材料力学仿真软件：MSC Nastran_（22）.行业应用实例
行业应用实例
在本节里,我们将演示如何运用 MSC Nastran 进行材料力学仿真软件系统的二次开发.这些应用案例将包括航空航天产业,汽车制造以及建筑工程等多个行业.通过具体案例,我们旨在阐述如何借助 MSC Nastran 的 API 和脚本功能来实现特定范围内的仿真需求.对于每一个案例,我们将深入分析其背景信息,明确设定的目标,采用的方法以及最终取得的结果.同时,我们将包含详细的代码示例以供参考.
航空航天领域
1. 飞机结构优化
背景
在航空航天领域研究中涉及飞机结构优化设计作为一项关键任务
目标
本实例旨在通过二次开发活动，并借助 MSC Nastran 的API工具来实现飞机翼板结构的最佳优化设计方案。具体而言，在确保达到预期的强度与刚性标准时（即满足强度和刚度要求），我们计划调整飞机翼板结构件厚度分布方案，并最大限度降低所需材料的数量。
方法
通过编写Python脚本并调用MSC Nastran API对翼盒结构进行优化设计。该过程将涵盖以下几个具体步骤：
定义优化变量：翼盒各部分的厚度。
设置约束条件：强度和刚度的要求。
选择优化算法：遗传算法（GA）或序列二次规划（SQP）。
进行多次仿真，根据仿真结果调整优化变量。
输出优化结果并进行验证。
代码示例
下面是一个简明的Python脚本范例，用于演示使用 MSC Nastran API 进行翼形结构的优化设计。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
from scipy.optimize import minimize
# 定义优化函数
def optimize_wingbox(thicknesses):
"""
优化翼盒结构的厚度分布
:param thicknesses: 翼盒各部分的厚度
:return: 总质量
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model("wingbox_model.bdf")
model.set_thicknesses(thicknesses)
# 运行仿真
results = model.run_simulation()
# 提取仿真结果
mass = results.get_mass()
stress = results.get_stress()
displacement = results.get_displacement()
# 检查约束条件
if max(stress) > 1000: # 强度约束
return np.inf
if max(displacement) > 0.05: # 刚度约束
return np.inf
return mass
# 定义初始厚度分布
initial_thicknesses = [0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05]
# 定义约束条件
constraints = [
{'type': 'ineq', 'fun': lambda x: 1000 - max(model.run_simulation().get_stress())},
{'type': 'ineq', 'fun': lambda x: 0.05 - max(model.run_simulation().get_displacement())}
]
# 定义优化问题
res = minimize(optimize_wingbox, initial_thicknesses, method='SLSQP', constraints=constraints)
# 输出优化结果
print("优化后的厚度分布:", res.x)
print("优化后的总质量:", res.fun)描述
导入相关库 ：我们成功地进行了 MSC.Nastran API 库的导入，并引入了 numpy 库以及 scipy.optimize 库来进行数值计算与优化。
定义优化函数 ：该优化函数基于翼壁板厚度数据进行计算。设定相关模型参数后,执行数值模拟分析,并计算并输出总质量.当模拟结果未达到预期强度和刚度要求时,则将计算结果设为极大值
定义初始厚度分布 ：初始厚度分布是一个包含五个厚度值的列表。
定义约束条件 ：我们定义了两个不等式约束，分别对应强度和刚度的要求。
明确优化目标 ：通过调用库函数scipy.optimize.minimize来进行求解，并指定求解算法为序列二次规划法（SLSQP）。
输出优化结果 ：优化完成后，输出优化后的厚度分布和总质量。
2. 振动分析
背景
该领域中的这一项技术扮演着关键角色，在飞机设计阶段占据重要地位。利用振动分析技术系统性地考察飞机的动力学行为，在飞行阶段有效规避了各种共振等问题。
目标
本实例旨在通过二次开发借助 MSC Nastran API 进行飞机起落架的振动评估。具体而言，在着陆冲击过程中我们将会评估起落架的动力响应并收集关键振动频率和振幅信息。
方法
我们将利用Python脚本接口调用 MSC Nastran 的 API 来实现振动分析。具体而言，这一分析流程将包含以下几个步骤：
定义模型参数：起落架的几何形状、材料属性等。
设置边界条件：着陆冲击力和支撑点。
运行振动分析。
提取振动频率和振幅。
输出分析结果并进行验证。
代码示例
下面是一个简明的Python代码示例，用于演示如何使用 MSC Nastran 的 API 进行飞机起落架振动特性评估。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义振动分析函数
def analyze_landing_gear(impact_force, support_points):
"""
分析起落架在着陆冲击下的动态响应
:param impact_force: 着陆冲击力
:param support_points: 支撑点位置
:return: 振动频率和振幅
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model("landing_gear_model.bdf")
model.set_impact_force(impact_force)
model.set_support_points(support_points)
# 运行振动分析
results = model.run_vibration_analysis()
# 提取振动频率和振幅
frequencies = results.get_frequencies()
amplitudes = results.get_amplitudes()
return frequencies, amplitudes
# 定义着陆冲击力和支撑点位置
impact_force = 10000 # 单位：牛顿
support_points = [10, 20, 30] # 支撑点节点编号
# 进行振动分析
frequencies, amplitudes = analyze_landing_gear(impact_force, support_points)
# 输出分析结果
print("振动频率:", frequencies)
print("振幅:", amplitudes)描述
我们进行了库的引入，并利用MSC/Nastran提供的API接口及其相关的numpy数组进行数值计算
创建用于执行振动分析的函数 analyze_landing_gear ，该函数接收用于计算的着陆冲击载荷及其支撑点位置参数，并配置模型参数以实现数值模拟。随后通过该模拟计算系统各部位的固有频率及其响应振幅。
明确阐述着陆冲击力与支撑点位置的概念：其大小达到1 万牛顿，并且支撑点位置分别为节点编号1 、2 和3 。
进行振动分析 ：调用analyze_landing_gear函数进行振动分析。
输出分析结果 ：分析完成后，输出振动频率和振幅。
汽车领域
1. 车身碰撞仿真
背景
碰撞仿真是现代汽车设计中不可或缺的关键技术，在该领域中扮演着重要的角色
目标
本实例的主要任务是通过二次开发来利用 MSC Nastran 的 API 进行汽车车身碰撞仿真。具体而言，在不同速度和角度下分析汽车车身的碰撞响应，并提取关键的变形与损伤数据。
方法
我们将在利用Python脚本调用 MSC Nastran 的 API 以实现车身碰撞仿真的过程。该过程涉及以下几个步骤：
定义模型参数：车身的几何形状、材料属性等。
设置碰撞条件：碰撞速度、角度和碰撞物。
运行碰撞仿真。
提取变形和损伤数据。
输出仿真结果并进行验证。
代码示例
下面是一个简单的Python script示例，在其中我们演示了如何调用 MSC Nastran 的 API 进行车身碰撞仿真。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义碰撞仿真函数
def simulate_car_collision(speed, angle, collision_object):
"""
分析汽车在不同速度和角度下的碰撞响应
:param speed: 碰撞速度
:param angle: 碰撞角度
:param collision_object: 碰撞物
:return: 变形和损伤数据
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model("car_body_model.bdf")
model.set_collision_speed(speed)
model.set_collision_angle(angle)
model.set_collision_object(collision_object)
# 运行碰撞仿真
results = model.run_collision_simulation()
# 提取变形和损伤数据
deformation = results.get_deformation()
damage = results.get_damage()
return deformation, damage
# 定义碰撞条件
speed = 50 # 单位：公里/小时
angle = 30 # 单位：度
collision_object = "wall" # 碰撞物：墙
# 进行碰撞仿真
deformation, damage = simulate_car_collision(speed, angle, collision_object)
# 输出仿真结果
print("变形数据:", deformation)
print("损伤数据:", damage)描述
我们引入了两个软件包：一个是MSC Nastran的API软件包-msc_nastran_api-；另一个是numpy软件包。这两个软件包均用于数值计算。
本节将阐述碰撞仿真函数的定义
定义碰撞条件 ：碰撞速度为50公里/小时，碰撞角度为30度，碰撞物为墙。
进行碰撞仿真 ：调用simulate_car_collision函数进行碰撞仿真。
输出仿真结果 ：仿真完成后，输出变形和损伤数据。
2. 悬架系统动态分析
背景
汽车悬架系统的动态评估承担着衡量车辆行驶性能的重要功能。基于动态分析的结果，可以预判悬架在各种路面条件下的反应表现，并确保车辆行驶时的稳定性和舒适性。
目标
本实例的目的在于通过二次开发, 借助 MSC Nastran 的 API 对汽车悬架系统进行动态分析. 具体而言, 我们将对悬架在不同路面条件下的动态响应进行分析, 并采集关键的位移和加速度数据.
方法
我们将通过编写Python脚本来调用MSC Nastran API以完成悬架系统的动态分析。具体分析步骤如下：
定义模型参数：悬架系统的几何形状、材料属性等。
设置路面条件：路面不平度、速度等。
运行动态分析。
提取位移和加速度数据。
输出分析结果并进行验证。
代码示例
以下是一个简明的Python脚本范例：介绍如何通过调用 MSC Nastran 的 Python 接口来进行悬架系统动力学分析的过程
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义动态分析函数
def analyze_suspension(road_profile, speed):
"""
分析悬架系统在不同路面条件下的动态响应
:param road_profile: 路面不平度
:param speed: 车辆速度
:return: 位移和加速度数据
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model("suspension_model.bdf")
model.set_road_profile(road_profile)
model.set_speed(speed)
# 运行动态分析
results = model.run_dynamic_analysis()
# 提取位移和加速度数据
displacements = results.get_displacements()
accelerations = results.get_accelerations()
return displacements, accelerations
# 定义路面条件
road_profile = [0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05] # 路面不平度数据
speed = 60 # 单位：公里/小时
# 进行动态分析
displacements, accelerations = analyze_suspension(road_profile, speed)
# 输出分析结果
print("位移数据:", displacements)
print("加速度数据:", accelerations)描述
引入相关库：我们通过使用官方推荐的分析工具 MSC Nastran接口及其对应的Python代码实现了对numpy进行数值计算的支持。
创建一个动态分析函数
确定路面状况：路面不平度数据构成一个五元素列表，并以每小时六十公里的速度行驶。
进行动态分析 ：调用analyze_suspension函数进行动态分析。
输出分析结果 ：分析完成后，输出位移和加速度数据。
建筑领域
1. 结构抗震分析
背景
在建筑领域中扮演着关键角色的不是别的,而是结构抗震分析.它不仅是一种测定手段,更是检验安全性的重要工具.通过预判建筑的反应特性,在地震发生时能够有效规避潜在的严重破坏风险.
目标
本实例的主要任务是利用 MSC Nastran 的 API 进行二次开发。具体而言，在不同地震波输入下研究建筑的动力响应特性，并收集关键的数据指标。
方法
我们将在编写Python脚本以调用其API模块的基础上进行结构抗振分析。该过程将按照以下步骤依次完成：
定义模型参数：建筑的几何形状、材料属性等。
设置地震波输入：地震波的时程数据。
运行动态分析。
提取位移、速度和加速度数据。
输出分析结果并进行验证。
代码示例
下面作为一个基本的Python代码示例，请说明如何调用MSC Nastran的API来进行结构抗震分析。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义抗震分析函数
def analyze_structural_seismic_response(earthquake_data, building_model):
"""
分析建筑结构在不同地震波输入下的动态响应
:param earthquake_data: 地震波时程数据
:param building_model: 建筑模型文件路径
:return: 位移、速度和加速度数据
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model(building_model)
model.set_earthquake_data(earthquake_data)
# 运行动态分析
results = model.run_seismic_analysis()
# 提取位移、速度和加速度数据
displacements = results.get_displacements()
velocities = results.get_velocities()
accelerations = results.get_accelerations()
return displacements, velocities, accelerations
# 定义地震波时程数据
earthquake_data = np.loadtxt("earthquake_data.txt") # 读取地震波时程数据文件
building_model = "building_model.bdf" # 建筑模型文件路径
# 进行抗震分析
displacements, velocities, accelerations = analyze_structural_seismic_response(earthquake_data, building_model)
# 输出分析结果
print("位移数据:", displacements)
print("速度数据:", velocities)
print("加速度数据:", accelerations)描述
引入库：我们使用了Nastran API接口msc_nastran_api和numpy库以进行数值计算。
实现地震响应分析功能 ：该Python函数analyze_structural_seismic_response接收地震动时程曲线数据与建筑结构模型文件路径等信息作为输入，并配置模型参数设置后执行动态响应计算过程。该模块能够最终计算出结构的位移响应曲线、速度变化趋势以及加速度特征值等关键参数。
明确说明地震波时程数据的特征：地震动时间历程信息位于存储位置earthquake\_data.txt中；建筑模型文件路径为building\_model.bdf。
该结构的抗震性能评估采用了analyze_structural_seismic_response$函数。通过调用该函数来进行相应的计算
输出分析结果 ：分析完成后，输出位移、速度和加速度数据。
2. 高层建筑风荷载分析
背景
大型建筑物的风载研究是考察建筑物在风吹动下安全性的重要手段。
借助风载分析技术可以估算建筑物在各种变化的风吹动下反应情况。
保证达到预期目标，并且提高整体的安全性。
不仅关系到结构安全的问题，也会影响使用舒适度和使用寿命。
目标
本次实例旨在通过二次开发工作，在 MSC Nastran API 的支持下进行高层建筑的风荷载效应评估。具体而言，在不同组合工况下的风吹动响应分析将被系统地展开，并重点关注建筑的关键位移、应力分布以及应变状态。
方法
我们将开发一个自动化工具链，使用Python脚本集成 MSC.Nastran 的API以实现风荷载分析。该分析过程将详细说明以下几点：
定义模型参数：建筑的几何形状、材料属性等。
设置风荷载条件：风速、风向和风压系数。
运行动态分析。
提取位移、应力和应变数据。
输出分析结果并进行验证。
代码示例
下面是一个简明的Python代码范例，在演示如何调用MSC Nastran API进行高层建筑风荷载分析的过程中被使用。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义风荷载分析函数
def analyze_wind_load(wind_speed, wind_direction, wind_pressure_coefficient, building_model):
"""
分析高层建筑在不同风速和风向下的动态响应
:param wind_speed: 风速
:param wind_direction: 风向
:param wind_pressure_coefficient: 风压系数
:param building_model: 建筑模型文件路径
:return: 位移、应力和应变数据
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model(building_model)
model.set_wind_speed(wind_speed)
model.set_wind_direction(wind_direction)
model.set_wind_pressure_coefficient(wind_pressure_coefficient)
# 运行动态分析
results = model.run_wind_load_analysis()
# 提取位移、应力和应变数据
displacements = results.get_displacements()
stresses = results.get_stresses()
strains = results.get_strains()
return displacements, stresses, strains
# 定义风荷载条件
wind_speed = 50 # 单位：米/秒
wind_direction = 45 # 单位：度
wind_pressure_coefficient = 1.2 # 风压系数
building_model = "building_model.bdf" # 建筑模型文件路径
# 进行风荷载分析
displacements, stresses, strains = analyze_wind_load(wind_speed, wind_direction, wind_pressure_coefficient, building_model)
# 输出分析结果
print("位移数据:", displacements)
print("应力数据:", stresses)
print("应变数据:", strains)描述
引入库 ：我们引入了Nastran API接口及其相关的数学计算库用于数值计算。
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analyze_wind_load -
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保持了原有的技术术语
设定基本 wind load conditions：将基本 wind 速度设置为 50 m/s，并指定方向角设置在 45°；同时在本地区域范围内确定 wind pressure coefficient 值设置为 1.2；建筑模型文件路径位于代码块内 building_model.bdf。
进行风荷载分析 ：调用analyze_wind_load函数进行风荷载分析。
输出分析结果 ：分析完成后，输出位移、应力和应变数据。
3. 结构疲劳分析
背景
作为对建筑耐久性和安全性的关键评估手段，在工程领域中，结构疲劳分析发挥着不可替代的作用。利用 fatigue analysis这一工具，在面对 repeated loading scenarios时，工程师能够预判 structures' cumulative damage over time.
目标
本次实例旨在借助二次开发的方式，并调用 MSC Nastran 的API来进行建筑结构的疲劳分析。具体而言，在不同荷载循环下进行 fatigue assessment，并收集关键损伤累积的数据以辅助评估结果。
方法
我们将在Python脚本中调用 MSC Nastran 的API以完成结构疲劳分析。在分析过程中，我们分为以下几个步骤来执行。
定义模型参数：建筑的几何形状、材料属性等。
设置荷载条件：荷载循环的幅值和频率。
运行疲劳分析。
提取损伤累计数据。
输出分析结果并进行验证。
代码示例
下面是一个简明的Python脚本示例，请演示通过调用 MSC Nastran 的API来进行结构疲劳分析。
# 导入必要的库
import msc_nastran_api as mna
import numpy as np
# 定义疲劳分析函数
def analyze_fatigue(load_amplitude, load_frequency, material_properties, building_model):
"""
分析建筑结构在不同荷载循环下的疲劳损伤
:param load_amplitude: 荷载幅值
:param load_frequency: 荷载频率
:param material_properties: 材料属性
:param building_model: 建筑模型文件路径
:return: 损伤累计数据
"""
# 设置模型参数
model = mna.Model(building_model)
model.set_load_amplitude(load_amplitude)
model.set_load_frequency(load_frequency)
model.set_material_properties(material_properties)
# 运行疲劳分析
results = model.run_fatigue_analysis()
# 提取损伤累计数据
damage_cumulation = results.get_damage_cumulation()
return damage_cumulation
# 定义荷载条件和材料属性
load_amplitude = 1000 # 单位：牛顿
load_frequency = 10 # 单位：赫兹
material_properties = {
"youngs_modulus": 210e9, # 弹性模量，单位：帕斯卡
"poissons_ratio": 0.3, # 泊松比
"yield_strength": 250e6 # 屈服强度，单位：帕斯卡
}
building_model = "building_model.bdf" # 建筑模型文件路径
# 进行疲劳分析
damage_cumulation = analyze_fatigue(load_amplitude, load_frequency, material_properties, building_model)
# 输出分析结果
print("损伤累计数据:", damage_cumulation)描述
引入接口库：我们引入了ANSYS Mechanical求解器官方文档中的MSC Nastran API接口msc_nastran_api以及 numpy 数值计算接口
创建 fatigue 分析函数
设定与材料特性相关的参数：千牛级动态载荷作用强度、振动频率范围设定在1~15Hz之间以及涉及弹性参数、比值及强度指标三项基本参数已被纳入分析范畴。建筑模型文件路径指定为building\_model.bdf。
进行疲劳分析 ：调用analyze_fatigue函数进行疲劳分析。
输出分析结果 ：分析完成后，输出损伤累计数据。
总结
通过以上实例可以看出，在不同领域中 MSC Nastran 的 API 和脚本功能均发挥着重要作用。在航空航天行业中用于结构优化计算以及振动响应分析，在汽车制造领域则应用于碰撞仿真研究以及悬架系统动态响应分析，在建筑领域则涉及抗震性能评估以及风荷载效应分析等。这些实例不仅体现了如何利用 API 设置并运行仿真模型，并且也展示了如何有效提取和处理仿真数据以解决实际工程问题。
旨在通过这些实例来更好地帮助读者理解和应用MSC Nastran的二次开发功能，并进一步提升仿真分析的准确性和效率。