Nastran: NASA Structural Analysis
Nastran to potężny cyfrowy program do komputerowych analiz metodą elementów skończonych ogólnego przeznaczenia, służący do analiz strukturalnych małych, dużych oraz złożonych urządzeń i systemów. Nastran od dziesięcioleci jest sprawdzonym standardowym narzędziem w dziedzinie analiz strukturalnych. Zapewnia szeroki zakres możliwości modelowania i analiz, w tym statykę liniową, przemieszczenia, odkształcenia, naprężenia, wibracje, transfer ciepła i inne. Nastran obsługuje każdy rodzaj materiału od plastiku i metalu po kompozyty i materiały hiperelastyczne.
Nastran: 50 lat doświadczenia
Nastran – rys historyczny
Nastran został pierwotnie opracowany dla NASA pod koniec lat 60 XX wieku. Przypomnijmy, że w latach 1957-1975 trwał wyścig kosmiczny pomiędzy Stanami zjednoczonymi a ZSRR w eksploracji kosmosu. NASA w 1964 sporządziła coroczny raport, w którym wykazała, że ośrodki badawcze indywidualnie opracowywały oprogramowanie do analiz strukturalnych, dopasowane do ich potrzeb. W raporcie natomiast zalecano, aby używać jednego oprogramowania. W odpowiedzi na raport rząd Stanów Zjednoczonych zlecił opracowanie wspólnego ogólnego programu dla przemysłu lotniczego i kosmicznego, który inżynierowie mogliby używać do modelowania i analizowania różnych struktur lotniczych, w tym statków kosmicznych i samolotów. Kontrakt na opracowanie oprogramowania został przyznany firmie Computer Sciences Corporation (CSC).
Pierwszą nazwą użytą dla programu podczas jego rozwoju w latach 60 był GPSA, skrót od General Purpose Structural Analysis. Ostateczna formalna nazwa zatwierdzona przez NASA dla programu, NASTRAN, jest skrótem utworzonym ze słów NASA Structure Analysis . System NASTRAN został udostępniony NASA w 1968 roku. Pod koniec lat 60-tych firma MacNeal-Schwendler Corporation (MSC) zaczęła wprowadzać na rynek i wspierać własną wersję NASTRAN, zwaną MSC/NASTRAN (która ostatecznie przekształciła się w MSC.Nastran). Oryginalna architektura oprogramowania została opracowana przez Joe Mule (NASA) i Geralda Sandlera (NASA) oraz Stephena Burnsa (University of Rochester).
Wycinek z raportu o symulacjach i analizach panelu separacyjnego modułu serwisowego APOLLO 13
Komercyjne zastosowanie solwera Nastran
Komercyjne zastosowanie rozpoczęło się w 1971 roku, a pierwszym klientem w Niemczech był Daimler-Benz w 1972 roku. Nastran był szeroko stosowany na początku w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Ze względu na spadek cen sprzętu oprogramowanie było coraz częściej wykorzystywane w innych obszarach przemysłowych oraz na uczelniach. Dziś Nastran jest jednym z najczęściej używanych solwerów MES. Komercyjne wykorzystanie NASTRAN pomogło w analizie zachowania struktur elastycznych o dowolnym rozmiarze, kształcie i przeznaczeniu. Na przykład przemysł motoryzacyjny wykorzystuje program do projektowania układów przedniego zawieszenia i drążków kierowniczych. Wykorzystywany jest również przy projektowaniu torów i samochodów, mostów, elektrowni, drapaczy chmur i samolotów. Szacuje się, że sam program przyniósł 701 milionów dolarów oszczędności w latach 1971-1984. NASTRAN został wprowadzony do Galerii Sław Technologii Kosmicznych Amerykańskiej Fundacji Kosmicznej w 1988 roku.
Wycinek z raportu komisji APOLLO 13
Fragment artykułu NASA
W latach 80. i 90. oprócz MSC Nastran na rynku reprezentowane były również inne pochodne (UAI-Nastran, CSAR-Nastran). W związku z przejęciem tych konkurentów firma MSC Software stworzyła monopol. W związku z tym w 2002 roku MSC została zobowiązana przez amerykańską FTC (Federalna Komisja Handlu (ang. Federal Trade Commission, FTC) ) do udostępnienia Nastran konkurentom. Kod źródłowy, dokumentacja oraz prawa do stałego, wolnego od licencji użytkowania zostały przejęte przez ówczesny UGS i w 2003 roku powstała pierwsza wersja NX NASTRAN 1.0. UGS był wcześniej oddziałem Unigraphics firmy EDS tworząc pakiet zarządzania cyklem życia produktów EDS/UGS PLM Solutions. Ta linia produktów została przejęta przez firmę SIEMENS w 2007 roku i stała się oprogramowaniem SIEMENS PLM. W roku 2020 solwer NX Nastran zmienił nazwę na Simcenter Nastran zgodnie z rozwojem produktów do analiz inżynierskich w grupie Simcenter.
NX Nastran – pakiet (box) użytkownika
Nastran – moduły
NASTRAN od początku projektowany był z kilku modułów. Moduł jest zbiorem podprogramów FORTRAN zaprojektowanych do wykonania określonego zadania – przetwarzania geometrii modelu, składania macierzy, stosowania warunków brzegowych, rozwiązywania problemów macierzy, obliczania wartości końcowych, konwersacji z bazą danych, drukowania wyników i tak dalej. Moduły są kontrolowane przez wewnętrzny język zwany Direct Matrix Abstraction Program (DMAP).
Poniżej lista wybranych modułów do analiz:
- 101 – Linear Static
- 103 – Modal
- 105 – Buckling
- 106 – Non-Linear Static
- 107 – Direct Complex Eigenvalue
- 108 – Direct Frequency Response
- 109 – Direct Transient Response
- 110 – Modal Complex Eigenvalue
- 111 – Modal Frequency Response
- 112 – Modal Transient Response
- 129 – Nonlinear Transient
- 144 – Static Aeroelastic Analysis
- 145 – Flutter / Aeroservoelastic analysis
- 146 – Dynamic Aeroelastic Analysis
- 153 – Non-Linear static coupled with heat transfer
- 159 – Nonlinear Transient coupled with Heat transfer
- 187 – Dynamic Design Analysis Method
- 200 – Design Optimization and Sensitivity analysis
- 401 – Non-Linear Static, Dynamic, arc length, modal, etc.
- 402 – Non-Linear Static and Dynamic (implicit)
Simcenter Nastran – różne zagadnienia jeden solwer
Simcenter Nastran już w podstawowej wersji obejmuje solidny zestaw statyki liniowej, trybów normalnych, analizy wyboczenia, wymiany ciepła i podstawowych funkcji nieliniowych. Simcenter Nastran może odegrać kluczową rolę w procesie rozwoju produktu wirtualnego, dostarczając najczęściej używane rozwiązania CAE do cyfrowego prototypowania i symulacji wydajności funkcjonalnej produktu. Simcenter Nastran zapewnia dostęp do szerokiej biblioteki typów elementów skończonych i modeli materiałów, niezawodnej manipulacji przypadkami obciążeń, a także kilku wydajnych sekwencji rozwiązań dla statyki liniowej, analizy wyboczenia i trybów normalnych na modelach o nieograniczonej wielkości. Zdolność przenoszenia ciepła zapewnia rozwiązania dla analizy termicznej stanu ustalonego i nieustalonego oraz problemów projektowych.
Simcenter Nastran od wersji podstawowej umożliwia użytkownikom uwzględnianie w swoich analizach dużych odkształceń i materiałów nieliniowych. Simcenter Nastran zapewnia pełną gamę modeli materiałowych: izotropowe, ortotropowe, anizotropowe i zależne od temperatury. Pozwala również na łatwe łączenie (lub dodawanie) przypadków obciążeń na elementach jako obciążenia punktowe, liniowe i powierzchniowe; obciążenia przyłożone bezpośrednio do geometrii; obciążenia termiczne; wymuszona deformacja; kombinacje powyższych wymienionych typów.
Solwer Nastran jest stale rozwijany i udostępniany w większości produktów Simensa. Simcenter Nastran można spotkać m.in. w:
Simcenter Femap – niezależny od systemu CAD i bazujący na Windows, pre- i postprocesor do zaawansowanych obliczeń metodą elementów skończonych (MES). Umożliwia rozwiązywanie nawet najbardziej skomplikowanych zadań z łatwością i dużą dokładnością. Simcenter Femap to program, który umożliwia korzystanie z praktycznych funkcji w znacznym stopniu usprawniających pracę nad obliczeniami, modelami czy projektowaniem. Szeroką funkcjonalność użytkownicy programu zawdzięczają dostępowi do danych bazujących na geometrii oraz danych analitycznych. Oprogramowanie umożliwia dzięki temu efektywną pracę nad testowaniem komponentów i złożonych systemów. Szeroka gama dodatkowych modułów Simcenter Nastran pozwala stworzyć bardzo silny software, który można dostosować dla firm posiadających różne wymagania pod względem analizy. Funkcjonalne narzędzia wraz z niezawodnością oprogramowania Femap podnoszą efektywność pracy inżynierów, jednocześnie upraszczając wykonywanie skomplikowanych analiz i złożonych obliczeń.
Simcenter Femap
Simcenter 3D (dawniej NX CAE) to produkt bazujący na platformie NX, zapewniający szeroki wybór rozwiązań do wielozadaniowej symulacji opartej na metodzie elementów skończonych oraz zapewniający wszechstronne funkcje do przygotowywania modeli, rozwiązywania oraz przetwarzania końcowego. Środowisko Simcenter 3D jest w pełni zintegrowane ze środowiskiem NX CAD. Simcenter 3D to nowoczesne środowisko integrujące ze sobą różne dziedziny obliczeniowe, przeznaczone dla analityków, konstruktorów i projektantów, którzy muszą szybko dostarczać wysokiej jakości dane wspierające podejmowanie decyzji dotyczących tworzenia produktów. Simcenter 3D jako pierwszy na świecie program MES pozwala na korzystanie z modułów Simcenter Nastran w ramach tokenów, czyli nowego systemu licencjonowania zwanego Value Based Licensing, które umożliwiania w pełni wykorzystać wielozadaniowe środowisko symulacji.
Simcenter 3D (dawniej NX CAE)
Simcenter Nastran – dostępny jako samodzielny solwer korporacyjny. Simcenter Nastran pomaga producentom i dostawcom inżynieryjnym w lotnictwie, motoryzacji, elektronice, maszynach ciężkich, urządzeniach medycznych i innych branżach w zakresie ich krytycznych potrzeb obliczeniowych, dzięki czemu mogą produkować bezpieczne, niezawodne i zoptymalizowane projekty w coraz krótszych cyklach projektowania.
Simcenter Nastran
Nastran – czyli solver stworzony na potrzeby NASA 50 lat temu (1971 pierwsza wersja komercyjna). Od półwieku urządzenia są weryfikowane przez ten wspaniały i doceniony na świecie solver. Nie daj się wyprzedzić innym, zaufaj doświadczeniu i jeżeli potrzebujesz sprawdzonego rozwiązania to skontaktuj się z nami.
Na zakończenia: firma GM System powstała 2001 roku, czyli też obchodzi w tym roku jubileusz.
Źródła:
https://ntrs.nasa.gov/citations/20020087022
https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/
https://en.wikipedia.org/wiki/Nastran
http://me100.caltech.edu/history/nastran.htm
https://www.ithistory.org/db/software/siemens-plm-software/nx-nastran
Opracował: Michał Sroka