NASTRAN常用单元介绍

Tim.Ding

2020年5月11日 10:49

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CBAR单元

CBAR单元的数据卡格式：

CBAR	EID	PID	GA	GB	X1	X2	X3
	PA	PB	W1A	W2A	W3A	W1B	W2B	W3B

CBAR单元的替代格式：

CBAR	EID	PID	GA	GB	G0
	PA	PB	W1A	W2A	W3A	W1B	W2B	W3B

说明：EID是单元编号；PID是单元属性PBAR属性卡片的编号；GA和GB是节点编号；X1，X2，X3为在GA坐标系中的方向矢量v的分量；G0是替代格式中用于确定方向矢量，从GA到G0就确定了方向矢量；PA和PB分别为在端点A和B处被释放的自由度，也就是在单元坐标系下被删除的连接自由度，在PBAR属性卡中要有被删除自由度的刚度值，W1A、W2A、W3A和W1B、W2B、W3B分别为在节点GA和GB的位移坐标系中的偏置矢量Wa和Wb。

CBAR单元坐标系示意图如下图所示，其中END A和END B确定单元坐标系的X_elem轴，方向矢量v和X_elem确定平面Plane（xy坐标面），用右手法则确定Plane2（xz坐标面），CBAR单元的端点偏置示意图如下图所示，如果使用替代格式来确定单元坐标系，如下图所示。

NASTRAN常用单元介绍的图1

自由度的释放可以用模型来表示，其中单元CBAR1和单元CBAR2之间用旋转铰链连接，这两个单元可以产生相对旋转。为模拟这种情况，只需在CBAR1单元的数据卡的PB处输入456，在CBAR2单元的数据卡的PA处输入456。CBAR单元的应力恢复点是在CBAR单元的yz横截面上通过指定应力恢复系数来确定，应力恢复系数点通过yz坐标Ci，Di，Ei和Fi来确定。

CBAR单元的属性

CBAR单元的属性卡片PBAR数据卡格式：

PBAR	PID	MID	A	I1	I2	J	NSM
	C1	C2	D1	D2	E1	E2	F1	F2
	K1	K2	I12

说明：PID是属性编号；MID是材料数据卡编号；A是横截面的面积；I1、I2、I12是横截面的惯性矩，I1=Izzelem，I2=Iyyelem，I12=Izyelem；J是扭转常数，J=Ixxelem；NSM是单位长度的非结构质量；Ci，Di，Ei，Fi是应力恢复系数点；K1，K2是剪切刚度系数；PBAR单元在Plane1和Plane2面内的单位长度剪切刚度分别为K1*A*G和K2*A*G，其中G为剪切模量，如果I12≠0，则K1和K2将被忽略，如果A=0，K1和K2必须为空。

CBEAM单元

CBEAM单元的数据卡格式：

CBEAM	EID	PID	GA	GB	X1	X2	X3
	PA	PB	W1A	W2A	W3A	W1B	W2B	W3B
	SA	SB

CBEAM单元的替代数据格式：

CBEAM	EID	PID	GA	GB	G0
	PA	PB	W1A	W2A	W3A	W1B	W2B	W3B
	SA	SB

说明：EID是单元编号；PID是PBEAM、PBCOMP或者PBEAML数据卡的编号；GA和GB是节点编号；X1，X2，X3为在GA坐标系中的方向矢量v的分量；G0是替代格式中用于确定方向矢量，从GA到G0就确定了方向矢量；BIT是p单元的横截面轴的内在扭转；PA和PB分别为在端点A和B处被释放的自由度，也就是在单元坐标系下被删除的连接自由度，在PBEAM属性卡中要有被删除自由度的刚度值，W1A、W2A、W3A和W1B、W2B、W3B分别为在节点GA和GB的位移坐标系中的偏置矢量Wa和Wb；SA和SB是节点或标量点编号，这些点的自由度计算挠度dθ/dx。

NASTRAN常用单元介绍的图2

同PBAR单元，END A和END B确定单元坐标系的X_elem轴，方向矢量v和X_elem确定平面Plane（xy坐标面），用右手法则确定Plane2（xz坐标面）。

CBEAM单元的属性

CBEAM的属性卡PBEAM的格式：

PBEAM	PID	MID	A(A)	I1(A)	I2(A)	I12(A)	J(A)	NSM(A)
	C1(A)	C2(A)	D1(A)	D2(A)	E1(A)	E2(A)	F1(A)	F2(A)
	SO	X/XB	A	I1	I2	I12	J	NSM
	C1	C2	D1	D2	E1	E2	F1	F2
	K1	K2	S1	S2	NSI(A)	NSI(B)	CW(A)	CW(B)
	M1(A)	M2(A)	M1(B)	M2(B)	N1(A)	N2(A)	N1(B)	N2(B)

说明：PID是属性编号；MID是材料数据卡编号；A(A)是端点A处横截面的面积；I1(A)、I2(A)、I12(A)是端点A处的横截面的惯性矩；J(A)是扭转常数；NSM是在端点A处单位长度的非结构质量；Ci(A)、Di(A)、Ei(A)、Fi(A)是在端点A处相对于剪切中心的应力恢复系数点；Ci、Di、Ei、Fi是应力恢复系数点；X/XB为在单元坐标系中距A的距离x，SO为YES、YESA或者NO，YES表示在Ci、Di、Ei、Fi计算应力恢复，YESA表示用于A端处相同的应力恢复系数点Ci(A)、Di(A)、Ei(A)、Fi(A)，NO表示不计算应力恢复；A表示在x处的横截面的面积；I1、I2、I12是在x处的横截面的惯性矩；J是在x处扭转常数；NSM是在x处单位长度的非结构质量；K1，K2是剪切刚度系数；在Plane1和Plane2面内的单位长度剪切刚度分别为K1*A*G和K2*A*G；S1，S2是剪切释放系数，是由不等截面造成的；NSI(A)，NSI(B)是在端点A和端点B关于非结构质量的质心单位长度的非结构质量惯性矩；CW(A)，CW(B)是在端点A和B处的挠屈系数；M1(A)、M2(A)、M1(B)、M2(B)为端点A和B处的非结构质量的质心坐标；N1(A)、N1(B)、N2(A)、N2(B)为在端点A和B处的中性轴的坐标。有关参数的意义如下：

NASTRAN常用单元介绍的图3

挠屈系数CW的意义如下式所示，其中G为剪切模量，E为弹性模量，m是单位长度上的扭转力矩，θ是任意横截面上的扭转角。

NASTRAN常用单元介绍的图4

另外A、I1、I2、I12、J和NSM在两端点之间或这两端点之间的内点之间进行线性插值，CW和NSI在两端点之间进行线性插值。

CROD单元

CROD单元连接两个节点，它的横截面积的属性不变，CROD单元只有拉压和扭转刚度。

CROD单元数据卡的格式：

CROD

EID

PID

说明：EID是CROD单元数据库的编号；PID是单元属性卡PROD的编号；G1和G2是节点的编号。

CROD的替代单元为CONROD单元，其不需要额外的属性卡。

CONROD单元数据卡的格式：

CONROD

EID

MID

NSM

说明：EID是CONROD数据卡的编号；G1和G2是节点的编号；MID是材料属性卡的编号；对应结构分析只选择MAT1，对于热分析可以使用MAT4或MAT5；A是杆单元的横截面的面积；J是扭转常数；C是扭转应力系数；NSM是单位长度非结构质量。

CROD单元的属性

CROD单元属性卡PROD的格式：

PROD

PID

MID

NSM

说明：PID是PROD属性卡的编号；MID是材料属性卡的编号，A是杆单元的横截面积；NSM是单位长度的非结构质量；J是扭转常数；C是扭转应力系数，扭转应力为：

NASTRAN常用单元介绍的图5

CTUBE单元

CTUBE单元受力和单元坐标系与CROD单元类似，不过它的横截面的属性用外直径和壁厚来定义。

CTUBE单元数据卡的格式：

CTUBE

EID

PID

说明：EID是CONROD数据卡的编号；PID是PTUBE属性卡的编号；G1和G2是节点的编号。

CTUBE单元的属性

CTUBE单元属性卡PTUBE的格式：

PTUBE

PID

MID

NSM

OD2

说明：PID是PTUBE数据卡的编号；MID是材料属性卡的编号；OD是管路的外直径（Outside Diameter）；T是管路的厚度；NSM是单位长度的非结构质量；OD2是在第二个节点（G2）处管路的外直径（仅用于热分析中），其有效的直径为：

NASTRAN常用单元介绍的图6

其中，D₁=OD，如果OD₂=0或者为空，D₂=OD，如果OD₂≠0，D₂=OD₂。

CBEND单元

CBEND单元连接两个节点，它的曲率是常值，并且横截面的属性不变，CBEND单元常用于模拟弯曲或者管路连接处的几何结构。CBEND单元有拉伸、扭转、弯曲和横向剪切特性。

NASTRAN常用单元介绍的图7

CBEND单元的数据卡格式：

CBEND

EID

PID

GEOM

CBEND单元数据卡的替代格式：

CBEND

EID

PID

GEOM

说明：EDI是CBEND数据卡的编号；PID是单元属性数据卡PBEND的编号；GA和GB是节点的编号；X1、X2和X3是从GA开始的矢量v的分量；GO是代替格式中确认矢量v的方向，v的方向是从GA到GO；GEOM取1~4之间的整数，用于确定单元弯曲的方向，1表示曲率中心为OA连线或其延长线上；2表示在端点A处的切线于AO连续平行，且AB弧于O点位置位于AB弦的同侧；3表示A、B和O三电确定的平面与单元弧所在的平面平行或者重合，并且O点和曲率中心位于AB弧的两侧，半径RB由属性卡片PBEND定义；4表示A、B和O三电确定的平面与单元弧所在的平面平行或者重合，并且O点和曲率中心位于AB弧的两侧，THETAB由属性卡片PBEND定义。

CBEND单元的属性

CBEND单元属性PBEND的数据卡格式：

PBEND	PID	MID	A	I1	I2	J	RB	THETAB
	C1	C2	D1	D2	E1	E2	F1	F2
	K1	K2	NSM	RC	ZC	DELTAN

PBEND属性卡的替代格式：

PBEND	PID	MID	FSI	RM	T	P	RB	THETAB
			NSM	RC	ZC

说明：

PID是PBEND数据卡的编号；MID是材料属性卡的编号；A是横截面的面积；I1和I2是平面1或者平面2 的惯性矩；J是扭转刚度；FSI是柔性和应力集中系数，可以1、2或者3、1表示平面1中的应力集中系数是均一的，平面2中的应力集中系数为：

NASTRAN常用单元介绍的图8

2表示ASME code Section III，NB-3687.2.，1977中的数据，3表示采用Welding Research Council Bulletin 179（by Dodge and Moore）的经验系数；RM是横截面的平均半径；T是管路的壁厚，如果设置为0，管路的横截面是实心，FSI必须设置为1；P是内壁压力；RB是质心线的弯曲半径；THETAB是弧的角度；Ci、Di、Ei和Fi是距离几何质心的应力恢复点的r、z坐标；K1和K2是剪切刚度系数，平面1和平面2内的剪切刚度分别为K1*A*G和K2*A*G；NSM是单位长度的非结构质量；RC和ZC是从节点GA到GB处几何质心的在R和Z方向的偏置；DELTAN是中性轴从几何质心处的偏置，正值表示偏向曲率中心。

PSHELL、PCOMP和PLPLANE属性

CQUAD4单元、CQUAD8单元、CTRIA3单元和CTRIA6单元都可以使用属性卡片PSHELL、PCOMP或者PLPLANE来定义其属性。

PSHELL单元属性卡定义壳单元的膜、弯曲、横向剪切和耦合属性，PSHELL单元卡的格式：

PSHELL	PID	MID1	T	MID2	12I/T³	MID3	TS/T	NSM
	Z1	Z2	MID4

说明：PID是PSHELL数据卡的编号；MID1是材料属性的编号；T是CQUAD4、CQUAD8、CTRIA3和CTRIA6单元的默认厚度；MID2是弯曲材料的属性卡片的编号；12I/T³是弯曲惯性矩的比率，即I与T³/12的比值，默认为1.0；MID3是横向剪切材料属性的编号；TS/T是横向剪切厚度比，是横向剪切厚度TS与膜厚T的比，默认值为0.833333；NSM是单位面积的非结构质量；Z1和Z2是计算应力的纤维距离；MID4是膜一弯曲耦合材料属性的编号。

PCOMP属性卡定义复合材料层合板的属性，PCOMP单元卡的格式：

PCOMP	PID	Z0	NSM	SB	FT	TREF	GE	LAM
	MID1	T1	THETA1	SOUT1	MID2	T2	THETA2	SOUT2
	MID3	T3	THETA3	SOUT3	-etc.-

说明：PID是PCOMP数据卡的编号；Z0是参考面到底面的距离；NSM是单位面积的非结构质量；SB是复合材料层间允许的剪切应力；FT是疲劳理论，可以选择HILL（Hill理论）、HOFF（Hoffman理论）、TSANI（Tsai-Wu理论）和STRAN（最大应变理论）；TREF是参考温度、默认值为0；GE是阻尼系数；LAM可以为空，表示需要指定所有复合材料的层合板和所有的刚度，LAM可以取SYM，表示层合板是对称的，只指定单元中心线一侧的层合板，层合板如果是奇数层，中间层厚度只指定一半，LAM可以取MEM，表示需要指定所有层合板，但只计算膜项（MAT1），LAM可以取BEND，表示需要指定所有层合板，但只计算弯曲项（MAT2）；MIDi是材料属性的编号，只能是MAT1、MAT2和MAT8。Ti是层合板的厚度；THETAi是层合板的纵向与材料轴的交角；SOULink是应力和应变输出请求，可以取YES或者NO，默认为No。

PLPLANE单元属性卡定义非线性超弹性平面应变或者轴对称单元的属性，PLPLANE单元卡的格式：

PLPLANE

PID

MID

CID

STR

说明：PID是PLPLANE数据卡的编号；MID是MATHP是数据卡的编号；CID是坐标系的编号，定义一个变形平面，超弹性平面应变单元必须在CID坐标系的xy平面内，轴对称超单元必须在基本坐标系的xy平面内；STR是应力和应变的输出位置，可以取GAUS和GRID，默认为GRID。

PSOLID和PLSOLID属性

CTETRA单元、CPENTA单元和CHEXA单元都可以使用PSOLID或者PLSOLID属性卡的定义。

PSOLID属性卡的格式：

PSOLID

PID

MID

CORDM

STRESS

ISOP

FCTN

说明：PID是PSOLID属性卡的编号；MID是材料属性卡的编号；CORDM是材料坐标系的编号；IN是积分网格，可以取BUBBLE、TWO或者THREE；STRESS是应力输出位置；ISOP是积分方法，可以取FULL，REDUCED或者空；FCTN可以取FLUID或着SMECH，默认为SMECH，FLUID表示实体单元是流体单元，SMECH表示实体单元是结构单元。

PLSOLID数据卡定义非线性实体单元的属性，其属性卡的格式：

PLSOLID

PID

MID

STR

说明：PID是PLSOLID属性卡的编号；MID是材料属性卡的编号；STR为应力和应力输出位置，可以取GAUS或者GRID，默认GRID。

RROD单元

RROD单元在平动的某个方向上自由度是刚性的，它可以约束两个节点的平动自由度，而不能约束旋转自由度。

RROD单元卡的格式：

RROD

EID

CMA

CMB

说明：EID是RROD数据卡的编号；GA和GB是RROD单元连接的两个节点的编号；CMA和CMB是平动自由度分量，只能取1、2或者3，分别表示沿着总体坐标系的X、Y和Z轴的平动，且只能在CMA和CMB中的一个输出整数，另外一个要留空白，输出数值的自由度是非独立自由度，留空的自由度是独立自由度。

RBAR单元

RBAR单元可以在两个节点的六个自由度方向上是刚性的，它可以约束两个节点1个~6个自由度。

RBAR单元卡的格式：

RBAR

EID

CNA

CNB

CMA

CMB

说明：EID是RRAR数据卡的编号；GA和GB是RROD单元连接的两个节点的编号；CNA和CNB是总体坐标系中在节点GA和GB处的独立自由度的分量，CNA和CNB自由度分量的个数的和必须为6；CMA和CMB是总体坐标系中在节点GA和GB处的非独立自由度的分量，如果CMA和CMB为空或者0，则CAN和CNB未指定的自由度将作为非独立自由度，一个节点的自由度作为非独立自由度在一个模型只能用一次，如果用多次会导致错误。

CBUSH单元

CBUSH单元弹簧—阻尼单元，它可以连接两个重合或者不重合的节点，还可以连接一个节点。

CBUSH单元卡的格式：

CBUSH	EID	PID	GA	GB	GO/X1	X2	X3	CID
	S	OCID	SI	S2	S3

说明：EID是CBUSH数据卡的编号；PID是PBUSH属性卡的编号；GA和GB是单元节点的编号；Xi是在GA坐标系中表示的单元方向向量v的分量；G0是节点的编号，即用从GA到G0的向量表示v；CID是单元坐标系的编号，如果为0表示用基本坐标系，CID优先于GO或者Xi确定的坐标系。如果GA 与GB不重合，指定了G0或者Si而没有指定CID，则单元坐标系的x轴从GA指向GB，v位于xy平面内。在这种情况下，在PBUSH属性卡中，只能指定K1和K4的值。如果GA和GB重合，则必须指定CID。S是弹簧-阻尼单元坐标系的位置，为0~1之间的数，默认值为0.5；OCID是单元偏置的坐标系；S是在OCID坐标系中表示的偏置量。

CBUSH单元的属性

PBUSH属性卡的格式：

PBUSH	PID	“K”	K1	K2	K3	K4	K5	K6
		“B”	B1	B2	B3	B4	B5	B6
		“GE”	GE1
		“RCV”	SA	ST	EA	ET

说明：PID是属性卡PBUSH的编号；K是标识符号，表示K1~K6是在单元坐标系中表示的刚度；B是标识符号，表示B1~B6是阻尼值；GE是标识符号，表示GE1是法向结构阻尼常数，RCV是标识符号，表示SA、ST、EA和ET表示应力恢复系数和应变恢复系数，SA表示三个平动分量应力恢复系数，ST表示三个旋转分量应力恢复系数，EA表示三个平动分量应变恢复系数，ET表示三个旋转应变恢复系数。

CGAP单元

CGAP单元可以模拟气隙或者单元之间的摩擦，常用于非线性分析中，也可用于线性分析中，但此时CGAP单元的刚度值是初始状态时的刚度。

CGAP单元卡格式：

CGAP

EID

PID

CID

CGAP单元卡的替代格式：

CGAP

EID

PID

CID

说明：EID是CGAP单元卡的编号；PID是PGAP属性卡的编号；GA和GB是CGAP单元关联的两个节点的编号；X1、X2和X3是在GA位移坐标系中表示的方向向量v的分量；G0是替代格式中从GA到G0中确定方向向量v对的分量；CID是在GA节点的单元坐标系的编号。

CGAP单元的属性

PCAP属性卡的格式：

PGAP	PID	U0	F0	KA	KB	KT	MU1	MU2
	TMAX	MAR	TRMIN

说明：PID是属性卡PGAP的编号；U0是初始间隙；F0是预载荷；KA是封闭间隙的刚度；KB是非封闭间隙的刚度；KT是封闭间隙的横向剪切刚度，一般KT≥0.1KA，默认值为MU1*KA；MU1是静态摩擦系数或者y向摩擦系数；MU2是动态摩擦系数或者z方向的摩擦系数；TMAX是最大的允许切入量；MAR是最大的调整率；TRMIN是最小的允许切入量，默认值为0.001。

补充：PGAP属性参数：