Mechatronics 版 (精华区)

发信人: hzy (puma), 信区: Mechatronics
标  题: 结构计算、辅助设计类软件简介（III） 
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年05月25日14:48:32 星期六), 站内信件

7、MSC.Dytran 简介
无双的实力 历经工程考验的非线性动力学仿真技术
MSC.DYTRAN是MSC公司的核心产品之一，MSC.DYTRAN专门适于应用在需要考虑产品与环境
之间或产品内部的高速非线性动力特性的产品设计、制造和运行环节中，通过仿真了解
产品性能，优化产品设计。MSC.DYTRAN将无可比拟的非线性动力响应仿真技术，带到广
泛的产品设计和制造部门，无论是对汽车、军事、航空航天、造船、电子领域，还是土
建、冶金和消费品行业，都因此获益匪浅。
一、MSC.DYTRAN开发历史
MSC.DYTRAN以无可争辩的实力，赢得世界顶尖高度非线性、流-固耦合、瞬态动力响应仿
真软件的地位。了解MSC.DYTRAN的开发历史，更能够理解MSC.DYTRAN在同类软件中独特
之处。
MSC.DYTRAN的第一个商业版本发布于1991年，是集MSC公司两个核心软件MSC.DYNA和MSC
.PISCES之大成，开高度非线性、流体-结构耦合、瞬态动力响应仿真商用软件之先河的
领先产品。
MSC.DYNA是在著名结构瞬态动力响应软件LS-DYNA 3D框架下，经过MSC公司全面更新后，
在1988年正式发布的非线性结构动力学仿真软件。MSC.DYNA继承了LS-DYNA 3D优异的快
速显式积分算法和丰富的材料模式，被广泛用于分析各种非线性瞬态响应，如高速撞击
、接触摩擦、冲压成型等。但是，仍然有大量的工程问题不是单一的结构分析所能解决
的，对流体的影响甚至流体-结构相互作用的关心变得更为重要。MSC公司对这种需求的
回应就是在MSC.DYNA中增加高级的流体动力学分析能力，为此MSC公司看中著名的荷兰P
ISCES INTERNATIONAL公司开发的高级流体动力学和流体-结构相互作用仿真软件PICSES
。当时的PISCES软件在国防、航空航天、核安全、汽车、石化、土木等领域广泛应用。
特别是在国防行业，PISCES成功地用于冲击、穿甲、爆炸（水下爆炸）等军事工程分析
，其卓越品质和功效，早已成为不争的事实。MSC于1990年收购PISCES公司，随后更新P
ICSES以MSC.PICSES产品发布。
MSC.DYTRAN的问世堪称MSC.DYNA和MSC.PICSES强强联合，优势互补的成功佳作。这两者
严密整合、推陈出新的产品除了具备所有原有优势外，还因MSC公司在MSC.PISCES的欧拉
模式算法基础上,自行开发了先进的物质流动算法和流固耦合算法,使得MSC.DYTRAN成为
全球第一个能够用完全耦合的方法模拟复杂的流体-结构相互作用的大型商用软件。作为
MSC产品家族的后起之秀，MSC.DYTRAN在单元库、数据结构、前后处理等方面与MSC的王
牌产品MSC.NASTRAN取得了全面一致。
在1994年MSC公司收购了当时全球第二大CAE厂商PDA Engineering公司后,MSC.PATRAN成
为MSC公司产品的前后处理框架系统。MSC所有的求解器产品，都以MSC.PATRAN为界面。
MSC同样为MSC.DYTRAN开发了MSC.PATRAN 与MSC.DYTRAN的界面接口, 全新、方便、快捷
的MSC.PATRAN前后处理器,使得MSC.DYTRAN向领导CAE自动化迈进了一大步。
在MSC.DYTRAN问世的十余年中，历经无数航空、航天、汽车、铁路、国防、核工业等领
域科研和工程项目考验，在全球用户中有口皆碑。以美国军方近年CAE选型过程对包括M
SC.DYTRAN在内的三个同类软件的评测为例，可窥一斑。该项评测基于两类原则：软件功
能的最小可接受原则；考虑用户目前尚不需要的额外功能和特色的理想原则。评测内容
包括技术特色和非技术特色两大类，采用加权平均的评估算法，获得最后评测报告。就
技术而言，MSC.DYTRAN在材料非线性、几何非线性、接触和材料模型及损伤模拟、材料
模型扩展能力、软件可扩充性、流体-结构相互作用和高级复合材料模拟等诸多方面获得
最高分数。非技术的考核结果表明，MSC.DYTRAN软件运行速度非常有效，极好的不同硬
件平台数据兼容性、行业接受度和友好的用户界面、充足的软件文档资料，和前后处理
的协调一致。这一项MSC.DYTRAN也获最高分。此外，对三个软件考核分析与实验结果的
可对比性，MSC.DYTRAN以最小的分析误差获胜。经受如此正规和严厉考验的MSC.DYTRAN
因此成为深得美国军方信任的非线性瞬态动力分析软件，得到全面应用。
MSC.DYTRAN应用范围
MSC.DYTRAN是具有快速模拟瞬态高度非性结构、气体/液体流动、流体-结构相互作用的
大型商用软件。采用高效的显式积分技术，支持广泛的材料模型和高度组合非线性分析
及流体-结构的全耦合。尤其擅长对高速碰撞、结构大变形和瞬时内发生的流体结构相互
作用事件的仿真。广泛应用于：
爆炸与冲击，如水下爆炸、地下爆炸、容器中爆炸对结构的影响及破坏、爆炸成形、爆
炸分离、爆炸容器的设计优化分析、爆炸对建筑物等设施结构的破坏分析、聚能炸药的
能量聚焦设计分析、战斗部结构的设计分析；
水下/空中弹体发射过程，火炮制推器模拟动态仿真
高速、超高速穿甲，如飞弹打击或穿透靶体(单个或复合靶体)及侵彻过程等问题
结构的适撞性分析，如汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析、船体搁浅、鸟
体撞击飞机结构、航空发动机包容性分析等；
金属弹塑性大变形成形，如钣金冲压成形、喷丸成型、全三维锻造成形等
跌落试验，如各种物体（武器弹药、化工产品、仪器设备、电器如遥控器、手机、电视
机等）的跌落过程仿真
流体动力分析，如液体、气体的流动分析、液体晃动分析，水上迫降
安全防护分析，如安全头盔设计、安全气袋膨胀分析以及汽车～气袋～人体三者结合在
汽车碰撞过程中的响应，飞行器安全性分析（飞行器坠毁、气囊着陆等）
轮胎在积水路面排水性和动平衡分析
高速列车行驶的轮轨动力学，高速列车穿隧道的冲击波响应，车辆过桥的动态响应等 及
其它瞬态高速过程仿真。
为什么选择MSC.DYTRAN
用户选择软件时会从软件品质、是否满足需求等方面择优。软件品质的优劣涉及到正确
性（精度）、可靠性（经过测试认证）、相溶性（与CAD或其他CAE软件及界面的整合能
力）、灵活性（易于客户化）、可用性（界面友好、易学习）及效率（对计算机资源和
时间的占用降到最低）等诸多因素。而客户在考虑需求时需要兼顾近期需求和长远目标
、软件的最小可用性和理想可用性。综合上述因素得到的CAE选型结果，才是赢得最大商
业利益的正确投资。
对需要模拟产品的高速非线性动力特性的用户来说，MSC.DYTRAN具有以下诸方面的品质
优势：
易于建模：MSC.DYTRAN与MSC.PATRAN完全集成，利用MSC.PATRAN与各类CAD软件的强大接
口可访问各类CAD软件，能够方便获得分析的几何模型。而MSC.DYTRAN与MCAE标准的MSC
.NASTRAN一致的数据格式，又使得绝大多数的第三方软件也能生成MSC.DYTRAN所需的输
入数据格式。MSC.DYTRAN的强大集成特性，有助于减少在数据转化和传递过程的无畏花
费。
经过考验的分析求解：MSC.DYTRAN的瞬态非线性动力分析提供的结构和材料流动分析、
流体-结构耦合功能，经历无数考验，是最有资格完成复杂的瞬态非线性动力响应仿真工
具。
结构分析能力：MSC.DYTRAN利用MSC先进的显式算法求解技术分析结构动力响应。它包括
完整的单元类型和大量的材料模型，范围从金属、复合材料到塑料和泡沫。提供极度大
变形和结构失效分析功能，以及模拟结构之间或结构本身通过接触传递的复杂相互作用
。
材料流动的欧拉描述：MSC对材料流动的模拟采用经典的欧拉技术，网格固定在空中不动
且不产生变形。材料只是从一个单元流动到另一个单元，避免了材料大变形所带来地单
元畸变。MSC.DYTRAN的欧拉格式适于结构、气体和流体分析，正是基于这种格式，使MS
C.DYTRAN的分析能够扩展到复杂的冲击和穿透问题。
精确的流体-结构耦合：MSC.DYTRAN将纯结构的有限元技术和纯流动的欧拉有限体积技术
结合，提供独特的功能完成精确的流体-结构耦合模拟，解决大量复杂的实际流体-结构
耦合工程问题，而对这类工程问题，那些只有结构分析能力或单有欧拉格式的流体模拟
功能的软件是无能为力的。
快速有效的分析：MSC.DYTRAN融入了最新的MCAE技术，确保分析过程的快速完成，对产
品实际设计过程提供及时的分析依据。MSC.DYTRAN分析时间的缩短依靠先进的数值方法
和省力的建模工具，工程师和分析专家不必花太多时间等候分析结果，而将注意力放在
对设计的改进上。MSC.DYTRAN的每个版本发布之前都要经过实际工程问题考核，确保在
解决实际问题时具有满意的性能和精度。
应用领域多样性：从航空航天和汽车碰撞到船舶触礁，从气囊开发到爆炸分析，从冲击
穿透到轮胎排水性模拟，MSC.DYTRAN所能伸展到的应用领域覆盖国防、航空航天、汽车
、船舶、核能、土木、石化、冶金等各个工业部门的产品设计、开发和运行维护。这种
强大的适用性和灵活性使MSC.DYTRAN在MSC对各行业产品设计的MCAE解决方案中，通常成
为必选软件之一。
灵活性和易于客户化：MSC.DYTRAN能够在从UNIX工作站到PC机的广泛硬件平台上运行。
在MSC.PATRAN的PCL开发语言和开发环境支持下，易于实现客户化，满足客户的特殊需求
。
MSC.DYTRAN的专业化服务：MSC在提供软件同时，还奉献一流专业化服务。对商家选择M
SC公司和MSC.DYTRAN所注入的投资，MSC以对产品开发的MCAE战略、软件工具和专业化服
务的一揽子解决方案来回聩。MSC售出一流软件后，再以高水平专业化的技术支持、软件
培训、详尽文档资料和咨询服务配合跟进，确保用户花在MCAE上的投资物有所值，回报
丰厚。
二、 MSC.DYTRAN理论背景
支持MSC.DYTRAN强大的瞬态动力、流体-结构耦合分析功能的基础，是MSC.DYTRAN极具特
色的先进算法。MSC.DYTRAN的算法基本上可以概况为：MSC.DYTRAN采用基于Lagrange格
式的有限单元方法（FEM）模拟结构的变形和应力，用基于纯Euler格式的有限体积方法
（FVM）描述材料（包括气体和液体）流动，对通过流体与固体界面传递相互作用的流体
-结构耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和纯Euler格式的有限单元与有限体积技
术，完成全耦合的流体-结构相互作用模拟。由于MSC.DYTRAN集中于模拟瞬间事件，采用
快速准确的显式时间积分格式，模拟短暂瞬态过程中质量惯性和各类阻尼的影响。
Lagrange格式的有限单元技术（FEM）和Euler格式有限体积技术（FVM）并存任何力学系
统都是由无数质点构成的，而不同质点占有各不相同的空间坐标。有两种定义空间坐标
的方法，即Lagrange方法和Euler方法。
Lagrange方法是把坐标原点固定在系统的某个质点上。当系统的位形发生改变时，坐标
也跟着一起移动。Euler方法则将坐标固定在空间。设想在马路上车来车往，如果将坐标
原点固定在其中一辆行进的车上，从这辆车上观察其他车辆相对于这辆车的运动，这就
是Lagrange方法；若坐标原点设在交警的指挥台上，那么所观察到的不是各车辆的相对
运动，而是指挥台周围车辆流动的变化情况，这就是Euler方法。固体力学关心的是每个
质点的移动、质点之间的相对位移及质点因之受的力，而流体力学则关心空间某处的流
动情况，所以Lagrange方法常用于结构分析，而Euler方法则用于流体力学问题。
物理场问题的数值仿真通常在所选定的空间坐标系下，将连续区域离散成单元和节点信
息的有限单元或有限体积法，来近似描述连续的物理场。 模拟瞬态内位移和速度场变化
的非线性动力分析软件MSC.DYTRAN，提供了两类参考坐标系定义，即Lagrange格式和Eu
ler格式。在描述结构时采用基于Lagrange格式的有限元法（FEM），对流体采用基于Eu
ler格式有限体积法（FVM）。MSC.DYTRAN可以允许单独地使用这两类方法，也可以将二
者同时结合使用，并且支持将Lagrange网格和Euler网格耦合在一起，用来处理流体-结
构相互作用问题。
当使用Lagrange方法时,单元的质量不变，节点在物体上的位置固定不动。物体单元由节
点连接构成,物体变形时,节点随物体在空间移动,单元亦发生相应的变形,而单元的质量
保持不变。Lagrange方法通常用于解决常质量单元即Lagrange单元的变形问题, 它可以
精确地描述位移、变形、应力等。这种方法适用于结构的力学分析,通过单元的行为仿真
物体的运动，并为大多数结构分析有限元程序所采用。
基于有限体积的Euler方法主要用于流体和材料大变形问题,Euler单元的体积是不变的,
单元由节点连接构成,节点在空间上固定不动。Euler网格是一个固定的参考框架,物体的
材料在分析过程中可以在网格中流动,并且材料的质量、动量和能量也随之从一个单元流
到另一个单元。因此在划分单元时,Euler网格的范围必须包含材料的所有可能流动区域
。从这个意义上讲，Euler网格就像一个容器，除非特别定义，材料是不能流出该网格系
统，MSC.DYTRAN中Euler网格可以定义成任意形状，这比一般采用Euler方法的流体软件
所苛求的长方体网格要灵活得多。Euler单元中可以定义空单元(void)、单一材料、多重
材料，可以考虑剪切强度的材料或只考虑静水压力的流体材料。MSC.DYTRAN这种功能强
大的基于有限体积离散的Euler法，非常适于精确模拟气体、流体的流动和固体结构的极
端大变形问题,完全避免了用有限单元技术和Lagrange方法难于处理又无法回避的三维网
格的重划分和自由液面跟踪问题。
采用显式时间积分方法，在用数值方法求解动力平衡方程时，通常可以采用模态叠加法
或直接积分法。所谓直接积分法是指在数值积分之前，毋需将原有的方程加以变换。直
接积分法又分为显式和隐式，有条件稳定和无条件稳定等方法。例如在四种常用的直接
积分法中，中心差分法是显式的和有条件稳定的；Houbolt方法是隐式的和无条件稳定的
；Wilson-法和Newmark方法是隐式和有条件稳定的。MSC.DYTRAN采用的是中心差分法。

隐式方法：对大多数有限元程序采用隐式时间积分法求解动力问题。
显式积分法
两种方法的比较
隐式时间积分法可以是条件稳定和无条件稳定，积分时间步长只与结构的固有频率有关
。而显式积分法是条件稳定的，其时间积分步长必须取很小，与隐式时间积分法相比,显
式法要求的积分时间步长要小得多,而隐式法则要对刚度矩阵进行多次分解和迭代。
对高度非线性问题，采用高效的算法是十分必要的。由此可见,对于解决瞬态、高度材料
非线性、高度几何非线性、模型规模较大的问题,采用显式方法较隐式法要优越得多。M
SC.DYTRAN提供了一种质量因子法（mass scale）增大时间步长，提高解题效率。MSC.D
YTRAN的时间积分方法是一种非常优秀的非线性动态解题方法，有效性和计算精度已被许
多考题和实际应用算例所测试和验证。MSC.DYTRAN采用这种方法解决了大量隐式法难于
解决的问题，例如冲压成形中的皱褶、轮-轨接触、结构高速撞击、核管道甩动、液体晃
动等问题。
有限体积方法(FVM)
MSC.DYTRAN的Euler格式通过有限体积法离散实施。这种方法的网格节点固定在空间不动
即节点无自由度，物质材料在恒定的体积内从一个单元流动到另一个单元,在求解过程中
同时满足物质在有限体积内的质量守恒、动量守恒、能量守恒、状态方程和本构关系,
MSC.DYTRAN的这种有限体积法模拟物质流动与传统的基于有限单元法模拟的物质流动相
比，具有极大优势，能够根据质量流动和密度而非单元来边界模拟自由面和流体-结构交
界面运动以及材料的拉断。并且MSC.DYTRAN的Euler网格可以是任意形状的六面体网，保
证精确建立流体的几何模型。用MSC.DYTRAN的带强度的Euler有限体积技术模拟结构材料
的流动（如体积成型），避免了用Lagrange格式无法回避而又非常棘手的三维网格的重
划分。
MSC.DYTRAN用有限体积法跟踪物质的流动的强大流体功能，可有效解决大变形和极度大
变形问题，如：液压传动分析,液体晃动,爆炸分析,高速穿甲和三维锻造成型等问题。
流体-结构的耦合解法
在众多的商业有限元分析软件中,MSC.DYTRAN是唯一提供精确的或称完全的流固耦合功能
的软件。通常的软件在处理流体-结构相互作用问题时,将流体产生的力作为"预先确定"
的载荷作用到结构上进行分析,而MSC.DYTRAN则不然,它是通过直接耦合结构网格(Lagra
nge网格)和流体材料网格(Euler网格)间的响应自动地、精确地算出每一时间步流－固界
面处的物理性质,在这个过程中,一方面,Euler材料流动引起的压力载荷通过耦合算法自
动作用到结构的有限元网格上,在这种压力作用下,结构的有限元网格将发生变形,结构的
变形也反过来影响Euler材料的流动和压力值,这种结构变形和流体载荷间的相互影响使
得我们可以得到完全耦合的流体-结构响应。
MSC.DYTRAN根据不同分析问题需要，提供五种处理流－固耦合分析方法：
l 普通耦合法(General Coupling),对这种算法，首先，必须在结构的外部定义一封闭的
耦合面（Coupling Surface），用于传递两种解算器之间的力，此耦合面对Euler网格来
说是一种流动边界，材料在Euler网格中流动产生的压力通过耦合面传递到结构上，使结
构发生变形。普通耦合法适用于所有的流－固耦合问题。如安全气囊的膨胀过程、子弹
穿甲过程、炸弹爆炸分析等。
2 快速耦合法（Fast General Coupling）,要求Euler网格法向与总体坐标系平行，此方
法大大加快耦合算法的计算效率。可用于带强度的单材料欧拉法, 流体单材料欧拉法, 
多材料欧拉法及Roe法。
3 考虑失效的多重耦合面法，这种方法是将快速耦合法与Reo算法相结合，定义多个考虑
失效的耦合面，对于每一个耦合面，Euler网格法向与总体坐标系平行。
4 ALE法(Arbitrary Lagrange Euler)。用ALE法,只需在流固界面处定义一ALE面，Eule
r网格可以随着结构的变形而移动,因不需要每步对ALE面进行检查，它是一种求解效率较
高的方法,这种方法的典型应用是鸟体碰撞飞机结构的过程、液体晃动等分析。
5 全Euler方法。MSC.DYTRAN允许将两种以上的Euler网格耦合，来处理流体与流体、或
流体与结构、甚至结构与结构系统在高速碰撞、爆炸、穿透过程中的材料流动。这种基
于有限体积的Euler-Euler耦合技术，特别适于定量描述瞬态过程中复杂的材料剥离、拉
断和飞溅现象。
三、 MSC.DYTRAN基本功能
MSC.DYTRAN是一个有着通用目的和广泛用途的非线性动态三维有限元分析软件包。它采
用高效的显式时间积分技术，能模拟多种材料和几何的高度非线性问题。尤其在模拟高
速碰撞、结构和零部件的大变形、液气体流动、流固耦合等方面，MSC.DYTRAN的能力是
独一无二的。
完整的单元库
MSC.DYTRAN采用拉格朗日和Euler两种处理器对结构和流体进行建模。实体、壳、梁、薄
膜、弹簧和刚性单元被Lagrange处理器用于结构的建模；Euler网格由三维六面体单元组
成, Euler处理器可以处理具有剪切强度的材料的流动。MSC.DYTRAN具备完整的一维、二
维、三维单元库，主要包括：
杆单元（CROD）
梁单元（CBEAM， CBAR）
Belytschko-Schwer 模式
Hughes-Liu 模式
安全带单元
拉延筋单元(用于板金成型)
四边形壳单元(CQUAD4)
Belytschko-Tsai 模式
Hughes-Liu 模式
Key-Hoff 模式
薄膜单元
三角形壳单元(CTRIA3)
C0 模式
薄膜单元
体单元(CHEXA, CPENTA, CTETRA)
弹簧/阻尼单元(CELAS, CDAMP)
线性单元
非线性单元
扭簧
用户自定义单元(子程序EXSPR, EXVISC, EXELAS)
集中质量单元(CONM2)
刚性单元
椭球体(RELLIP)
刚性体(RIGID)
刚性单元(RBE2)
刚性墙(WALL)
Euler单元(CHEXA,CPENTA,CTETRA)
单材料，多材料实体单元(CHEXA,CPENTA, CTETRA)
丰富的材料库
MSC.DYTRAN的材料模式中,它包括了线弹性、弹塑性、刚性材料、橡胶材料、低密度泡沫
材料、土壤材料、正交各向异性材料、层合复合材料、率相关材料以及各种屈服准则、
失效模式、状态方程、多点爆炸燃烧模型等。
DMAT卡 为通用的材料本构关系, 可通过设置其中的各个参数进行组合定义具有以下任一
性质的材料:
剪切模式
屈服模式
对多折线屈服模式
状态方程
失效模式
层裂模式
DMATEL卡 - 弹性材料，只需定义杨氏模量E、泊松比γ、体积模量K、剪切模量G
DMATEP 卡 - 弹塑性材料，定义材料的弹性、塑性性质及各种屈服模式、失效模式
DMATOR 卡 - 正交各向异性弹性材料,定义各材料方向的弹性性质及失效模式
MAT1 卡 - 弹性材料，定义Lagrangian壳单元和梁单元的弹性性质。
MAT8，MAT8A 卡 - 考虑失效的纤维复合材料。
SHEETMAT 卡 - 非均质塑性材料, Krieg本构关系。分弹性、屈服准则和硬化准则三部分
，应变率相关，并可用成型控制量(FLD)评估成型过程，主要用于钣金成形
DYMAT14 卡 - 土壤和可压泡沫材料，描述材料的可压缩塑性。材料模型是基于Krieg和
Key的各向同性塑性理论，材料对剪切载荷和正压力载荷的响应是完全不耦合的并可定义
破坏准则。用于模拟土壤、泡沫、混凝土、金属蜂窝材料和木质材料。
DYMAT24 卡 - 分段线性硬化弹塑性材料
DYMAT26 卡 - 可压正交各向异性材料
MATRIG 卡 - 刚性材料，用于定义各种形状的刚性体。
RUBBER1 卡 - 橡胶材料，基于Mooney-Rivlin理论
FORM1 卡 - 泡沫材料(聚丙希材料)，各向同性、泊松比近似为零的可压缩材料，只存在
一条应力－应变曲线。
FOAM2 卡 - 泡沫材料，各向同性、泊松比近似为零的可压缩材料，用户可定义卸载的、
考虑滞留效应(率相关)的应力应变曲线。
与材料有关的用户子程序
EXFAIL 失效模式
EXLAIL1 正交各向异性实体定义失效模式
EXCOMP 复合材料失效模式
EXYLD 屈服模式
EXBRK 可断开连接的失效模式
EXEOS 状态方程
约束
约束有普通的节点约束(SPC)、刚性节点约束、刚性墙约束、节点间的可分开连接(BJOI
N)、壳单元和实体单元节点连接(KJOIN)以及刚性体间的连接。
单点约束(SPC)
刚性网格点连接(RBE2)
刚体墙（WALL）
可断开连接(BJOIN)
壳体与实体间的动态连接(KJOIN)
反舰导弹穿透钢板
载 荷
载荷模式可以是与时间有关的定向的或随动的集中载荷、压力以及各种初始条件。在Eu
ler网格中还可以定义具有各种性质的流动界面等。MSC.DYTRAN的载荷模式包括：
集中力和集中弯矩
跟随力和跟随弯矩
压力载荷
重力载荷
强迫速度
初始条件
气袋压力
多点点火爆炸模式
用户自定义载荷
接触算法
MSC.DYTRAN可以处理多个构件相互高速撞击问题，接触界面可以扩大、缩小、考虑摩擦
的相对滑动和分离及粘结。结构可能接触的两个面分别称为主面和从面，面上的节点称
为主节点和从节点。MSC.DYTRAN接触算法采用对称罚函数法，其原理是：每一时步检查
从节点是否穿透主面，没有穿透则对从节点不作任何处理；如果穿透则在该从节点与被
穿透的主面之间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主面刚度成正比，这
个接触力亦称为罚函数值。对称罚函数法是同时再对主节点处理一遍，其算法与从节点
一样。对称法函数法具有对称性，计算准确，不需要碰撞和释放条件。罚函数值受到稳
定性限制，若计算中出现明显的穿透，可以放大罚函数值或缩小时间步长来调节。MSC.
DYTRAN还可以定义单面检查接触或双面检查接触，定义接触开始和终止的时间，定义阻
尼系数。 MSC.DYTRAN可以考虑以下多种接触问题：
面与面接触
变形体-变形体接触
变形体-刚性体接触
点与面接触
节点-变形体接触
节点-刚性体接触
单面自身接触(self-contact)
BPLANE接触法，有效解决接触面死角区域和穿透问题，并且计算效率高稳定性好，尤其
适于气囊展开分析。
高效的自适应接触(侵蚀接触)：可以定义单元与单元间、不同材料间的侵蚀接触
所有的接触均可考虑库伦摩擦, 静、动力摩擦系数和滞留系数
考虑壳单元厚度及间隙
粘合连接
网格密度不同的面与面间的连接
点与面间连接
线与面间连接
MSC.DYTRAN考虑摩擦的面～面接触、点～面接触、单一平面自身接触、自适应(侵蚀)接
触以及接触滑动的强有力接触分析功能，能够广泛应用在结构和结构之间甚至结构自身
的动力接触分析中。
船头触礁后的应力分布
刚性体
MSC.DYTRAN可以用多种方法定义刚性体，刚性体的各种性质如质量、各惯性矩均可以用
户 自己定义或程序自动计算
用解析法定义的刚性椭球(PELLIPS)
任意形状的刚性体
用刚性面定义(Rigid)
用刚性材料定义(DMATRIG)
安全防护（假人模型/安全气囊）
MSC.DYTRAN在安全防护方面具有高级安全气囊展开分析能力；并与美国航天医学研究中
心开发的ATB程序提供的假人模型(此模型主要应用于动态运动中人体生物力学研究)进行
了全面集成。MSC.DYTRAN的假人模型包括：基于SI制的假人模型即5%、50%和95%的HYBR
ID III模型，以及SI制和英制的50%的HYBRID II模型和英制50%的HYBRID III假人模型。
此外MSC.DYTRAN与荷兰TNO公司汽车安全性分析软件Madymo的假人模型直接耦合，可方便
地调用它的多种假人模型。利用假人模型和MSC.DYTRAN可以在汽车碰撞或飞机着陆时模
拟人体的响应及运动姿态。
MSC.DYTRAN利用流体-结构耦合分析功能模拟气囊展开，同时可以模拟展开过程中气囊内
热传导。对气囊内的气体描述允许采用均匀压力或更精确的完全气动力学方法。分析模
型中考虑了气囊的多孔性，通过孔洞的渗透性。MSC.DYTRAN先进的气囊展开技术除了用
于乘员安全性模拟，也能用在飞行器回收和着陆时的气囊展开模拟。
GNK WESTLAND 直升机水上降落浮球设计
爆炸分析
MSC.DYTRAN具有丰富的材料模式、状态方程（JWL炸药方程）及各种起爆条件，能够用于
模拟爆炸波的传播和爆轰产物的运动，以及爆炸冲击波对结构的响应。MSC.DYTRAN的爆
炸分析支持单点爆炸分析和多个爆炸点的多点爆炸仿真。
三点爆炸波
水下爆炸
MSC.DYTRAN嵌套了美国著名的水下冲击远场分析USA软件的集成接口（需License授权）
，用于计算水下爆炸的流体与结构的相互作用。MSC.DYTRAN的USA接口可以考虑孔穴模型
。MSC.DYTRAN强大的爆炸气泡算法，能够保证精确模拟水下爆炸问题。
重启动分析
MSC.DYTRAN的重启动功能可以十分方便地将一个规模较大的题目分阶段进行运算。
用户自定义子程序接口
MSC.DYTRAN通过预留的大量用户子程序接口，方便地实现客户化的需求。通过这些接口
，能够将MSC.DYTRAN本已强大的标准分析功能进一步扩充。
定义材料的失效: EXFAIL, EXFAIL1, EXCOMP, EXYLD
定义压力载荷: EXPBAG, EXPLD
定义状态方程: EXEOS
定义弹簧/阻尼特性: EXELAS, EXSPR, EXTLU, EXVISC
定义速度场: EXTVEL
用户指定的节点和单元的输出请求：EXALE,EEXOUT, GEXOUT
定义初始条件：EXINIT
定义流动条件：EXFLOW，EXFLOW2
定义与时间相关函数：EXFUNC
定义连接失效：EXBRK
四、MSC.DYTRAN界面
在MSC.PATRAN 框架下集成的MSC.DYTRAN前后处理界面清晰、直观，方便实现利用MSC.D
YTRAN分析所需的复杂建模和可视化，以及计算结果的各种动画处理。详细了解请参见介
绍MSC.PATRAN的专门资料。
五、MSC.DYTRAN的应用产品
MSC一贯遵循面向客户，面向过程的产品开发战略。除了提供应用广泛的标准仿真产品外
，还在这些标准的软件基础上通过客户化提供了各种面向行业中特定问题的仿真工具。
例如在MSC.DYTRAN这一先进的非线性动力分析标准求解器产品基础上，开发了另外两个
客户化产：MSC.SUPERFORGE和MSC.DTROP TEST。
MSC.SUPERFORGE是由MSC与日本锻造协会、住友重工和日立公司四方联合，在MSC.DYTRA
N核心上，面向锻造工程设计人员而开发的全三维锻造仿真系统。并与MSCPATRAN全面集
成，方便快捷地完成冷锻热锻和多道次加工。MSC.SUPERFORGE的计算效率比传统有限元
法提高至少5-10倍。
机车曲轴锻造
MSC.DTROP TEST是以MSC.DYTRAN为内核求解器，与MSC.PATRAN集成的专门面向跌落试验
和冲击仿真，可用于电子仪表、消费品、医疗器械和包装容器（袋）等物体的抗冲击和
跌落分析。MSC.DTROP TEST软件具有高度自动化，使用者无需过多仿真知识易于掌 握。

化工产品包装袋的跌落
关于MSC.SUPERFORGE和MSC.DTROP TEST的详细了解，请于MSC公司各办事处联络。
六、平台支持
MSC.DYTRAN支持在包括Digital Alpha，HP，IBM，SGI，SUN在内的UNIX工作站和PC WIN
DOWS NT 工作站上运行。
七、 技术支持和服务
MSC.DYTRAN的魅力不仅体现在强大的功能本身，还包括她的一流开发、支持和咨询人员
。通过MSC北京办事处、上海办事处和成都办事处提供的初级、中级和高级技术培训，和
其他方式和内容的日常技术支持与服务，不定期的举办的由总部MSC.DYTRAN开发人员主
讲的专题讲座，以及通过全球专业化工程师的服务、培训、客户化服务，和MSC网站的信
息交流，为MSC客户提供优质服务。
八、 应用实例
MSC.DYTRAN的强大功能在军事、国防、航空航天、汽车、核工业、电子工业、船舶工业
等许多重要的领域得到广泛深入应用, 尤其是对各种复杂而又难以观测的物理过程模拟
方面, 它起到了理论分析和实验观测难以替代的作用, 是一般的有限元分析软件力所不
及的。
应用实例一、聚能药型罩(Shaped-Charge)射流形成及切割效应的模拟
聚能药型罩的工作原理是在聚能装药起爆后， 爆轰产物沿金属罩壁轴线运动过程中，将
能量传给金属 罩而形成金属射流。MSC.DYTRAN利用Euler模式可以十分有效模拟金属射
流的形成过程。
应用实例二、弹体侵彻无限大混凝土的动态仿真
本算例采用Lagrange-Euler 全耦合算法, 弹体以45度侵彻至无限大混凝土机构，弹体速
度为1870 m/s，用Lagrange 网格，无限大混凝土为 Euler模式
图 七. 弹体侵彻过程
应用实例三、水下爆炸对舰船结构动态响应
此类算例均为流固耦合问题，舰船采用Lagrange模式，可用多项式状态方程和各种屈服
准则描述其材料性质，炸药、水、空气采用多材料带强度Euler模式，炸药用JWL状态方
程，空气用理想气体状态方程，水用多项式状态方程描述。在舰船和流体的界面定义全
耦合面进行流固耦合动态仿真。
应用实例四、东风柳州汽车有限公司对汽车中立柱外板的冲压成形数值仿真
有限元模型：定义凸，凹模具，压边及钣料，定义各工件间的相互接触，摩擦系数为0.
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拉延过程：凸模固定, 凹模及压边垂直向下运动直至合模，压边力：35 吨, 钣料为冷轧
钢板，
计算结果：MSC.DYTRAN可以输出钣料在成形每一时刻的变形图，厚度变化分布图，应变
图。
应用实例五、发动机的包容性分析
发动机叶片在高速旋转时受到鸟体后外界物体撞击后，可能发生破坏而飞溅，包容性分
析即分析叶片运动轨迹及要求它不能飞出发动机体。MSC.DYTRAN的流体-结构耦合算法和
接触算法可以有效地模拟这一过程，为世界各著名发动机厂商如普惠、GE、RR、SNECMA
等一致推崇，广泛应用。鸟体撞击发动机叶片的分析结果，其中鸟体为Euler模式，叶片
为Lagrange模式，在其界面处定义耦合面。
应用实例六、汽车的适撞性和安全性分析
主要利用MSC.DYTRAN的接触算法定义多个接触对，分析汽车在碰撞过程中，人体的运动
姿态和生存空间，图二十是汽车在碰撞过程中三个不同时刻车体、人体、安全气囊的状
态。Ford汽车公司对系安全背带的人体在碰撞过程中姿态的模拟，利用MSC.DYTRAN输出
的人体头部加速度曲线，能够判断人体是否安全。
应用实例七、轮胎的排水性分析
轮胎设计时，对在干燥路面和积水路面行驶的要求各不相同。利用MSC.DYTRAN的Euler解
算器和流固耦合算法可以模拟轮胎在积水路面上行驶时的排水性。轮胎定义成橡胶材料
的Lagrange网格，水和空气定义成Euler网格，在轮胎的外表面定义全耦合面。日本YAK
OHAMA轮胎公司利用MSC.DYTRAN在这方面作了大量的数值仿真和试验。
应用实例九、战斗部破片对定距离内目标的破坏仿真
应用MSC.DYTRAN多材料Euler模式定义炸药状态方程，目标的带强度材料模式，用有限体
积法踪模拟预制破片的运动轨迹 战斗部 及其对目标的杀伤力。
图十五. 爆轰波的传播
应用实例十、电视机包装箱跌落仿真
德国与PHILIPS齐名的电视机生产厂商GRUNDIG，在获得电视机物理原型之前，用仿真技
术模拟电视机包装箱跌落过程。分析模型包括纸板箱、EPS泡沫和PS外壳。电视机包装箱
从1米高的空中跌落到硬地面上，应力分布如下图。
应用实例十一、高速铁路过桥的动力响应
中国铁科院利用MSC.DYTRAN分析日本铁路公司的告诉铁路过斜拉桥动力响应。模型有火
车车身-车轨-弹簧-阻尼，铁路和桥梁构成。
应用实例十二、水上飞机撞击水面
美国海军的空军作战中心（NAWC）曾专门立项，对海上飞机撞击水面这类多发事故展开
深入研究。通过该项研究，开发有效方法评估直升机与水面严重冲撞时的结构性能，进
而建立失效评定准则，寻求提高飞机抗水面冲击能力的有效途径。该项目应用MSC.DYTR
AN的流体-结构耦合功能成功完成了飞机与水面的撞击分析。 

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