MSC Nastran to wiodące na świecie oprogramowanie do analiz MES bazujące na metodzie elementu skończonego (MES). MES jest metodą numeryczną w której analizowany obszar dzielony jest na podobszary, nazywane elementami skończonymi. W przypadku dwuwymiarowym mogą to być np. trójkąty lub czworokąty, natomiast w przypadku trójwymiarowym elementy typu tetrahedron. MSC Nastran zostało opracowane w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku dla NASA jako program do analiz wytrzymałościowych MES ogólnego przeznaczenia. Obecnie MSC Nastran umożliwia prowadzenie statycznych i dynamicznych symulacji i analiz, włączając analizy drgań i analizy termiczne, jak również analizy zmęczeniowe, w pełnym zakresie liniowym i nieliniowym. Obliczenia mogą być realizowane w trybie równoległym, dzięki czemu zapewniona jest wysoka wydajność symulacji numerycznych. Dodatkowo, oprogramowanie MSC Nastran uzupełnione jest o możliwość prowadzenia zautomatyzowanej optymalizacji konstrukcji.
Oprogramowanie MSC Nastran pozwala inżynierom na analizy stanu naprężeń i odkształceń różnego rodzaju części maszyn i konstrukcji, jak również prognozowanie trwałości zmęczeniowej. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest wyeliminowanie potencjalnych problemów wynikających z nadmiernych naprężeń, rezonansu, wyboczenia lub zbyt dużych odkształceń jeszcze na etapie projektowania.
Analizy wytrzymałościowe MES w programie MSC Nastran
Analizy wytrzymałościowe MES w programie MSC Nastran możemy w skrócie podzielić na następujące kroki:
- Modelowanie geometrii CAD – tworzenie i edycja geometrii modelu za pomocą narzędzi do modelowania CAD (MSC Apex).
- Generacji siatki obliczeniowej MES (MSC Apex lub Patran).
- Definicja materiałów – określenie stałych materiałowych dla poszczególnych części modelu (MSC Apex lub Patran).
- Definicja warunków brzegowych – określenie warunków brzegowych dla poszczególnych brzegów i interfejsów w modelu (MSC Apex lub Patran).
- Analiza – przeprowadzenie właściwej analizy wytrzymałościowej MES (metoda elementów skończonych) przy użyciu MSC Nastran.
- Wyniki – wizualizacja wyników analiz, takich jak naprężenia, przemieszczenia i amplitudy drgań, itd. (MSC Apex lub Patran).
- Raportowanie – tworzenie raportów i wykresów, prezentujących wyniki analizy (MSC Apex lub Patran).
Typowe zastosowania programu MSC Nastran:
- Wirtualne prototypowanie we wszystkich fazach projektowania, wytwarzania, obsługi, jak również recyklingu.
- Usuwanie wad konstrukcyjnych wykrytych w czasie użytkowania.
- Optymalizacja w celu podniesienia parametrów technicznych i redukcji kosztów.
Analizy MES – Multidyscyplinarne analizy wytrzymałościowe
Program MSC Nastran pozwala inżynierom realizować w ramach jednego środowiska złożone analizy MES – wytrzymałościowe łączące zagadnienia z wielu dyscyplin.
- Statyczne i dynamiczne analizy wytrzymałościowe w zakresie liniowym i nieliniowym z uwzględnieniem dodatkowych oddziaływań związanych na przykład z tarciem, wymianą ciepła, zewnętrznym polem przepływowym oraz polem akustycznym.
- Analizy zmęczeniowe z wykorzystaniem podejścia dostępnego w pakiecie CAEfatigue, które umożliwia prognozowanie trwałości zmęczeniowej w wydajny i szybki sposób.
- Obliczenia konstrukcji kompozytowych wytworzonych dowolną techniką z wbudowaną funkcją analizy zmęczeniowej i możliwością wieloskalowego modelowania materiałów (pakiet Digimat).
Analizy wytrzymałościowe złożonych konstrukcji mechanicznych
Analizy wytrzymałościowe złożonych układów konstrukcyjnych w oprogramowaniu MSC Nastran polegają na tworzeniu modeli elementów konstrukcyjnych, które są ze sobą połączone i współdziałają w ramach jednego ustroju. Program MSC Nastran umożliwia łączenie poszczególnych części przy użyciu różnych technik w celu zapewnienia dokładnych i wydajnych analiz wytrzymałościowych.
- Połączenia niespójnych siatek obliczeniowych przy użyciu tzw. połączeń klejonych (ang. permanent glue). Dzięki takiemu podejściu skraca się znacząco czas potrzebny na generację siatek obliczeniowych.
- Dedykowane łączniki do modelowania połączeń spawanych, zgrzewanych, nitowych i śrubowych z uwzględnieniem sił zacisku i tarcia.
- Tworzenie całych zespołów składających się z podzespołów bez potrzeby wykorzystania dodatkowych łączników.
- Przyspieszenie kolejnych analiz poprzez modelowanie złożonych konstrukcji z wykorzystaniem podziału na tzw. superelementy. Ponadto, wymiana informacji w ramach realizacji projektu przy użyciu tzw. superelementów pozwala również zapewnić ochronę własnego know-how oraz innych informacji poufnych.
- Analizy z uwzględnieniem różnych typów kontaktu między segmentami złożonych konstrukcji mechanicznych z możliwością wyznaczenia naprężeń w strefie kontaktu i powierzchni kontaktu.
- Automatyczne generowanie połączeń między segmentami złożonych konstrukcji.
Obliczenia numeryczne MES – Zautomatyzowana optymalizacja strukturalna
W obliczeniach numerycznych MES, optymalizacja jest kluczową częścią współczesnego projektowania nowych urządzeń/produktów lub procesów. MSC Nastran pozwala inżynierom na prowadzenie w pełni zautomatyzowanej optymalizacji strukturalnej dzięki zaawansowanym metodom i algorytmom optymalizacyjnym.
- Optymalizacja w celu minimalizacji naprężeń, masy, etc. poprzez zmianę zmiennych projektowych, takich jak właściwości materiałowe, wymiary geometryczne, rozkład obciążeń i inne.
- Optymalizacja kształtu poszczególnych elementów konstrukcyjnych.
- Optymalizacja kształtu stempli i matryc do tłoczenia blach.
- Optymalizacja kierunku ułożenia włókien i grubości poszczególnych warstw kompozytów.
- Optymalizacji topologii w celu usunięcia zbędnej objętości.
- Wielodyscyplinarna i wielokryterialna optymalizacja.
Po przeprowadzeniu optymalizacji w MSC Nastran można porównać osiągnięte wyniki z wymaganiami i ograniczeniami oraz wybrać optymalne rozwiązanie konstrukcyjne.
Obliczenia o wysokiej wydajności (HPC)
Obliczenia o wysokiej wydajności w oprogramowaniu MSC Nastran to metody i narzędzia umożliwiające przeprowadzanie szybkich i dokładnych analiz dużych i złożonych modeli konstrukcyjnych. W celu zwiększenia wydajności obliczeń w MSC Nastran dostępne są następujące metody i techniki.
- Obliczenia na komputerach z wieloma rdzeniami logicznymi lub procesorami, wykorzystując następujące techniki obliczeniowe: Shared Memory Parallel and Distributed Memory Parallel.
- Obliczenia w trybie równoległym z wykorzystaniem wielordzeniowych procesorów GPU.
- Automatyczny wybór najbardziej wydajnego solvera obliczeniowego dostosowanego do analizowanego zagadnienia.
- Analizy modalne z wykorzystaniem udoskonalonego solvera Lanczos’a oraz podejścia Automated Component Modal Synthesis (ACMS) – możliwość analiz dynamicznych bardzo dużych modeli.
