设计仿真 | MSC Nastran Global Local分析技术

MSC Nastran具备静力学、动力学、非线性、优化、气弹等功能全面的结构分析功能，在航空航天、汽车、船舶等各个行业均有广泛的应用。

所谓Global Local分析指的是进行两次分析，第一次是针对于整体模型的分析，第二次是针对局部模型的分析。对于整体模型的分析一般来说网格相对较粗，这样可以迅速的了解结构整体在各种工况条件下的传力和载荷情况。而对关键零部件的局部分析，根据实际分析需求，网格可能相对更细（也可能不变）。但是由于局部分析所针对的模型尺寸较小，所以即使更细的网格，其模型整体的规模也有限，这样可以更加准确的掌握这些关键零部件在各种工况条件下的表现。而这两次分析之所以是一套完整的分析技术，其关键在于第二次分析所使用的边界条件和载荷条件是来源于第一次分析，这样可以确保通过两次分析，快速而准确地达到各自的分析目标。

本篇内容就来介绍一下MSC Nastran的Global Local分析技术，主要包括以下几项内容：

方法一：空间插值实现边界条件的传递

方法二：借助外部超单元

方法三：CARVE（MSC Nastran 2024.2新功能）

方法四：网格自适应细化

01       空间插值实现边界条件的传递

这种方法是目前应用较为广泛的方法，借助Patran的FEM场映射工具，将整体模型分析得到的位移数据或者载荷数据插值映射到局部模型上去，从而可以完成局部模型边界或者载荷条件的定义。详细的操作流程请参考附件[1]。

此方法的操作流程大致如下：

1) 进行全局模型分析；

2) 将全局模型的计算结果导入Patran，查看其位移的矢量场；

3) 在此基础上创建位移的FEM场；

4) 通过此FEM场来定义局部模型的边界条件；

5) 定义局部模型的其它载荷条件，提交计算完成分析。

这种方法虽然目前应用较为广泛，但是也存在一定的不足。这是因为此方法虽然可以较为友好、方便、准确的将整体模型计算得到的位移或者载荷结果映射到局部模型的边界上，但是局部模型区域在整体模型中是与其它零部件相连的。这种连接关系在绝大多数情况下，既不是完全刚性也不是完全自由的，但是具体的连接刚度的数值难以评估。因此从这方面来说，此方法在准确性上还有一些不足，使用时需要谨慎。

02       借助外部超单元实现

鉴于前一种方法存在刚度不够准确的问题，还有一种借助外部超单元分析技术来实现Global Local分析的方法[2]。

这种方法将整体模型中，将用户所关心的局部区域以外的所有部分创建生成外部超单元，而用户所关心的局部区域作为残余结构，可以采用更加精细的网格。而局部模型的实际分析过程，其实就是一个外部超单元的装配分析过程。

如下图所示，左侧机头结构为整体模型，右侧部分为用户所关心的框架结构。将左侧图中灰色部分缩聚为外部超单元，在对右侧局部模型分析时，其原有的边界位置的连接刚度等特性会通过外部超单元与此残余结构的装配分析而完整准确的予以保留。因此这种方法相对于方法二来说，会更加准确。

说明：图片来源于[2]

如果用户对这个局部模型的网格进行了细化，可能会导致外部超单元所创建的缩聚点（或者外部连接点），与局部模型上的点不匹配。对于这个问题，Patran中也提供了专门的工具予以解决：Utilities----FEM General----RBE3 Model Connection。

下文也提供了一个使用此方法的算例，见[1]。

03       CARVE方法

方法2弥补了方法1在局部模型边界刚度方面准确度不足的劣势，但是方法2相对较为复杂，需要用户预先掌握缩聚、外部超单元相关的理论和操作方法，使用门槛相对较高。

因此MSC Nastran 2024.2推出的新的方法：CARVE。此方法在本质和方法2是一样的，但是从用户使用上来说非常直观和简便，而且MSC Apex还具备完善的界面支持，对用户非常友好。

CARVE方法的使用可以分为两步：

1) 从全局模型分离局部模型，并创建外部超单元

2) 外部超单元和局部模型的装配分析

在第一步中通过在模型文件中添加相应的卡片（CARVE、MDSET3）来选定局部模型。MSC Apex界面可以简单高效的来完成这一任务，用户可以完全不需要进行卡片编辑操作。第一步分析结束后，MSC Nastran会自动生成第二步所需的bdf文件，用户只需要提交计算即可。

如上图所示的飞机模型，假设我们想针对右机翼的内侧局部（高亮区域）进行局部分析，可以首先在MSC Apex对这个区域创建一个组。然后在下图Global Local job generator中选择这个局部模型构建的组，接着设置好外部超单元的格式，如op2、pch或者dball文件，继续选择原始全局模型的bdf文件，并设置好输出文件的文件夹位置和文件名称，点击创建Create Carve Job即可完成第一步文件的生成。

下图是一个生成文件示例，第一行所示的文件为原始的、未作任何更改的全局模型文件，后续的四个文件为MSC Apex创建的文件，其中*.bdf为主文件，其余文件均被此主文件引用，不需要额外关注。

用户直接提交主文件计算即可自动生成局部模型文件，进而可以直接对局部模型文件提交计算即可快速完成局部模型的分析任务。

CARVE方法除了可以完成上述分析任务之外，还有一个优点特别值得注意。在第二种方法中，外部超单元中的载荷数据是保存PAX（边界载荷矩阵）之中的，用户无法直接提取和使用。而CARVE方法中这些载荷会自动转换成力和力矩的FORCE/MOMENT卡片数据保存在bdf文件之中，便于用户后续直接使用。

目前此方法仅支持SOL101和SOL103。关于此方法更详细内容，请参考MSC Nastran 2024.2发布指南。

04       网格自适应细化（Adaptive Meshing)

这种方法严格的说并不属于Global-Local分析方法，但是可以部分的实现类似的功能，即：既可以快速的得到结构整体的性能又可以准确的掌握局部细节的表现，因此在这里一并介绍一下。网格自适应细化技术可以应用于SOL 101和SOL 400中的线性求解。此方法详细的内容请参考MSC Nastran帮助文档中的《线性静力学分析手册》中的第18章[3]。

网格自适应细化依据用户预先设置的细化区域和细化准则，在模型计算过程中自动对相应的位置的网格进行自适应的加密，从而提高了此区域位置的求解精度，而尽量降低由于网格加密引起的模型自由度的增加，避免了效率的显著降低。而且这一过程是MSC Nastran在计算过程中自动进行调整的，无需用户干预。

在建模阶段，用户在工况控制段采用HADAPT来引用模型数据段的HADAPTL的ID编号。模型数据段的HADAPTL来定义加密区域，其第六域引用HADACRI的ID号，HADACRI卡片定义加密准则。

例如下图中的圆柱壳在中间位置承受一个单节点的力载荷。上半区域和下半区域分别定义了不同的单元属性。

在选择加密区域时既可以选择全部网格，也可以根据单元属性来选择相应的属性ID来进行有针对性的网格加密。但是为即使选择了ID为2的下半区域进行加密，在上半区域与下半区域相连接的位置，也会进行一定程度的加密以确保计算结果的准确性。

如果加载条件修改为两个节点的力载荷，下图中可以看出，软件可以自动在这两个节点附近的区域进行加密以确保其计算结果满足精度要求。

05       文章小结

本篇内容对MSC Nastran在Global Local分析方面几种方法进行了概括性的介绍，包括：空间插值实现边界条件传递、借助外部超单元、网格自适应细化，以及最新的CARVE方法。欢迎广大用户对上述各种方法进行尝试。

06     参考文献

1.教程：

见链接或者微信扫如下二维码（永久有效）

链接：

https://pan.baidu.com/s/1EUmxcIlxj9sRyqH6wP53Rg?pwd=89nj 

提取码：89nj

2. Taylor R , Garcia J , Tang P S .Using Optimization for Structural Analysis Productivity Improvement on the F-35 Lightning II[C]. AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, & Materials Conference. 2013.DOI:10.2514/6.2007-2312.

3. MSC Nastran Linear Static Analysis User’s Guide

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邮箱：mscprc.support@[暂不可见]

（海克斯康工业软件）

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