10 模型数据 8

1.10.1 自由格式模型数据 8

1.10.2 列的复制和生成 8

1.10.3 面向结构的模型数据汇总 9

1.10.4 数据选择 12

1.10.5 载荷选择 12

1.10.6 温度场选择 12

1.10.7 约束选择 13

1.10.8 特征值解法说明 13

1.10.9 微分刚度解 13

1.10.10 输出控制 13

1.10.11 标题命令 14

1.10.12 输出行控制 14

1.10.13 模型数据打印选择 14

1.10.14 集说明 14

1.10.15 单元输出要求 14

1.10.16 节点和标量点要求 14

1.10.17 子工况 15

1.10.18 工况控制例题 18

1.11.1 求解序列 20

1.11.2 指定MSC.Nastran执行时间 20

1.11.3 诊断打印要求 20

1.11 执行控制 20

1.11.4 DMAP编译控制 21

1.11.5 执行控制结束 21

1.11.6 执行控制例题 21

1.12 杆系结构例题 22

1.12.1 文件的构成 23

1.12.2 输入文件 23

1.12.3 杆系简图 24

1.12.4 MSC.Nastran的运行 24

1.12.5 F06文件检查 24

2.2 正确使用有限元分析工具 26

2.3 环形板实例 26

2.1 智能环境 26

第二章 MSC.Patran开发环境 26

2.3.1 第一次分析 28

2.3.2 第二次分析 36

2.3.3 第三次分析 39

2.3.4 第四次分析 40

2.3.5 第五次分析 44

2.3.6 第六次分析 45

2.3.7 总结分析结果 46

2.4 悬臂梁实例 46

2.4.1 梁单元计算结果 47

2.4.2 实体单元计算结果 50

2.5 内压厚壁球壳 53

2.5.1 轴对称TRIA6单元计算结果 53

2.5.2 实体HEX8单元计算结果 56

2.5.3 实体HEX20单元计算结果 58

2.5.4 实体WEDGE15单元计算结果 60

2.6 受内压圆筒径向接管结构 62

2.7 加筋板动态分析 66

第三章 工程力学的基本关系 73

3.1 连续介质力学 73

3.2 运动学关系 73

3.3 应变 74

3.4 曲面上的应力矢量 74

3.5 应力分量 75

3.6 本构关系 76

3.7 平衡条件——牛顿力学 77

3.8 虚功原理 77

3.9.2 自重作用下等截面杆的拉伸 78

3.9 弹性理论解 78

3.9.1 均匀应力 78

3.10 解决实际问题的策略 79

3.11 二维弹性理论 79

3.11.1 平面应力 80

3.11.2 平面应变 80

3.11.3 平衡方程 80

3.11.4 应变-位移关系 80

3.11.5 本构关系 80

3.11.6 应力函数 81

3.11.7 基于应力函数的解 81

3.12 梁理论 83

3.12.1 应力的合成 83

3.12.2 拉伸和弯曲下的应力 84

3.12.4 梁弯曲挠度方程的解 85

3.12.3 平衡方程 85

3.13 小挠度的板理论 86

3.13.1 运动学关系 86

3.13.2 力和力矩的合成 87

3.13.3 平衡方程 87

3.13.4 Kirchhoff假设 88

3.13.5 夹层板的本构关系 88

3.14 矩形板的小挠度解 89

3.14.1 承受正弦分布压力的简支矩形板 89

3.14.2 承受均匀分布压力的简支矩形板的Navier解和A.Nadia解 90

3.14.3 承受集中载荷的简支矩形板Navier解 91

3.14.4 承受均匀分布压力的夹支矩形板 92

3.14.5 承受集中载荷的夹支矩形板 92

3.15.2 承受均匀载荷的夹支圆板 93

3.15.1 承受均匀载荷的圆板 93

3.15 圆板对称弯曲 93

3.15.3 承受均匀载荷的简支圆板 94

3.15.4 承受均匀载荷夹支圆板的精确解 94

3.15.5 承受均匀载荷简支圆板较精确的解 95

3.15.6 承受同心圆载荷的简支圆板 96

3.15.7 承受同心圆载荷的夹支圆板 96

3.15.8 承受中心载荷的简支圆板 97

3.15.9 承受中心载荷的夹支圆板 97

3.15.10 承受中心载荷的简支圆板比较精确的解 97

3.15.11 承受均匀载荷的夹支椭圆板 97

3.15.12 承受均匀载荷的简支椭圆板 98

3.15.13 承受均匀载荷的简支斜板 98

3.16 板的大挠度 99

3.16.1 承受均匀载荷的大挠度夹支圆板的近似解 99

3.16.2 承受均匀载荷的大挠度夹支圆板的精确解 100

3.16.3 承受均匀载荷的大挠度简支圆板的精确解 101

3.17.1 承受轴对称载荷的圆柱形壳 103

3.17 柱形壳 103

3.17.2 圆截面上有均匀分布载荷的长圆柱壳 104

3.17.3 承受均匀内压的固支长圆柱壳 105

3.18 承受轴对称载荷的旋转壳 107

3.19 壳体变形状态和有限元方法 109

3.19.1 标准测试 110

3.19.2 壳的模型 111

3.19.3 有限元模型 112

3.19.4 变形的精确解 113

第四章 变分原理及近似理论 114

4.1 虚功原理 114

4.2 余虚功原理 114

4.3 最小势能原理 115

4.5 广义原理 116

4.4 最小余能原理 116

4.6 Hellinger-Reissner原理 117

4.7 变分原理之间的关系 118

4.8 近似理论 118

4.9 简支梁的Rayleigh-Ritz解 119

第五章 有限单元公式 120

5.1 有限单元公式的位移表达 120

5.2 轴力杆单元ROD 120

5.3 确定刚度方程的步骤 122

5.4 弯曲梁单元的刚度矩阵 122

5.5 铁摩辛柯梁单元的静态刚度矩阵 124

5.6 轴向拉力下的铁摩辛柯梁的横向振动 126

5.7 轴向拉力和绕轴旋转下扭曲的铁摩辛柯梁的横向振动 127

5.8 形函数和基函数 130

5.9 板单元基函数 135

5.10 等参数单元 137

5.10.1 基函数和Jacobian变换 137

5.10.2 计算正方形的面积 138

5.11 数值积分 139

5.12 杂交公式 140

5.12.1 杂交应力单元 141

5.12.2 卞学鐄-Sumihara杂交四边形薄膜 141

5.13 板壳单元 143

5.13.1 近似曲率 143

5.13.2 横向剪切应变的近似表达 143

5.13.3 用平板单元构造的壳体 144

5.13.4 法向转动 144

5.13.5 平壳单元的平面外节点的修正 145

5.13.6 曲壳单元 146

5.14 实体单元 149

5.15 单元刚度自锁 153

5.15.1 四节点矩形单元的自锁 154

5.15.2 八节点矩形单元的自锁 157

5.15.3 常应变三角形单元的自锁 158

5.15.4 八节点实体单元的自锁 159

5.16 单元刚度的形状敏感度 159

5.16.1 四节点平行四边形单元的自锁 160

5.16.2 四节点梯形单元的自锁 161

5.16.3 八节点梯形单元的自锁 162

5.16.4 中节点偏置的六节点三角形单元的自锁 162

5.17 减低积分和伪模式 163

5.17.1 减低积分的优点 163

5.17.2 单元的伪模态 164

5.18 对自锁的进一步处理 165

5.18.1 泡函数 166

5.18.2 锥旋转自由度 167

5.19 铁摩辛柯梁的矩阵 171

第六章 MSC.Nastran中的结构单元 175

6.1 引言 175

6.2 单元定义 175

6.3 标量弹性单元ELAS 177

6.3.1 连接两个节点自由度的弹簧单元ELAS的定义 177

6.3.2 ELAS单元的功用 179

6.4 杆单元ROD和管单元TUBE单元 180

6.4.1 杆单元的输入数据 180

6.4.2 刚度矩阵 183

6.4.3 应力计算 183

6.5 常截面弯曲梁单元BAR 186

6.5.1 BAR单元的输入数据 187

6.5.2 BAR的单元坐标系 188

6.5.3 BAR单元的偏置 189

6.5.4 铰链连接 189

6.5.5 BAR单元的属性 190

6.5.6 面积属性 192

6.5.7 非结构质量 193

6.5.8 应力计算 193

6.5.9 中间截面的单元力和应力 194

6.5.10 BAR单元例题 194

6.5.11 建立有限单元模型时的注意事项 198

6.6 变截面弯曲梁单元BEAM 199

6.6.1 自由度 200

6.6.2 梁的描述 200

6.6.3 BEAM单元的连接卡片 202

6.6.4 BEAM单元的局部坐标系 202

6.6.6 梁的例题 203

6.6.5 BEAM单元属性数据输入 203

6.7 曲线梁单元BEND 210

6.7.1 BEND单元的定义 211

6.7.2 BEND单元的连结和几何定义 212

6.7.3 BEND单元的坐标系 212

6.7.4 确定几何中心弧线 214

6.7.5 单元属性 214

6.7.6 单元力和应力 216

6.8 剪力板单元SHEAR PANEL 217

6.9 壳体单元 218

6.9.1 板单元QUAD4和TRIA3 218

6.9.2 壳单元的定义 219

6.9.3 单元连接 219

6.9.6 参考曲面偏移 220

6.9.7 单元属性 220

6.9.5 材料坐标系 220

6.9.4 单元坐标系 220

6.9.8 单元属性的说明 222

6.9.9 单元本构关系 222

6.9.10 实心均匀对称截面的定义 223

6.9.11 夹层板截面 224

6.9.12 层复合材料 226

6.9.13 单元面翘曲的影响 227

6.9.14 单元刚度矩阵 227

6.9.15 质量矩阵 227

6.9.16 应力、应变和单元力计算 228

6.10 曲壳单元 228

6.10.1 TRIA6和QUAD8单元的定义 229

6.10.6 单元属性确定 230

6.10.5 单元厚度 230

6.10.7 单元刚度矩阵 230

6.10.8 单元质量矩阵 230

6.10.4 材料轴方向 230

6.10.3 单元坐标系 230

6.10.2 单元节点连接 230

6.10.9 应力、应变和单元力的计算 231

6.11 实体单元 231

6.11.1 实体单元的定义 231

6.11.2 单元连接 232

6.11.3 TETRA单元 233

6.11.4 PENTA单元 233

6.11.5 HEXA单元 233

6.11.6 实体单元TETRA，PENTA和HEXA的属性 233

6.11.7 HEXA的单元坐标系 234

6.11.10 单元刚度矩阵 235

6.11.9 TETRA的单元坐标系 235

6.11.8 PENTA的局部坐标系 235

6.11.11 质量 236

6.11.12 应力和应变计算 236

第七章 总体分析过程 237

7.1 总体刚度矩阵 237

7.2 局部与总体坐标系 239

7.3 单元刚度矩阵的转换 239

7.4 结构自由度指定 239

7.5 标量自由度的定义 241

7.6 坐标系 241

7.7 节点 244

7.7.1 节点编号 244

7.8 外部和内部自由度 245

7.9 位移集 245

7.7.2 几何坐标 245

7.7.3 位移坐标 245

7.9.1 并集数据 246

7.9.2 独立的互补数据集 246

7.10 多点约束MPC 247

7.10.1 MPC的用途 247

7.10.2 减缩为n-集 248

7.10.3 MPC数据项 249

7.10.4 定义约束方程 250

7.11 单点约束SPC 252

7.11.1 减缩为f-集 252

7.11.2 单点约束力 253

7.11.3 SPC数据定义 253

7.11.4 在载荷工况中选择SPC组 254

7.11.5 指定s-集自由度和约束值 254

7.11.7 自动删除 255

7.11.6 删除自由度 255

7.11.8 单点约束的指定 256

7.12 静态凝聚（OMIT和ASET） 257

7.12.1 a-集的减缩 257

7.12.2 凝聚自由度的恢复 258

7.12.3 ［Goa］的物理解释 258

7.12.4 使用静态凝聚的原因 258

7.12.5 静态凝聚的定义方法 259

7.12.6 静态凝聚例题 259

7.13 自由体支撑 260

7.13.1 减缩为l-集 260

7.13.2 刚体变换矩阵 260

7.13.3 刚体的刚度矩阵 261

7.13.4 SUPORT卡片 262

7.14 柔度到刚度的变换 263

7.14.1 由柔度矩阵和刚体位移矩阵生成刚度矩阵的GENEL卡片 265

7.14.3 直接定义单元刚度 266

7.14.2 用GENEL卡片指定梁的属性 266

第八章 有限单元的精度与性能 267

8.1 单元性能 267

8.2 插值失败 267

8.3 单元形状的影响 268

8.3.1 二维补片测试 269

8.3.2 三维补片测试 270

8.3.3 补片测试结果 271

8.3.4 MacNeal梁测试 271

8.3.5 矩形板测试 274

8.3.6 柱壳测试 276

8.3.7 开口球壳 277

8.3.8 不可压缩材料 278

8.4 测试结果概要 279

9.1 刚性单元和约束单元 282

第九章 刚性单元和约束单元 282

9.2 拉伸约束 283

9.3 两节点间的刚性连接 284

9.4 刚性三角约束单元 286

9.5 一般刚性约束单元 287

9.6 弹性约束单元 289

9.7 加权平均约束单元 291

第十章 材料属性 295

10.1 各向同性材料 296

10.1.1 一维单元 297

10.1.2 二维单元——平面应力 297

10.1.3 二维单元——平面应变 297

10.1.4 三维单元 298

10.2 二维单元的各向异性材料 298

10.2.1 正交各向异性材料 299

10.3 二维夹层单元的正交各向异性材料 300

10.2.2 正交各向异性材料举例 300

10.4 三维单元的各向异性材料 301

10.5 弹性常数的变换 303

10.6 与温度相关的材料 304

10.7 材料属性表 305

10.8 复合材料 308

10.8.1 夹层属性 308

10.8.2 夹层板属性 309

10.8.3 定义夹层板属性 310

10.8.4 层的失效准则 312

第十一章 外载荷 314

11.1 节点集中外力 315

11.2 由分量定义的力矢量 315

11.3 由两点定义的静态力和力矩 316

11.4 由矢量叉积定义载荷矢量的方向 317

11.6 弯曲梁单元上的分布载荷 318

11.5 作用在标量点上的载荷 318

11.6.1 载荷类型及方向 319

11.6.2 载荷和SCALE列 319

11.6.3 梁单元的分布载荷 319

11.7 均匀分布压力PLOAD2 320

11.8 非均匀曲面力PLOAD4 321

11.8.1 曲面力的方向 322

11.8.2 载荷强度指定 322

11.8.3 实体单元的承载面指定 322

11.8.4 指定图11-4中HEXA单元的曲面力例题 322

11.9 重力载荷 323

11.10 由于角速度和角加速度引起的静载荷 324

11.11 组合载荷 325

11.12 强制位移 326

11.13 强制变形 327

11.14 热载荷 328

11.15 节点温度 329

11.16 杆单元和梁单元的温度场 330

11.17 二维单元的温度场 331

第十二章 静力分析 333

12.1 系统矩阵 333

12.2 约束和静凝聚 336

12.3 静载荷 336

12.4 惯性释放 337

12.5 数据还原 338

12.6 输入说明 338

12.6.1 执行控制段 338

12.6.2 工况控制段 338

12.7.2 系统响应变量的输出 339

12.7.1 自动输出 339

12.7 分析结果输出 339

12.6.3 参数 339

12.8 致命错误 340

12.9 节点奇异性处理 341

12.9.1 奇异性识别 341

12.9.2 用户控制 341

12.9.3 自动输出 341

12.9.4 位移集的隶属关系 342

12.10 节点重量生成模块 343

12.10.1 刚体变换矩阵 343

12.10.2 刚体质量矩阵 343

12.10.3 主质量轴 343

12.10.4 质心 343

12.10.5 转动惯量 343

12.12 均匀分布载荷下的悬臂梁 344

12.12.1 单元属性 344

12.11 例题说明 344

12.12.2 有限单元模型 345

12.12.3 载荷工况、载荷和边界条件 347

12.12.4 提交MSC.Nastran分析 347

12.12.5 计算结果 351

12.12.6 结果分析 355

12.13 简支加筋板 356

12.14 三维挂钩 362

第十三章 用超单元模拟部件 367

13.1 超单元和建模 367

13.1.1 子结构 367

13.1.2 子结构法的优点 368

13.1.3 超单元逻辑结构 368

13.2 部件求解 369

13.3 定义超单元 369

13.4 MSC.Patran定义超单元的方法 370

13.3.1 将节点分配到超单元SEID 370

13.3.2 PART超单元 370

13.5 超单元问题的例题 371

第十四章 对称和循环对称 376

14.1 引言 376

14.2 结构物基本对称型态 376

14.3 基本理论介绍 377

14.3.1 反射对称结构 378

14.3.2 反射对称的边界条件 378

14.3.3 旋转对称结构 379

14.3.4 周期边界条件 382

14.3.5 耦合体旋转对称 382

14.4 数据输入 383

14.4.1 循环对称分析方法与传统分析方法的比较 383

14.4.2 执行控制卡 384

14.4.3 工况控制卡 385

14.4.4 模型数据卡 386

第十五章 固有模态分析 389

15.1 动力学系统方程 389

15.2 特征值问题 389

15.3 系统的质量 391

15.3.1 单元的惯性属性 391

15.3.2 结构质量与非结构质量 392

15.3.3 一致质量和集中质量公式 392

15.3.4 质量单元 392

15.4 实特征值的提取方法 394

15.5 矩阵减缩法 399

15.6 简支矩形板的模态分析 404

第十六章 微分刚度和屈曲分析 407

16.1 大位移公式 407

16.2 非线性应变位移关系 408

16.3 棱形杆的几何刚度 409

16.4 板弯曲的几何刚度矩阵 410

16.5 屈曲分析 412

16.5.1 第一阶段——线性静力分析 413

16.5.2 第二阶段——屈曲分析 413

16.6 考虑微分刚度的固有模态和频率 414

16.7 线性屈曲例题 414

16.7.1 简支细长杆的屈曲 414

16.7.2 矩形板的屈曲 416

16.7.3 柱壳的屈曲 417

16.7.4 承受压力载荷的梁的模态分析 417

16.8 弧长法 418

16.8.1 Newton-Raphson法的基本公式 418

16.8.2 割线刚度矩阵和切线刚度矩阵 420

16.8.3 弧长法 420

16.9.1 横向加载的柱壳后屈曲-1 424

16.9 后屈曲 424

16.9.2 横向加载的柱壳后屈曲-2 425

16.9.3 纵向加载的柱壳后屈曲 429

第十七章 热传导分析 433

17.1 材料热性质 433

17.2 热载荷和热边界条件 434

17.3 有限元模型 436

17.3.1 有限元 436

17.3.2 材料库 437

17.3.3 单元属性 440

17.3.4 载荷和边界条件 443

17.3.5 载荷工况 459

17.4 热分析 459

17.4.1 分析界面 459

17.4.3 解题类型 461

17.4.2 转换参数 461

17.4.4 直接文本输入 463

17.4.5 建立子工况 464

17.5 后处理 465

17.5.1 读取热分析结果 465

17.5.2 热分析结果的图形显示 467

17.6 例题 469

17.6.1 例题1（瞬态热分析） 469

17.6.2 例题2（集成线路板自由对流） 473

17.6.3 例题3（印刷线路板的强迫空气对流） 478

17.6.4 例题4（热接触约束） 483

17.6.5 例题5（典型航空电子设备热流加热） 487

17.6.6 例题6（闭合空间热辐射） 492

17.6.7 例题7（导管轴对称流） 495

17.6.8 例题8（方向热载荷） 499

17.6.9 例题9（方向热载荷的热应力分析） 502