MSC.Nastran有限元动力分析与优化设计实用教程
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- 作者： 隋允康 杜家政 彭细荣
- 丛书名： 数码工程师系列丛书
- 出版社：科学出版社
- ISBN：7030129903
- 上架时间：2004-4-29
- 出版日期：2004 年4月
- 开本：16开
- 页码：278
- 版次：1-1
- 所属分类：
计算机 > 专用软件 > （数学工具/数学分析）软件
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本书介绍了MSC．Nastran软件所涉及的动力分析和结构优化的基本理论、方法和程序使用，主要包括主模态、频率响应、瞬态响应和强迫运动等基本分析问题的计算及应用，动力缩减、复特征值、响应谱、随机振动等高级动力分析及动力优化设计的简介及应用，结构优化设计基本概念、模型建立和求解过程，结构截面优化设计的程序和应用，结构优化设计软件的二次开发。
本书可供使用和二次开发Nastran软件的工程、科研人员和高校师生参考。
本书可供使用和二次开发Nastran软件的工程、科研人员和高校师生参考。
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第1章 程序概况
1．1 关于msc．software公司
1．2 关于msc．software公司的产品
1．3 关于msc．patran
1．4 关于msc. nastran
1．4．1 msc．nastran的开发历史
1．4．2 msc．nastran的特点
1．4．3 msc．nastran的分析功能
1．4．4 用户化开发工具dmap语言
1．4．5 对用户平台的支持
1．5 关于msc．nastran的输入文件
1．6 关于msc．nastran的输出文件
第2章 动力分析的基础
2．1 运动方程
2．1．1 概述
2．1．2 几个基本概念
2．1．3 运动方程
2．1．4 运动方程的求解
2．2 动力分析类型
2．3 动力分析过程
1．1 关于msc．software公司
1．2 关于msc．software公司的产品
1．3 关于msc．patran
1．4 关于msc. nastran
1．4．1 msc．nastran的开发历史
1．4．2 msc．nastran的特点
1．4．3 msc．nastran的分析功能
1．4．4 用户化开发工具dmap语言
1．4．5 对用户平台的支持
1．5 关于msc．nastran的输入文件
1．6 关于msc．nastran的输出文件
第2章 动力分析的基础
2．1 运动方程
2．1．1 概述
2．1．2 几个基本概念
2．1．3 运动方程
2．1．4 运动方程的求解
2．2 动力分析类型
2．3 动力分析过程
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“物格而后知至”是孔夫子的学生曾参在《大学》中的一句话，意思是：对事物推究之后达到认知。如果我们把其中的“格”由“推究”(Examine，Study)转意为分格(Mesh)或“划分”(Divide)，那么“物格”就可以理解为对结构物划分有限元网格了，于是，这句话就可以理解为：“借助有限元方法达到认知”，这种解释并非牵强附会，因为Mesh或Divide实际是Examine或Study的具体做法。或者说，有限元方法是推究事物、进行认知的手段之一。试着用有限元数值模拟的观点去理解格物至知，这种“中西合璧”的做法很有趣。
本书在撰写的过程中，首先面临如何处理软件和原理的关系，必须把必要的基础知识以简洁的语言呈现给读者，既要考虑到为高校和科研部门读者提供提纲挈领的概括，又要照顾工程界读者因无暇查阅更多资料而力求完备，在概括和完备之间做了一个恰当的权衡，便于读者由“格物”原理， 自然地过渡到“知至”软件。
本书分两大部分：首先介绍了MSC．Nastran软件所涉及的动力分析的基本理论、方法和程序使用，其次介绍了MSC．Nastran软件所涉及的结构优化的基本理论、方法和程序使用。为了实现“格物至知”的目标，我们尽量融入在使用软件和二次开发软件中的体会和经验，强化本书的主题而不是冲淡它。
第一部分具体内容是：主模态分析、频率响应分析、瞬态响应分析和强迫运动分析等基本问题的计算及应用；动力缩减处理、复特征值分析、响应谱分析、随机振动分析等高级动力计算及动力优化设计的简介及应用。
第二部分具体内容是：结构优化设计基本概念(突出优化三要素：设计变量、目标函数和约束条件，以便于读者抓住要点)、优化模型的建立和寻优求解过程；结构截面优化设计的程序和应用；结构优化设计软件的二次开发。
总之，从数值模拟的角度观察“物格而后至知”，发现它是一个不断发展的过程。从发展的观点看，本书所介绍的MSC软件只是反映了现阶段的开发成果，随着将来不断地推出新成果，必定有对于更新版本的说明。
“结构分析一结构优化设计一结构最优控制”，这是“格物至知”的纵向深入或层次上的提高过程。要实现结构最优控制，前提是把一般结构发展为智能结构。相应地，对智能结构软件的开发将是今后的工作之一。
如果把曾子关于“物格而后知至”的整段论述都引录下来，继续用有限元观点去理解，我们会有更深刻的体会：
物格而后知至，知至而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。
曾参《大学》
按有限元数值模拟的思路去理解整段话：
对结构物划分网格达到有限元分析，该认知使从事分析计算的意念更专注，进而研究的心思更加端正，从而更加注重自身的研修，个人修养的提高带动了研究组的共同提高，研究组的高水平工作产生国内的推动作用，最后产生了国际影响。
应当指出：要做到“修身齐家”，人人都可以，而做到“治国平天下”则很难了。就拿我们所在的北京工业大学工程数值模拟中心而言，工程力学学科已经拥有工程力学和流体力学两个博士点，工程力学、固体力学、流体力学3个硕士点和1个安全工程本科专业点，设有工程数值模拟中心、工程力学实验中心、北京市高校强度检测所(具有CMA认证权的惟一一所北京高校)和地震监测站4个实验室，还设有美国MSC公司CAE产品技术培训中心和美国ATE公司工程咨询中心，中国力学学会力学史与方法论专业委员会和北京力学学会计算力学专业委员会皆挂靠于此：尽管我们的工程力学学科已经成为北京市重点建设学科，在计算固体力学(包括有限元方法及软件的研究与开发)有了一定的规模，做了不少研究和开发工作，但是，离国内外同行“治国平天下”的俊杰们还差得太远，只能算是一个有志向、有奋斗、有开拓的小群体。
我们的合作伙伴MSC公司却是一个值得骄傲的群体，它由小到大的发展，的确也经历了“格物、致知、诚意、正身、修身、齐家、治国、平天下”的过程，关于这一点，本书第1章有所涉及，此处不再赘述。
我们所佩服的是MSC公司的创始人和不断机入的众多开拓者的奋发进取的精神。如果说力学家、数学家、工程师们在计算力学的理论、方法与应用上做了大量的工作，奠定了十分重要的基础，那么，软件开发者们则把基础工作不断固化为软件成果，这当中包含着极为艰苦、极其耐心的工作，也是富有极高开拓创新高技术含量的工作
我们同MSC公司的合作，从1999年算起，已经有4年了，除了履行“MSC公司CAE产品技术培训中心”的工作，还为企业、研究部门的工程实用问题做了大量的数值模拟计算，第三件工作是研发结构优化设计模块，植根在MSC．Nastran／Patran软件上，形成程序二次开发的新软件，这也是我们研究工作的一个特色。已经完成的程序二次开发版本有：
(1)桁架结构截面优化软件。(2)框架结构截面优化软件。(3)桁架结构形状优化软件。(4)膜结构截面优化软件。(5)板壳结构截面优化软件。(6)二维连续体形状优化软件。
现在正在进行二次开发的版本有：
(1)桁架结构离散断面优化软件。(2)桁架结构动力优化软件。(3)膜结构离散断面优化软件。(4)板壳结构离散断面优化软件。(5)连续体结构拓扑优化软件。(6)框架结构拓扑优化软件。(7)结构动力拓扑优化软件。
从完成的大量的工作中，我们体会到：“物格而后知至”是一个不断深化的过程。工程结构划分网格的“格物”还包含着组装一体予以整体求解，因此，如果说这个分析过程包含着综合工作的话，那么我们可以说，在工程结构分析的基础上，运用数学规划等优化方法进行最优设计的搜索，则是在更高层次上的综合。
本书在撰写的过程中，首先面临如何处理软件和原理的关系，必须把必要的基础知识以简洁的语言呈现给读者，既要考虑到为高校和科研部门读者提供提纲挈领的概括，又要照顾工程界读者因无暇查阅更多资料而力求完备，在概括和完备之间做了一个恰当的权衡，便于读者由“格物”原理， 自然地过渡到“知至”软件。
本书分两大部分：首先介绍了MSC．Nastran软件所涉及的动力分析的基本理论、方法和程序使用，其次介绍了MSC．Nastran软件所涉及的结构优化的基本理论、方法和程序使用。为了实现“格物至知”的目标，我们尽量融入在使用软件和二次开发软件中的体会和经验，强化本书的主题而不是冲淡它。
第一部分具体内容是：主模态分析、频率响应分析、瞬态响应分析和强迫运动分析等基本问题的计算及应用；动力缩减处理、复特征值分析、响应谱分析、随机振动分析等高级动力计算及动力优化设计的简介及应用。
第二部分具体内容是：结构优化设计基本概念(突出优化三要素：设计变量、目标函数和约束条件，以便于读者抓住要点)、优化模型的建立和寻优求解过程；结构截面优化设计的程序和应用；结构优化设计软件的二次开发。
总之，从数值模拟的角度观察“物格而后至知”，发现它是一个不断发展的过程。从发展的观点看，本书所介绍的MSC软件只是反映了现阶段的开发成果，随着将来不断地推出新成果，必定有对于更新版本的说明。
“结构分析一结构优化设计一结构最优控制”，这是“格物至知”的纵向深入或层次上的提高过程。要实现结构最优控制，前提是把一般结构发展为智能结构。相应地，对智能结构软件的开发将是今后的工作之一。
如果把曾子关于“物格而后知至”的整段论述都引录下来，继续用有限元观点去理解，我们会有更深刻的体会：
物格而后知至，知至而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。
曾参《大学》
按有限元数值模拟的思路去理解整段话：
对结构物划分网格达到有限元分析，该认知使从事分析计算的意念更专注，进而研究的心思更加端正，从而更加注重自身的研修，个人修养的提高带动了研究组的共同提高，研究组的高水平工作产生国内的推动作用，最后产生了国际影响。
应当指出：要做到“修身齐家”，人人都可以，而做到“治国平天下”则很难了。就拿我们所在的北京工业大学工程数值模拟中心而言，工程力学学科已经拥有工程力学和流体力学两个博士点，工程力学、固体力学、流体力学3个硕士点和1个安全工程本科专业点，设有工程数值模拟中心、工程力学实验中心、北京市高校强度检测所(具有CMA认证权的惟一一所北京高校)和地震监测站4个实验室，还设有美国MSC公司CAE产品技术培训中心和美国ATE公司工程咨询中心，中国力学学会力学史与方法论专业委员会和北京力学学会计算力学专业委员会皆挂靠于此：尽管我们的工程力学学科已经成为北京市重点建设学科，在计算固体力学(包括有限元方法及软件的研究与开发)有了一定的规模，做了不少研究和开发工作，但是，离国内外同行“治国平天下”的俊杰们还差得太远，只能算是一个有志向、有奋斗、有开拓的小群体。
我们的合作伙伴MSC公司却是一个值得骄傲的群体，它由小到大的发展，的确也经历了“格物、致知、诚意、正身、修身、齐家、治国、平天下”的过程，关于这一点，本书第1章有所涉及，此处不再赘述。
我们所佩服的是MSC公司的创始人和不断机入的众多开拓者的奋发进取的精神。如果说力学家、数学家、工程师们在计算力学的理论、方法与应用上做了大量的工作，奠定了十分重要的基础，那么，软件开发者们则把基础工作不断固化为软件成果，这当中包含着极为艰苦、极其耐心的工作，也是富有极高开拓创新高技术含量的工作
我们同MSC公司的合作，从1999年算起，已经有4年了，除了履行“MSC公司CAE产品技术培训中心”的工作，还为企业、研究部门的工程实用问题做了大量的数值模拟计算，第三件工作是研发结构优化设计模块，植根在MSC．Nastran／Patran软件上，形成程序二次开发的新软件，这也是我们研究工作的一个特色。已经完成的程序二次开发版本有：
(1)桁架结构截面优化软件。(2)框架结构截面优化软件。(3)桁架结构形状优化软件。(4)膜结构截面优化软件。(5)板壳结构截面优化软件。(6)二维连续体形状优化软件。
现在正在进行二次开发的版本有：
(1)桁架结构离散断面优化软件。(2)桁架结构动力优化软件。(3)膜结构离散断面优化软件。(4)板壳结构离散断面优化软件。(5)连续体结构拓扑优化软件。(6)框架结构拓扑优化软件。(7)结构动力拓扑优化软件。
从完成的大量的工作中，我们体会到：“物格而后知至”是一个不断深化的过程。工程结构划分网格的“格物”还包含着组装一体予以整体求解，因此，如果说这个分析过程包含着综合工作的话，那么我们可以说，在工程结构分析的基础上，运用数学规划等优化方法进行最优设计的搜索，则是在更高层次上的综合。
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