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Autodesk Nastran In-CAD 2015软件是一款应用范围非常广泛的有限元分析软件。该软件以插件的形式无缝集成到CAD产品中，使用了统一的界面和风格，还支持对模型的快速更改和重新分析，对设计效率的提高非常明显。另外，由于使用了十分强大的Nastran求解器，In-CAD能支持19种不同的分析类型，更关键的是具有可靠的计算精度。
Autodesk于2014年5月收购了位于美国威斯敏斯特的NEi Nastran公司的求解器，并于同年8月推出了基于Nastran求解器的有限元分析软件及与CAD产品集成的插件产品，包括：Autodesk Mechanical Simulation，Autodesk Nastran和Autodesk NastranIn-CAD，面向不同的用户群体，满足用户不同层次的分析需求。
本文介绍的重点是与CAD产品集成的Autodesk Nastran In-CAD产品。
一、Nastran介绍
Nastran是NASA STRucture Analysis的缩写，是美国NASA基于宇航工业的结构动力学研究计划要求，制定了相关开发方案，在1960年代开发的有限元软件。该系统1968年被美国宇航局发布，最终由NASA批准实施，用于设计航天运载工具和航天飞机。
据估算，该解决方案仅在1971～1984年期间为NASA节省了约7.01亿美元。在NASA美国太空总署创新性技术资料的记录里，Nastran为“人类载人太空飞行”贡献了超过百亿美元的价值。1988年，美国太空基金会将Nastran引入太空科技名人堂（Space Technology Hall of Fame），成为少数获此殊荣的先进技术之一。
二、Autodesk Nastran In-CAD概要
与Autodesk Inventor Professional提供的FEA工具相比，Autodesk Nastran In-CAD同样采用了嵌入式工作流，与CAD产品无缝集成，简化设计和分析流程。
（1）易于使用。Autodesk Nastran In-CAD可以直接嵌入到Inventor ○和SolidWorks ○中，集成的软件界面和工作流，一致的界面风格和操作方式，方便CAD用户使用。
（2）与模型数据关联。可直接在CAD软件内查模型数据，轻松更改模型，自动更新网格划分、载荷和接触等数据，而不必将数据导入导出，重复相应的条件设置。强大的CAD模型转换能力，避免了因模型导入不同FEA平台而产生的兼容问题，帮助用户快速了解设计迭代的应用情况，不需要每一个改动都重新创建设置。
Autodesk NastranIn-CAD采用了Nastran这一行业公认的通用有限元分析（FEA）平台，相比InventorProfessional，其有限元分析的求解范围和能力又提升到了一个新的高度。除了可用于分析结构和机械零部件的线性应力之外，还可以满足非线性应力、动力学和传热特性等分析。该求解器已通过NAFEAMS基准测试验证，每个版本都通过了5000多个测试问题的校验，并可以求解非线性、动力学和复合材料问题，而且支持第三方分析工具扩展专业化分析的能力。该求解器与Nastran兼容前处理器和后处理器一起使用，并且在求解时提供解决方案参数的实时结果和更新，帮助用户早期识别和修复模拟中的问题。
三、Autodesk Nastran In-CAD 求解能力介绍
1.网格划分
In-CAD自带的网格划分工具相当强大，能处理以下类型的网格划分问题：
（1）全局和局部控制都可以使用默认设置和自定义各种需要的网格单元尺寸，并用进度条显示网格化过程。
（2）可以对线、曲线、连续壳和自由面进行相应的网格划分。
（3）可以根据几何变动自动进行网格，加载和约束更新，各种单元网格能设置隐藏或显示位置、截面和网格本身等。
（4）能对壳和梁单元进行对称处理。
（5）网格失真检验有失真、雅可比行列式和扭曲三种方式。
（6）1D单元截面属性定义和单元自由度释放。
（7）1D、2D和3D网格混合划分。
（8）壳单元自由旋转。
（9）网格划分表格：可以非常直观地对全局和局部网格划分进行控制。
2.In-CAD求解能力
In-CAD的求解能力几乎全部继承了Nastran求解器的功能，其处理能力包括以下几个方面。
（1）线性静应力分析。
线性静应力分析是最常见的分析类型之一，是分析和求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法。静应力分析主要用于确定与机械零件和构件失效有关危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变（图1）。
（2）屈曲。
屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放（图2）。
（3）正则模态。
用于求解结构的自然频率和相应的振动模态，计算广义质量。正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。帮助设计人员发现并解决噪波噪声和振动问题（图3）。
（4）静态预应力模态。帮助工程师分析受初始应力影响的结构，并仿真初始应力状态对结构的位移、应力以及模式模态的影响。
（5）线性稳态热传递。
利用在稳态条件下传导，对流和热辐射的热传递基本原则进行分析，得到相应的热分布结果，工程师可检查平衡温度分布设计（图4）。
（6）复合材料。 能够预定义多种复合材料，甚至可以手动输入每一层的参数并根据多种破坏准则来评价复合材料结构安全性。包括最大应变/应力失效准则、蔡-吴（Tsai-Wu）准则、希尔、霍夫曼、NASA LaRCO，Puck PCP和MCT连续介质。用户可以根据实际分析项目的不同来选择不同类型的失效准则。
层单元支持各种静应力强度刚度、非线性、热耦合、稳定性和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果，根据这些结果可以判断结构是否失效破坏或满足设计要求（图5）。
（7）带接触的装配体分析。
超出分析单个部件的范畴。利用不同类型的接触交互（包括推拉滑动、摩擦和焊接接触类型）复杂建模，可实现对部件的真实仿真。
（8）热应力。
支持分析由材料的线膨胀系数、内应力、弹性模量与泊桑比随温度变化，从而引起的热载荷影响的结构（图6）。
（9）非线性静应力分析。
计算材料非线性、几何非线性和状态非线性等非线性结构和工况的计算。例如，大位移/旋转、大应变、塑性、超弹性和蠕变等。
（10）非线性稳态热传递。
分析在给定热载和边界条件下，结构中的温度或与温度相关的热特性的分布。计算结果包括节点的温度，约束的热载荷单元的温度梯度，节点的温度可进一步用于计算结构的响应。稳态非线性热传导分析在包括了稳态线性热传导的全部功能基础上，额外考虑非线性辐射与温度有关的热传导系数、热辐射和对流问题等（图7）。
（11）线性和非线性瞬态响应。
此功能主要用于仿真结构在一段时间内对恒定载荷或时间相关载荷（如脉冲载荷）影响的动力响应。分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。
（12）随机响应。
分析结构对在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应行为。例如，地震波、海洋波和涡轮发动机的噪声激励等。
（13）频率响应。
分析结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角（图8）。
（14）非线性瞬态热传递
解决随时间变化的变载荷和非线性热边界条件（如功率起伏波动）有关的热传递、放射率和吸收率问题等（图9）。
（15）自动冲击分析和跌落测试。
提供切实有效的冲击和跌落测试仿真。只需输入抛射速度、加速度和跌落高度等参数（图10）。
（16）高级非线性材料。
解算器捕获复杂非线性现象，例如塑性、超弹性以及形状记忆效应。这可以帮助分析人员对一系列材料建模，包括金属、形状记忆合金、橡胶以及软组织（图11）。
3.后处理
Autodesk Nastran In-CAD提供了丰富的后处理工具，帮助用户能够方便、准确地理解仿真结果。另外，计算结束后，保存相关文件，可以得到.nas后缀的文件，用户可以利用该文件直接导入到更加高端的有限元软件或者前后处理软件中，进行进一步的分析，对提高产品设计效率非常有帮助。可以导入该文件的软件有Autodesk Mechanical Simulation，Autodesk Nastran，Femap和Patran等。
四、结语
使用Autodesk Nastran In-CAD软件可以使用户在设计工作中，不仅拥有高端有限元软件的准确性，也有非常简单易用的使用界面和整合三维CAD的高效性。该软件为企业提高设计效率，节约设计成本提供了强有力的工具。
Autodesk于2014年5月收购了位于美国威斯敏斯特的NEi Nastran公司的求解器，并于同年8月推出了基于Nastran求解器的有限元分析软件及与CAD产品集成的插件产品，包括：Autodesk Mechanical Simulation，Autodesk Nastran和Autodesk NastranIn-CAD，面向不同的用户群体，满足用户不同层次的分析需求。
本文介绍的重点是与CAD产品集成的Autodesk Nastran In-CAD产品。
一、Nastran介绍
Nastran是NASA STRucture Analysis的缩写，是美国NASA基于宇航工业的结构动力学研究计划要求，制定了相关开发方案，在1960年代开发的有限元软件。该系统1968年被美国宇航局发布，最终由NASA批准实施，用于设计航天运载工具和航天飞机。
据估算，该解决方案仅在1971～1984年期间为NASA节省了约7.01亿美元。在NASA美国太空总署创新性技术资料的记录里，Nastran为“人类载人太空飞行”贡献了超过百亿美元的价值。1988年，美国太空基金会将Nastran引入太空科技名人堂（Space Technology Hall of Fame），成为少数获此殊荣的先进技术之一。
二、Autodesk Nastran In-CAD概要
与Autodesk Inventor Professional提供的FEA工具相比，Autodesk Nastran In-CAD同样采用了嵌入式工作流，与CAD产品无缝集成，简化设计和分析流程。
（1）易于使用。Autodesk Nastran In-CAD可以直接嵌入到Inventor ○和SolidWorks ○中，集成的软件界面和工作流，一致的界面风格和操作方式，方便CAD用户使用。
（2）与模型数据关联。可直接在CAD软件内查模型数据，轻松更改模型，自动更新网格划分、载荷和接触等数据，而不必将数据导入导出，重复相应的条件设置。强大的CAD模型转换能力，避免了因模型导入不同FEA平台而产生的兼容问题，帮助用户快速了解设计迭代的应用情况，不需要每一个改动都重新创建设置。
Autodesk NastranIn-CAD采用了Nastran这一行业公认的通用有限元分析（FEA）平台，相比InventorProfessional，其有限元分析的求解范围和能力又提升到了一个新的高度。除了可用于分析结构和机械零部件的线性应力之外，还可以满足非线性应力、动力学和传热特性等分析。该求解器已通过NAFEAMS基准测试验证，每个版本都通过了5000多个测试问题的校验，并可以求解非线性、动力学和复合材料问题，而且支持第三方分析工具扩展专业化分析的能力。该求解器与Nastran兼容前处理器和后处理器一起使用，并且在求解时提供解决方案参数的实时结果和更新，帮助用户早期识别和修复模拟中的问题。
三、Autodesk Nastran In-CAD 求解能力介绍
1.网格划分
In-CAD自带的网格划分工具相当强大，能处理以下类型的网格划分问题：
（1）全局和局部控制都可以使用默认设置和自定义各种需要的网格单元尺寸，并用进度条显示网格化过程。
（2）可以对线、曲线、连续壳和自由面进行相应的网格划分。
（3）可以根据几何变动自动进行网格，加载和约束更新，各种单元网格能设置隐藏或显示位置、截面和网格本身等。
（4）能对壳和梁单元进行对称处理。
（5）网格失真检验有失真、雅可比行列式和扭曲三种方式。
（6）1D单元截面属性定义和单元自由度释放。
（7）1D、2D和3D网格混合划分。
（8）壳单元自由旋转。
（9）网格划分表格：可以非常直观地对全局和局部网格划分进行控制。
2.In-CAD求解能力
In-CAD的求解能力几乎全部继承了Nastran求解器的功能，其处理能力包括以下几个方面。
（1）线性静应力分析。
线性静应力分析是最常见的分析类型之一，是分析和求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法。静应力分析主要用于确定与机械零件和构件失效有关危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变（图1）。
（2）屈曲。
屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，可以考虑固定的预载荷，也可使用惯性释放（图2）。
（3）正则模态。
用于求解结构的自然频率和相应的振动模态，计算广义质量。正则化模态节点位移，约束力和正则化的单元力及应力，并可同时考虑刚体模态。帮助设计人员发现并解决噪波噪声和振动问题（图3）。
（4）静态预应力模态。帮助工程师分析受初始应力影响的结构，并仿真初始应力状态对结构的位移、应力以及模式模态的影响。
（5）线性稳态热传递。
利用在稳态条件下传导，对流和热辐射的热传递基本原则进行分析，得到相应的热分布结果，工程师可检查平衡温度分布设计（图4）。
（6）复合材料。 能够预定义多种复合材料，甚至可以手动输入每一层的参数并根据多种破坏准则来评价复合材料结构安全性。包括最大应变/应力失效准则、蔡-吴（Tsai-Wu）准则、希尔、霍夫曼、NASA LaRCO，Puck PCP和MCT连续介质。用户可以根据实际分析项目的不同来选择不同类型的失效准则。
层单元支持各种静应力强度刚度、非线性、热耦合、稳定性和振动特性等结构分析。完成分析后，可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果，根据这些结果可以判断结构是否失效破坏或满足设计要求（图5）。
（7）带接触的装配体分析。
超出分析单个部件的范畴。利用不同类型的接触交互（包括推拉滑动、摩擦和焊接接触类型）复杂建模，可实现对部件的真实仿真。
（8）热应力。
支持分析由材料的线膨胀系数、内应力、弹性模量与泊桑比随温度变化，从而引起的热载荷影响的结构（图6）。
（9）非线性静应力分析。
计算材料非线性、几何非线性和状态非线性等非线性结构和工况的计算。例如，大位移/旋转、大应变、塑性、超弹性和蠕变等。
（10）非线性稳态热传递。
分析在给定热载和边界条件下，结构中的温度或与温度相关的热特性的分布。计算结果包括节点的温度，约束的热载荷单元的温度梯度，节点的温度可进一步用于计算结构的响应。稳态非线性热传导分析在包括了稳态线性热传导的全部功能基础上，额外考虑非线性辐射与温度有关的热传导系数、热辐射和对流问题等（图7）。
（11）线性和非线性瞬态响应。
此功能主要用于仿真结构在一段时间内对恒定载荷或时间相关载荷（如脉冲载荷）影响的动力响应。分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑刚体位移作用。
（12）随机响应。
分析结构对在某种统计规律分布的载荷作用下的随机响应行为。例如，地震波、海洋波和涡轮发动机的噪声激励等。
（13）频率响应。
分析结构在周期振荡载荷作用下对每一个计算频率的动响应。计算结果分实部和虚部两部分。实部代表响应的幅度，虚部代表响应的相角（图8）。
（14）非线性瞬态热传递
解决随时间变化的变载荷和非线性热边界条件（如功率起伏波动）有关的热传递、放射率和吸收率问题等（图9）。
（15）自动冲击分析和跌落测试。
提供切实有效的冲击和跌落测试仿真。只需输入抛射速度、加速度和跌落高度等参数（图10）。
（16）高级非线性材料。
解算器捕获复杂非线性现象，例如塑性、超弹性以及形状记忆效应。这可以帮助分析人员对一系列材料建模，包括金属、形状记忆合金、橡胶以及软组织（图11）。
3.后处理
Autodesk Nastran In-CAD提供了丰富的后处理工具，帮助用户能够方便、准确地理解仿真结果。另外，计算结束后，保存相关文件，可以得到.nas后缀的文件，用户可以利用该文件直接导入到更加高端的有限元软件或者前后处理软件中，进行进一步的分析，对提高产品设计效率非常有帮助。可以导入该文件的软件有Autodesk Mechanical Simulation，Autodesk Nastran，Femap和Patran等。
四、结语
使用Autodesk Nastran In-CAD软件可以使用户在设计工作中，不仅拥有高端有限元软件的准确性，也有非常简单易用的使用界面和整合三维CAD的高效性。该软件为企业提高设计效率，节约设计成本提供了强有力的工具。