NX Nastran
NX Nastran
NX NASTRAN是1972年Nastran商業版共享后出現的產品。
Nastran，即NASA 結構分析系統，是1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求，主持開發大型應用有限元程序的招標，有多家軟體開發商中標並參與了結構分析求解器的開發過程。1969年NASA推出了其第一個Nastran版本, 稱為COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在public domain上的公開發售版本， Nastran和COSMIC是NASA的註冊商標。
到了八十年代，又有另外兩家公司UAI、 CSAR基於NASA的COSMIC Nastran 源代碼推出了各自的商業版本，從而市場上形成了由主要三家Nastran供應商（MSC，UAI和CSAR）相互競爭的局面。 Nastran是工程分析界應用最為廣泛的有限元軟體，絕大多數的商業化前後處理器都對Nastran有良好的支持，其文本格式已成為標準格式，其計算結果也成為CAE分析的規範。
1999年，MSC 收購了UAI 和 CSAR，成為市場上唯一提供Nastran商業代碼的供應商。此後，美國聯邦貿易委員會（FTC）認定MSC NASTRAN壟斷。為了重建Nastran市場的競爭，FTC做出了如下的幾項裁決（關於FTC官方裁決，請參看附錄一）：
l MSC.Software公司必須共享MSC NASTRAN最新商業版(當時為2002年11月v2001r9)，以重新建立NASTRAN市場競爭（該版本即MSC Nastran V1.0）
l 共享內容包括用於Nastran開發、銷售用的所有MSC NASTRAN的源代碼、目標代碼、測試案例、開發環境和所有文檔的永久使用權許可
l 告知在過去3年多時間（僅限美國）已購買了MSC.Software公司的永久使用許可的用戶。這些用戶有權轉而使用EDS的NX Nastran，並由MSC.Software退還差額賠償
l MSC和UGS 必須保證在未來3年內數據的兼容性，MSC Nastran將繼續使用通用的Nastran格式，以確保那些轉到NX Nastran的用戶能使用過去的NASTRAN輸入/輸出文件
l 獲得許可的機構(EDS)應獲得MSC.Software、UAI和CSAR公司僱員的名單，並有權雇傭他們
FTC的裁決使得一個強有力的公司——UGS PLM Solutions加入到Nastran的市場中來， Nastran由單一供應商MSC轉為兩家互相競爭的供應商，NX NASTRAN在各行業得到的認證同樣適用於NX Nastran產品，不需要進行再次認證。
2003年9月，NX Nastran產品正式發布。UGS PLM承諾將全力開發支持 NX Nastran和NX NASTRAN 前後處理器（NX MaterFEM, Femap, NX Scenario），並在近兩年中每年推出兩個NX Nastran新版本。由於FTC的裁決使得MSC公司的僱員名單也已共享，因此已經有許多資深的NASTRAN專家加入到UGS PLM Solutions的開發隊伍中來。包括：
1． Dr. Louis Komzsik ，前MSC的首席演演算法專家，有超過30年的結構分析經驗和20年在MSC的工作經歷；
2． Dr. Tom Kowalski，前MSC數值計算專家，10年專註於高性能科學計算研究；
3． Mr. Ken Burrell，前MSC和UAI程序開發人員，20年開發經驗；
4． Mr. Richard Bush, 前MSC市場負責人，17年MSC市場運作管理經驗。
5． Dr. Mark Donley… 等等
UGS PLM有超過兩千人的研發隊伍，其中僅CAE開發人員就已經超過600人。這些人員有平均15年以上的開發經驗，而且在 2004年和2005 年將繼續擴大隊伍。UGS 中國上海研發中心已經成立，將專註於CAE研發和本地化。由於UGS PLM Solutions投入了大量的CAE研發力量，許多國際用戶對NX Nastran的未來發展充滿信心，並有大量用戶已經從NX NASTRAN轉到了NX Nastran。在NX Nastran推向市場三個月內，有超過5000個license的國際用戶轉而應用NX Nastran，其中包括Daimler Chrysler，Caterpillar Tractor，Lockheed-Martin，GE Power Systems，Nissan R&D- USA，FORD Europe，EADS，Matra Automotive，Liebherr Spac，Gulf Aircraft Maintenance，Yokohama Rubber，Hyundai Heavy Ind，Tata Steel，Honeywell Aerospace等等。
西門子已經完成對產品生命周期管理（PLM）軟體和服務提供商UGS公司的收購，並於 2007年5月4日生效。UGS公司從此將更名為“UGS PLM軟體公司”（UGS PLM Software），並作為西門子自動化與驅動集團（Siemens A&D）的一個全球分支機構展開運作。
與當前版本的商業軟體NX NASTRAN一樣，NX Nastran是國際上應用最廣泛的CAE工具，大量的製造廠商依靠其分析結果來設計和生產更加安全可靠產品，得到更優化的設計，縮短產品研發周期。三十多年來, Nastran已經成為了幾乎所有國際大企業的工程分析工具，應用領域包括航空航天, 汽車，軍工，船舶，重型機械設備，醫藥和消費品等，這也使得其分析結果成為了工業化的標準。
對於大型企業來說，NX Nastran是一個獨立的解決方案。它通常運行區域網上，支持多用戶，多平台系統，並可以和多種有限元前後處理器協同工作。這些處理器包括EDS和其他許多CAE供應商提供的高效易用的專業產品。
NX Nastran適用於需要完成大量流程化分析計算的用戶。它的特點是靈活，可靠並能同大量的其他分析軟體協同運作，形成統一高效的分析流程，並在整個流程中承擔核心求解功能。它的數據格式可以在絕大多數的CAE軟體中識別和使用，使得同其他CAE使用者交換數據的方式靈活方便，大大減少了數據轉換和共享的工作量。
目前的NX Nastran 產品包括：
NX Nastran -- Basic: NX Nastran 的基本模塊，包括線性靜力，模態，屈曲和熱傳遞功能。
NX Nastran -- Nonlinear: 支持材料非線性，幾何非線性和接觸分析。
NX Nastran -- Dynamic Response: 在時域和頻域中計算結構在外在激勵下的動力學響應。
NX Nastran -- Superelements: 將超大模型分解為小的子結構求解。
NX Nastran -- Direct Matrix Abstraction Program (DMAP): 允許用戶進行二次開發，將自己的演演算法和應用擴充到NX Nastran 中。
NX Nastran -- Aeroelasticity: 對氣流作用下的模型進行分析。
NX Nastran -- Optimization: 自動迭代完成優化設計。
Nastran for Femap: 基於Windows環境，將 Femap的前後處理功能和 NX Nastran 分析能力結合在一起。
NX Nastran -- Advanced Aeroelasticity: 預測結構在氣流作用下的響應，並可以進行超音速分析。
NX Nastran -- Rotor Dynamics: 一個新的動態分析能力，專門針對轉子動力學分析。
分析效果圖
為求解動力學問題, NX NASTRAN提供了求解所需齊備的動力和阻尼單元，如瞬態響應分析的非線性彈性單元、各類阻尼單元、 (噪) 聲學阻滯單元及吸收單元等。眾多的阻尼類型包括: 結構阻尼、材料阻尼、不同的模態阻尼(含等效粘滯阻尼)、(噪)聲阻滯阻尼和吸收阻尼、可變的模態阻尼(等效粘性阻尼，臨界阻尼的分數，品質因數)、離散的粘性阻尼單元、隨頻率變化的非線性阻尼器以及動力傳遞函數，直接矩陣輸入、動力傳遞函數定義等。NX NASTRAN可在時域或頻域內定義各種動力學載荷, 包括動態定義所有的靜載荷、強迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延時、時間窗口、解析顯式時間函數、實復相位和相角、作為結構響應函數的非線性載荷、基於位移和速度的非線性瞬態載入、隨載荷或受迫運動不同而不同的時間歷程等。模態凝聚法有 Guyan凝聚（靜凝聚），廣義動態凝聚，部分模態綜合，精確分析的殘餘向量等。
NX NASTRAN的高級動力學功能還可分析更深層、更複雜的工程問題如控制系統、流固耦合分析、傳遞函數計算、輸入載荷的快速富里葉變換、陀螺及進動效應分析(需DMAP模塊)、模態綜合分析(需Superelement模塊)。所有動力計算數據可利用矩陣法、位移法或模態加速法快速地恢復, 或直接輸出到機構模擬或相關性測試分析系統中去。
NX NASTRAN的主要動力學分析功能如：特證模態分析、直接復特徵值分析、直接瞬態響應分析、模態瞬態響應分析、響應譜分析、模態復特徵值分析、直接頻率響應分析、模態頻率響應分析、非線性瞬態分析、模態綜合、動力靈敏度分析等可簡述如下：
1）正則模態分析用於求解結構的自然頻率和相應的振動模態，計算廣義質量, 正則化模態節點位移，約束力和正則化的單元力及應力, 並可同時考慮剛體模態。具體包括:
a). 線性模態分析又稱實特徵值分析。實特徵值縮減法包括: Lanczos法、增強逆迭代法、Givens法、改進 Givens法、Householder法，並可進行Givens和改進Givens法自動選擇、帶Sturm 序列檢查的逆迭代法，所有的特徵值解法均適用於無約束模型。
b). 考慮拉伸剛化效應的非線性特徵模態分析, 或稱預應力狀態下的模態分析。
2）復特徵值分析復特徵值分析主要用於求解具有阻尼效應的結構特徵值和振型, 分析過程與實特徵值分析類似。此外NASTRAN的復特徵值計算還可考慮阻尼、質量及剛度矩陣的非對稱性。復特徵值抽取方法包括直接復特徵值抽取和模態復特徵值抽取兩種:
a) 直接復特徵值分析
通過復特徵值抽取可求得含有粘性阻尼和結構阻尼的結構自然頻率和模態，給出正則化的復特徵矢量和節點的約束力, 及復單元內力和單元應力。主要演演算法包: Delerminated法、Hossen-bery法、新Hossenbery、逆迭代法、復Lanczos法，適用於集中質量和分佈質量、對稱與反對稱結構，並可利用DMAP工具檢查與測試分析的相關性。
b) 模態復特徵值分析
此分析與直接復特徵值分析有相同的功能。本分析先忽略阻尼進行實特徵值分析, 得到模態向量。然後採用廣義模態坐標，求出廣義質量矩陣和廣義剛度矩陣, 再計算出廣義阻尼矩陣, 形成 模態坐標下的結構控制方程, 求出復特徵值。模態復特徵值分析得到輸出類型與用直接復特徵值分析得到輸出類型相同。
3）瞬態響應分析(時間-歷程分析)瞬態響應分析在時域內計算結構在隨時間變化的載荷作用下的動力響應，分為直接瞬態響應分析和模態瞬態響應分析。兩種方法均可考慮剛體位移作用。
a) 直接瞬態響應分析
該分析給出一個結構對隨時間變化的載荷的響應。結構可以同時具有粘性阻尼和結構阻尼。該分析在節點自由度上直接形成耦合的微分方程並對這些方程進行數值積分，直接瞬態響應分析求出隨時間變化的位移、速度、加速度和約束力以及單元應力。
b) 模態瞬態響應分析
在此分析中，直接瞬態響應問題用上面所述的模態分析進行相同的變換，對問題的規模進行壓縮，再對壓縮了的方程進行數值積分，從而得出與用直接瞬態響應分析類型相同的輸出結果。
4）隨機振動分析該分析考慮結構在某種統計規律分佈的載荷作用下的隨機響應。對於例如地震波，海洋波，飛機超過建築物的氣壓波動，以及火箭和噴氣發動機的噪音激勵，通常人們只能得到按概率分佈的函數，如功率譜密度(PSD)函數，激勵的大小在任何時刻都不能明確給出，在這種載荷作用下結構的響應就需要用隨機振動分析來計算結構的響應。NX NASTRAN中的PSD可輸入自身或交叉譜密度，分別表示單個或多個時間歷程的交叉作用的頻譜特性。計算出響應功率譜密度、自相關函數及響應的RMS值等。計算過程中, NX NASTRAN不僅可以象其它有限元分析那樣利用已知譜，而且還可自行生成用戶所需的譜。
5）響應譜分析響應譜分析(有時稱為衝擊譜分析)提供了一個有別於瞬態響應的分析功能，在分析中結構的激勵用各個小的分量來表示, 結構對於這些分量的響應則是這個結構每個模態的最大響應的組合。
6）頻率響應分析 頻率響應分析主要用於計算結構在周期振蕩載荷作用下對每一個計算頻率的動響應。計算結果分實部和虛部兩部分。實部代表響應的幅度，虛部代表響應的相角。
a) 直接頻率響應分析
直接頻率響應通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對於外載荷的響應。該類分析在頻域中主要求解二類問題。第一類問題是求結構在一個穩定的周期性正弦外力譜的作用下的響應。結構可以具有粘性阻尼和結構阻尼，分析得到複位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數。
第二類問題是求解結構在一個穩態隨機載荷作用下的響應。此載荷由它的互功率譜密度定義。而結構載荷由上面所提到的傳遞函數來表徵。分析得出位移，加速度，約束力或單元應力的自相關係數。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應的均方根值。
b) 模態頻率響應
模態頻率響應分析和隨機響應分析在頻域中解決的二類問題與直接頻率響應分析解決相同的問題。結構矩陣用忽略阻尼的實特徵值分析進行了壓縮, 然後用模態坐標建立廣義剛度和質量矩陣。該分析的輸出類型與直接頻率響應分析得到的輸出類型相同。
NX NASTRAN的模態擴張法(殘餘矢量法)可以估算高階模態的作用，以確保參加計算的頻率數足以使模態法的響應分析的計算精度顯著提高。
此外，在眾多的應用里，結構模態分析同時考慮幾何剛化和材料非線性也是非常重要的。這一功能在NX NASTRAN中叫做非線性正則模態分析。
7）多級超單元分析超單元分析是求解大型問題一種十分有效的手段，特別是當工程師打算對現有結構件做局部修改和重分析時。超單元分析主要是通過把整體結構分化成很多小的子部件來進行分析, 即將結構的特徵矩陣(剛度、傳導率、質量、比熱、阻尼等)壓縮成一組主自由度類似於子結構方法，但較其相比具有更強的功能且更易於使用。子結構可使問題表達簡單、計算效率提高、計算機的存儲量降低。超單元分析則在子結構的基礎上增加了重複和鏡像映射和多層子結構功能, 不僅可單獨運算而且可與整體模型混合使用, 結構中的非線性與線性部分分開處理可以減小非線性問題的規模。應用超單元工程師僅需對那些所關心的受影響大的超單元部分進行重新計算, 從而使分析過程更經濟、更高效，避免了總體模型的修改和對整個結構的重新計算。NX NASTRAN優異的多級超單元分析功能在大型工程項目國際合作中得到了廣泛使用, 如飛機的發動機、機頭、機身、機翼、垂尾、艙門等在最終裝配出廠前可由不同地區和不同國家分別進行設計和生產, 此間每一項目分包商不但可利用超單元功能獨立進行各種結構分析，而且可通過數據通訊在某一地利用模態綜合技術通過計算機模擬整個飛機的結構特性。
多級超單元分析是NX NASTRAN的主要強項之一, 適用於所有的分析類型, 如線性靜力分 析、剛體靜力分析、正則模態分析、幾何和材料非線性分析、響應譜分析、直接特徵值、頻率響應、瞬態響應分析、模態特徵值、頻率響應、瞬態響應分析、模態綜合分析(混合邊界方法和自由邊界方法)、設計靈敏度分析、穩態、非穩態、線性、非線性傳熱分析等。
模態綜合分析: 模態綜合分析需要使用超單元，可對每個受到激勵作用的超單元分別進行分析, 然後把各個結果綜合起來從而獲得整個結構的完整動態特性。超單元的剛度陣、質量陣和載荷陣可以從經驗或計算推導而得出。結構的高階模態先被截去，而後用靜力柔度或剛度數據恢復。該分析對大型複雜的結構顯得更有效(需動力學分析模塊)。
