Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn NASTRAN

NASTRAN là gì ?

NASTRAN là một chương trình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sáng tạo và phát triển cho NASA vào cuối những năm 1960 dưới sự tài trợ của chính phủ Hoa Kỳ cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ. Tổng công ty MacNeal-Schwendler (MSC) là một trong những nhà phát triển chính và ban đầu của mã NASTRAN có sẵn công khai. Mã nguồn NASTRAN được tích hợp trong một số gói phần mềm khác nhau, được phân phối bởi một loạt các công ty.

Lịch sử:

Việc đánh giá thường niên năm 1964 về chương trình nghiên cứu động lực học cấu trúc của NASA cho thấy rằng các trung tâm nghiên cứu đã phát triển riêng phần mềm phân tích cấu trúc(xác định ảnh hưởng của tải trọng lên cấu trúc vật lý và thành phần của chúng. Các cấu trúc thuộc loại phân tích này bao gồm tất cả những gì phải chịu tải trọng, chẳng hạn như tòa nhà, cầu, phương tiện, đồ nội thất, trang phục, tầng đất, bộ phận giả và mô sinh học. Phân tích cấu trúc sử dụng các lĩnh vực cơ học ứng dụng, khoa học vật liệu và toán ứng dụng để tính toán các biến dạng của cấu trúc, nội lực, ứng suất, phản ứng hỗ trợ, tăng tốc và ổn định. Các kết quả phân tích được sử dụng để xác minh tập thể dục của một cấu trúc để sử dụng, thường loại trừ các thử nghiệm vật lý.) cụ thể cho nhu cầu riêng của họ. Bản đánh giá đề xuất nên sử dụng một chương trình phần mềm chung duy nhất thay thế. Vì thế nên một ủy ban đặc biệt được thành lập. Ủy ban đã xác định rằng không có phần mềm hiện có nào có thể đáp ứng các yêu cầu của họ. Họ đề nghị thiết lập một dự án hợp tác để phát triển phần mềm này và tạo ra một đặc điểm kỹ thuật nêu ra các khả năng cho phần mềm.

Computer Sciences Corporation (CSC) được chọn ký hợp đồng để phát triển phần mềm. Tên đầu tiên được sử dụng cho chương trình trong suốt quá trình phát triển của nó trong những năm 1960 là GPSA một từ viết tắt cho General Purpose Structural Analysis. Tên chính thức cuối cùng được NASA phê chuẩn là NASTRAN, là một từ viết tắt được hình thành NASA Structure Analysis. Phần mềm NASTRAN được phát hành cho NASA vào năm 1968. Vào cuối những năm 1960, Tổng công ty MacNeal-Schwendler (MSC) bắt đầu tiếp thị và hỗ trợ phiên bản NASTRAN của riêng mình, được gọi là MSC / NASTRAN (mà cuối cùng đã trở thành MSC.Nastran). Kiến trúc phần mềm ban đầu được phát triển bởi Joe Mule (NASA) và Gerald Sandler (NASA), và Stephen Burns (Đại học Rochester).

Ứng dụng phần mềm NASTRAN được viết để giúp thiết kế các phương tiện sử dụng trong không gian hiệu quả hơn như Tàu con thoi. NASTRAN được công bố vào năm 1971 bởi NASA’s Office of Technology Utilization. Việc sử dụng thương mại hóa NASTRAN đã giúp phân tích hành vi của các cấu trúc đàn hồi của bất kỳ kích thước, hình dạng hoặc mục đích nào. Ví dụ, ngành công nghiệp ô tô sử dụng chương trình để thiết kế hệ thống treo trước và liên kết lái. Nó cũng được sử dụng trong thiết kế đường ray xe lửa và xe hơi, cầu, nhà máy điện, tòa nhà chọc trời và máy bay. Chỉ riêng chương trình này đã tiết kiệm được 701 triệu đô la từ năm 1971 đến năm 1984. NASTRAN được giới thiệu vào U.S. Space Foundation’s Space Technology Hall of Fame năm 1988,là  một trong những phần mềm đầu tiên nhận được vinh dự danh giá này.

Chương trình NASTRAN đã phát triển qua nhiều phiên bản. Mỗi phiên bản mới đều có những cải tiến về khả năng phân tích và hiệu suất số. Ngày nay, NASTRAN được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và hàng hải. Nó đã được tuyên bố rằng NASTRAN sẽ là tiêu chuẩn ngành cho các loại phân tích cơ bản cho cấu trúc hàng không vũ trụ, ví dụ: phân tích tĩnh và động đàn hồi tuyến tính.

Năm 2001, NASA đã phát hành gói “NASA Classics” cũng là mã nguồn(Trong máy tính, mã nguồn là bất kỳ bộ mã nào, có thể là các nhận xét được viết bằng ngôn ngữ lập trình có thể đọc được, thường là văn bản thuần túy. Mã nguồn của một chương trình được thiết kế đặc biệt để tạo thuận lợi cho công việc của các lập trình viên máy tính, người chỉ định các hành động được thực hiện bởi một máy tính chủ yếu bằng cách viết mã nguồn. Mã nguồn thường được chuyển đổi bởi một trình biên dịch hoặc trình biên dịch thành mã máy nhị phân mà máy tính hiểu được. Mã máy sau đó có thể được lưu trữ để thực hiện sau này. Ngoài ra, mã nguồn có thể được diễn giải và do đó được thực thi ngay lập tức.)NASTRAN cho công chúng thông qua phần mềm Open Channel Software cho các khoản phí.

Vào tháng 11 năm 2002, MSC Software đã đạt được thỏa thuận cuối cùng với FTC để giải quyết vụ kiện chống độc quyền chống lại công ty liên quan đến hai vụ mua lại nhà cung cấp CAE đối thủ, Universal Analytics, Inc. (UAI) và Computerized Structural Analysis & Research Corp. (CSAR). FTC đã cáo buộc việc mua lại đại diện cho các hoạt động chống cạnh tranh. Theo các điều khoản của thỏa thuận giải quyết, MSC đã hủy bỏ bản sao của phần mềm Nastran hiện tại của mình. Việc thoái vốn đã thông qua các giấy phép miễn phí bản quyền, vĩnh viễn, không độc quyền cho UGS Corporation. Tập đoàn UGS đã được Siemens mua lại vào năm 2007.

Phiên bản thương mại của NASTRAN hiện có sẵn từ Phần mềm MSC (MSC Nastran), Phần mềm NEi (NEi Nastran) và Phần mềm PLM của Siemens (NX Nastran). [8] Siemens AG đã mua lại Công ty Cổ phần UGS cũ từ các mối quan tâm cổ phần tư nhân và quyền của họ đối với phiên bản thương mại của NX NASTRAN vào năm 2006. Autodesk đã mua phần mềm NEi vào tháng 5 năm 2014.

Kiến trúc phần mềm:

NASTRAN được viết chủ yếu trong FORTRAN và chứa hơn một triệu dòng mã. NASTRAN tương thích với nhiều loại máy tính và hệ điều hành khác nhau, từ các máy trạm nhỏ đến các siêu máy tính lớn nhất.

NASTRAN được thiết kế ngay từ đầu để bao gồm một số mô-đun. Một mô-đun là một tập hợp các chương trình con FORTRAN được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể – xử lý hình học mô hình, lắp ráp ma trận, áp dụng các ràng buộc, giải quyết các vấn đề ma trận, tính toán số lượng đầu ra, trò chuyện với cơ sở dữ liệu, in giải pháp, v.v. Các mô-đun được điều khiển bởi một ngôn ngữ nội bộ được gọi là Chương trình trừu tượng ma trận trực tiếp (DMAP).

Mỗi loại phân tích có sẵn được gọi là một chuỗi giải pháp.

Một số mã chuỗi giải pháp phổ biến nhất là:

101 – Tuyến tính tĩnh.

103 – Phương thức.

105 – Uốn.

106 – Phi tuyến tính tĩnh

107 – Giá trị đặc trưng trực tiếp phức tạp.

108 – Đáp ứng tần số trực tiếp.

109 – Phản hồi tức thời trực tiếp.

110 – Giá trị phức tạp của phương thức.

111 – Đáp ứng tần số phương thức.

112 – Phản hồi tạm thời theo phương thức.

129 – Phi tuyến tức thời.

144 – Phân tích Aeroelastic tĩnh

145 – Phân tích Flutter / Aeroservoelastic.

146 – Phân tích Aeroelastic động.

153 – Không tuyến tính tĩnh kết hợp với truyền nhiệt.

159 – Nonlinear Transient kết hợp với truyền nhiệt.

187 – Phương pháp phân tích thiết kế động.

200 – Phân tích độ nhạy và tối ưu hóa thiết kế.

400 – Không tuyến tính tĩnh và động (ẩn) (MSC.NASTRAN bản địa, thay thế 106, 129, 153 và 159 – một phần của MSC.NASTRAN).

600 – Non-Linear tĩnh và động (ẩn) (kết thúc trước MSC.Marc – một phần của MSC.NASTRAN).

601 – Implicit phi tuyến tính (ADINA for NX Nastran).

700 – Rõ ràng phi tuyến tính (LS Dyna cộng MSC.Dytran – một phần của MSC.NASTRAN).

701 – Hiện phi tuyến tính (ADINA cho NX Nastran).

Phần mềm liên kết:

NASTRAN chủ yếu là một mình giải quyết cho phân tích phần tử hữu hạn. Nó không có chức năng xây dựng đồ họa một mô hình hoặc chia lưới. Tất cả đầu vào và đầu ra cho chương trình đều ở dạng tệp văn bản. Tuy nhiên, nhiều nhà cung cấp phần mềm tiếp thị trước và sau xử lý được thiết kế để đơn giản hóa việc xây dựng một mô hình phần tử hữu hạn và phân tích kết quả. Những công cụ phần mềm này bao gồm chức năng nhập và đơn giản hóa hình học CAD, lưới với các phần tử hữu hạn, và áp dụng tải và hạn chế. Các công cụ cho phép người dùng gửi phân tích đến NASTRAN và nhập kết quả và hiển thị chúng theo đồ họa. Ngoài khả năng trước và sau xử lý, một số nhà cung cấp Nastran đã tích hợp các khả năng phi tuyến nâng cao hơn vào các sản phẩm Nastran của họ.

Các phầm mềm tùy chọn NASTRAN:

Các tùy chọn phần mềm sau, dựa trên mã nguồn gốc NASTRAN có sẵn:

+ MSC Nastran.

+ NASTRAN-xMG (được mua lại bởi MSC Software).

+ NEi Nastran (Phiên bản dựa trên PC / Linux của mã nguồn NASTRAN gốc).

+ NX Nastran (được mua lại bởi Siemens PLM Software tái thương hiệu cho Siemens NX (Unigraphics)).

+ Nastran được phân phối bởi Open Channel Foundation

MSC Nastran

MSC Nastran là sản phẩm Nastran thương mại được phát triển bởi Tiến sĩ Richard MacNeal vào năm 1963. MSC Nastran thường được sử dụng để thực hiện phân tích cấu trúc. Mặc dù được sử dụng trong mọi ngành, nó vẫn chuyên dụng cho phần lớn các ngành công nghiệp hàng không và ô tô để thực hiện tính toán ứng suất và phân tích biến dạng các mô hình cấu trúc cấp thành phần và hệ thống. Kể từ năm 1963, MSC Nastran đã tiếp tục phát triển và mở rộng khả năng động lực học, rotordynamics, phi tuyến, nhiệt, tác động cao, NVH, tương tác cấu trúc chất lỏng và phân tích mệt mỏi. Nó kết hợp với MSC Marc và LS-Dyna để cung cấp các giải pháp phân tích kết hợp phi tuyến cao.

NASTRAN-xMG

Được xây dựng từ cùng một mã cơ sở như phần mềm NASTRAN ban đầu được NASA tạo ra bao gồm kiến ​​trúc NASTRAN gốc và ngôn ngữ DMAP, NASTRAN-xMG cung cấp kích thước vấn đề không giới hạn, công nghệ giải mã tốc độ cao và các tùy chọn phân tích cấu trúc con. Người sáng lập chính của công ty là Tiến sĩ Richard H. MacNeal.

NEi Nastran

NEi Nastran là một giải pháp phân tích phần tử hữu hạn có mục đích chung và được sử dụng để phân tích các ứng suất, tính năng động và phi tuyến của các cấu trúc và các thành phần cơ khí. Nó có sẵn trên nhiều nền tảng bao gồm cả Windows và Linux 32/64-bit. Phần mềm này đã được Autodesk mua lại vào tháng 5 năm 2014.

NX Nastran

NX Nastran sinh ra từ việc FTC chống lại MSC Corporation vì bị cáo buộc là hoạt động độc quyền. Việc giải quyết chống độc quyền năm 2003 cho phép mua bản quyền miễn phí, vĩnh viễn cho mã nguồn MSC.Nastran 2001 của UGS. UGS trước đây là bộ phận Unigraphics của EDS. Khả năng CAE của Nastran đã được thêm vào CAD CAD của NX Unigraphics và các thành phần khác để tạo thành bộ quản lý vòng đời sản phẩm EDS / UGS PLM Solutions. Dòng sản phẩm này được SIEMENS mua lại vào năm 2007 và trở thành phần mềm SIEMENS PLM.

Việc mua bán vĩnh viễn, trên toàn thế giới, miễn phí tiền bản quyền, giấy phép không độc quyền của chương trình phần mềm MSC.Nastran v2001, các tài sản khác liên quan đến phần mềm, và tất cả các quyền tác giả và nhãn hiệu được mua lại nhờ việc mua lại MSC Universal Analytics Inc. Kết cấu Phân tích & Nghiên cứu Corp vào năm 1999.

NX Nastran hiện là một phần trong danh mục sản phẩm Simcenter 3D của Siemens PLM Software.

OCF Nastran

Cả hai bản sao nguồn và nhị phân của Nastran đều có sẵn từ Open Channel Foundationc()ho một khoản phí giấy phép hàng năm. Đây là một phần của phân phối Bộ sưu tập COSMIC của NASA từ Trung tâm Chuyển giao Công nghệ Quốc gia. Nó được xuất bản vào tháng 6 năm 2015 trên github, https://github.com/nasa/NASTRAN

Off-shoots

Sự thành công của NASTRAN đã dẫn đến sự phát triển của nhiều phần mềm hữu hạn khác. Một phần mềm là ASTROS đã mở rộng khả năng của NASTRAN để bao gồm tối ưu hóa cấu trúc. Hiện nay ASTROS được xác nhận bởi Zona Technology, Inc.

Sự cạnh tranh

Hiện nay có rất nhiều sản phẩm FEA thương mại sẵn có, một số trong số đó có thể đọc định dạng đầu vào NASTRAN mặc dù không mang tên NASTRAN. Nhiều trong số đó được liệt kê trong Danh sách các phần mềm phần mềm hữu hạn (Đây là danh sách các gói phần mềm thực hiện phương thức phần tử hữu hạn để giải các phương trình vi phân từng phần.), CAE và FEA.