Simcenter Nastran
有限要素法構造解析プログラム
Simcenter Nastran 製品概要
Nastranは米国航空宇宙局（NASA）が開発した汎用解析プログラムで、1970年代に宇宙ロケットの開発に利用され、50年以上にわたって航空宇宙、防衛、自動車、船舶など、ほとんどあらゆる業種で厳しい要求にこたえ続けてきた高い信頼性と実績を持ちます。特に航空宇宙や輸送機など失敗の許されない分野では標準的な構造解析プログラムとして使用されています。
Simcenter Nastranは、Siemensが開発、管理所有するプログラムで、Nastranの高い信頼性と実績をそのまま継承し、最新のCAE解析技術を導入して進化しつづける高機能・統合的な有限要素法ソルバーです。
Simcenter Nastranは様々な解析機能を提供します。
※RDMODESとは
Recursive Domain Lanczos Method の略で、大規模な固有モード解析に対して構造分割テクノロジを使用する並列機能です。
標準的なランチョス法と比較し、一般に、精度を落とし少ないモードを計算することで、パフォーマンスを向上させます。
多数のモードで構成される大規模モデルに対して効率的に解析することができます。
Simcenter Nastran 製品詳細
※ご興味のある解析機能をクリックしてください。
線形静解析
静的な荷重が作用し、力学的なつり合い状態にある構造物の変形や応力、ひずみ、反力などを求めることができます。時間変化しないか、ほとんど変化しないような荷重を支える構造物の強度評価や変形の度合いを知ることができます。建物の自重変形や、支持構造の強度評価、精密位置決め装置の安定度の評価などのほか、ほとんどの構造物の設計評価に使えます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Basic
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アセンブリ構造の線形解析
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複合材構造の線形解析
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事例-鋳物冷却熱応力解析
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事例-初期ボルト荷重を考慮した解析
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事例-船体強度計算
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事例-アルミフレーム構造体の解析
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- 温度荷重を入力でき、熱変形や熱応力の検討もできます。熱膨張、熱収縮のほか、材料特性の温度変化も考慮可能です。熱伝導解析の結果をもとにして熱応力解析を行うことも可能です。
- 線形コンタクト機能により、摩擦を含む接触面の模擬が可能です。複数の部品がねじなどで固定されているような構造物も解析できます。接触力を求めることもできます。
- 不整合メッシュを結合する固着機能も使用できます。
- 非拘束の構造物の解析を行う慣性リリーフ機能を使用できます。
- 等方性材料、異方性材料、積層材料を扱えます。
非線形解析
形状変化や材料の変化を考慮した解析を実施します。
形状変化を考慮した解析は外部からの力によって解析対象が変形し、変形した状態での力が均衡する様子を計算します。これは幾何学的非線形性を考慮した解析と呼ばれます。
材料の変化は、材料の硬さの変化や、降伏中および降伏後の特性をモデル化します。さらにゴムのような大変形する材料に関して、幾何学的非線形性を考慮して剛性や応力、ひずみの関係をモデル化し表現できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Basic, Simcenter Nastran Multistep Nonlinear
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接着剤の剥離
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ゴムOリングの圧縮
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スナップフィット弾塑性接触
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プラグ構造の差し込み強度解析
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事例-パイプの曲げ加工解析
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事例-バイメタル式温度計の解析
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事例-ブレーキ回転ローターの非線形過渡解析
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事例-スライダの運動
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事例-逆さ倒立振り子の制御
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事例-宇宙ゴミと衛星の衝突模擬
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事例-ボルト締結体の非線形解析
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事例-ベローズのバルジ成形
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Simcenter Nastranでは、Basicモジュールでベーシック非線形解析を提供します。さらに、Multistep Nonlinear モジュールで高度な非線形問題を考慮したマルチステップ非線形解析を提供します。
機能比較表 ベーシック非線形vsマルチステップ非線形（○可 ×不可）
| ベーシック非線形 | マルチステップ非線形 | |
|---|---|---|
| 大変形 | ○ | ○ |
| 大ひずみ | ○（超弾性のみ可） | ○ |
| 接触 | ×（点・線のみ可） | ○ |
| 塑性材料 | ○ | ○ |
| 非線形弾性材料 | ○ | ○ |
| 温度依存弾塑性 | × | ○ |
| ひずみ速度依存弾塑性 | × | ○ |
| 超弾性材料 | ○ Mooney-Rivlin |
○ Mooney-Rivlin Hyperfoam Ogden Mullins effect 粘弾性効果 |
| クリープ材料 | ○ | ○ |
| ガスケット材料 | × | ○ |
| 自動時間刻み | × | ○ |
| 非線形過渡 | ○ | ○ |
| 要素反復ソルバ | × | ○ |
| 非線形座屈 | ○ | ○ |
| ボルトプリロード | × | ○ |
| 差分剛性 | ○ | ○ |
| SMP | ○ | ○ |
| 異方性材料 | ○ | ○ |
| 積層材料 | ○（2Dのみ可） | ○ |
| 粘着要素 | × | ○ |
| クラック進展 | × | ○ |
| 初期ひずみ/応力 | × | ○ |
| ユーザー材料サブルーチン | × | ○ |
熱伝導解析
定常的な、あるいは、非定常（時間依存）の発熱などの熱荷重が作用するときの温度分布を調べたり、熱の流れ方を確認したりできます。熱応力解析を行うときの元になる温度分布を計算で求めることができます。
固体熱伝導のほかに、空気や水などの流体による対流熱伝達、輻射による熱流束、相転移を考慮した包括的な解析が可能です。
構造体同士の接触あるいは固着面間の熱伝達、構造体と周囲の対流/輻射の解析を行うことができます。
対流は強制対流や自由対流を考慮することができます。
輻射では空間熱放射もしくは域内熱輻射を考慮することができます。また、多数輻射域の複雑な輻射条件にも対応できます。輻射では形態係数を自動的に計算できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Basic
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回路基板の熱伝導解析
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事例-ブレーキ回転ローターの解析
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動的応答
時刻歴荷重や振動などに対する、構造物の動的な特性を評価することができます。Simcenter Nastranでは、時間領域と周波数領域の解析に対応しています。
Basicモジュールでは、固有値解析を提供し、Advanced Dynamicsおよび Dynamic Responseモジュールでは、複素固有値解析、線形過渡解析、周波数応答解析、スペクトル応答解析、ランダム応答解析を提供します。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Basic, Simcenter Nastran Advanced Dynamics, Simcenter Nastran Dynamic Response
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液体タンクのスロッシング
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ランダム応答 加速度PSDグラフ
固有値解析
構造物の共振周波数と、正規化した非減衰共振時の変形形状（モード形状）を求めることができます。
共振周波数とモード形状の他、固定点反力や有効質量、モード寄与率（刺激係数）なども計算できます。
構造物に振動が作用する場合、共振が発生すると振幅がどんどん大きくなり、破壊する場合があります。また、楽器など共振を利用したものでは倍音などで共振するように構造を検討する必要があるでしょう。このような場合に固有値解析は有効です。
応力による固有値の変化（差分剛性）を考慮した解析も可能です。熱荷重や機械荷重、ボルト荷重などによる静解析結果を構造の差分剛性として取り込んで固有値解析が可能です。
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事例-鉄道車両の固有値解析
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事例-鉄骨鉄筋コンクリート構造の解析
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複素固有値解析
減衰を考慮した固有値解析です。固有振動数に対する減衰の効果を考慮して固有値解析が可能です。構造の伝達関数を評価したり、パッシブダンパなどの振動制御設計に利用できます。減衰特性を調整し、動的応答の範囲を抑えるような場合に有効です。
線形過渡解析
動的な荷重が作用した場合の構造の時間領域での応答を計算します。時間変化する荷重が作用し、減衰を考慮した構造物の変形や応力、ひずみを時刻歴ごとに計算できます。計算手法として直接法とモード法を利用できます。
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事例-水晶振動子の振動解析
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事例-液体貯蔵タンクの振動解析
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事例-構造物の地震動解析
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事例-木造建造物の振動解析
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応答スペクトル解析
線形過渡解析の応用解析のひとつとして、スペクトル応答解析に使用する応答スペクトルを算出します。
全体構造に対して時刻歴応答解析を行い、この結果得られる全体構造内の各ノードに関する時刻歴応答から床応答曲線を算出します。
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事例-タワークレーンの応答スペクトル解析
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事例-構造物の地震動解析
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スペクトル応答解析
スペクトル応答解析は、大きな構造物に時刻歴の励振が作用したとき、その構造物に取り付けられた相対的に小さなコンポーネントの予測される最大応答を求めることができます。応答スペクトル解析で得られた最大負荷を、固有モードの応答重ね合わせとして近似計算し、変形や応力、ひずみなどが得られます。これらは設計上予測される最大負荷とみなすことができます。スペクトル応答解析の結果は主に強度設計に使用されます。複合的な振動にさらされる構造物の強度や安定度の評価に利用されます。
周波数応答解析
単一周期の正弦波加振に対し、減衰を考慮した定常応答を計算することができます。励振周波数は帯域で指定でき、同時にたくさんの励振周波数とそれぞれへの応答を計算できます。例えば、モーター支持構造など、正弦波振動を受ける構造物の動的安定性を調べることができます。
結果として、変位、速度、加速度、ひずみ、および成分応力のスペクトル成分を得ることができます。解析結果には位相情報も含まれます。計算手法としてモード法と直接法を利用できます。
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事例-超音波モータの周波数応答解析
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事例-超音波スケーラーの振動特性
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事例-自由水面運動の改正
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事例-カンチレバー特性の計算
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ランダム応答解析
周波数応答解析の一種としてランダム振動に対する構造の応答を解析することができます。ランダム応答解析はPSD（パワースペクトル密度）で与えられた励振に対する構造の応答をPSD値で与えます。このほか、クロッシング値や自己相関関数、相互相関関数なども計算できます。例えば、ロードノイズを受ける車体の動的特性や繰返し荷重に対する強度評価など、ランダムな振動を受ける機器の設計に使用できます。
ローターダイナミクス
回転によって生じる遠心力やコリオリの力による構造の動的な剛性変化を考慮した複素固有値解析が可能です。さらに、この結果を使用して、モード法周波数応答解析、モード法過渡解析が可能です。
回転体は対称形状でも非対称形状でも取り扱うことができ、回転体の動的な剛性と回転速度の関係で生じる危険速度を計算し、キャンベル線図を出力することができます。
回転体の安定性を評価でき、回転体の構造特性と回転速度が一致することで怒る、危険速度を評価し、設計案を検討することができます。回転体が構造から受ける攪乱にどのように応答するかを周波数領域で評価できます。また、回転体が構造に与える攪乱の評価も可能です。
複数の回転体を含むモデルを解析できます。個々の回転体の回転速度と回転方向は任意に設定できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Rotor
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事例-回転体の固有値解析
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事例-風力発電風車の危険速度の解析
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事例-振動ジャイロの周波数応答解析
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事例-回転体の周波数応答解析
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音響
内部音響問題や外部音響問題、放射音源を完全に結合した振動音響解析を可能にします。室内、外挿、または両耳間の混合問題の音響性能や、音響と構造の連成、完全結合の振動などを、より迅速かつ効率的に解析することができます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Advanced Acoustics
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ギアボックスの騒音解析
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事例-容器内の音響構造連成解析
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事例-トラックキャビン内の音響解析
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事例-オーディオルームの音響解析
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構造最適化
Simcenter Nastran では、パラメトリック最適化とトポロジ最適化による構造最適化が可能です。
Optimizationモジュールでパラメトリック最適化を提供し、Topology Optimizationモジュールでトポロジ最適化を提供します。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Optimization, Simcenter Nastran Topology Optimization
パラメトリック最適化
板厚や縦弾性係数など基準とするパラメータを設定し、目的や制約を満たす最適なパラメータを求めることができます。効率的に性能基準を満たす寸法の製品を設計できるので、製品設計の改善にともなう負担を軽減します。
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ゴルフクラブの設計
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オートバイのフレーム設計
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事例-磁気ヘッドの固有値最適化
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トポロジ最適化
最適化対象とする各要素について設計変数を作成し、目的や制約を満たす最適な材料の配置を求めることができます。重量や許容応力などの与えられた設計要件を満足する構造を求めることができます。
航空シートブラケットの軽量化
スーパーエレメント
スーパーエレメントは、複数の部分モデルを全体モデルに構成して解析したり、あるいは、部分モデルに全体モデルからの境界条件を戻したりするための手法です。大規模なモデルを複数の部分に分割して処理した後、それらを組み上げる形で、通常では困難な大規模な解析を行うことができます。
また、モデルの詳細を見せることなく、拠点間あるいは会社間でのモデル共有が可能になるため、情報セキュリティの強化にも利用できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Advanced Dynamics
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事例-アセンブリモデル
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事例-繰り返し計算の効率化
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空力弾性
構造と流体（おもに気流）との連成による運動や力を計算できます。空力弾性解析はおもに固定翼航空機（飛行機）の設計を前提として発達した空力理論に基づきます。空力弾性解析には、主に定常的な特性を計算する静的空力弾性解析と、過渡や制御特性を同時に考慮する動的空力弾性解析に分かれます。
静的空力弾性解析では、フラッタや音速以下の流れに対する空力微係数の計算ができます。さらに各部の変形や空力分布の計算ができます。高速飛行で発生する空力モーメントによる静的な翼のねじれ（ダイバージェンス）が発生する速度の計算が可能です。
動的空力弾性解析ではフラッタと干渉、さらに制御面の変化や制御系との組み合わせた効果について解析できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Advanced Dynamics
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主翼の変形
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航空機のフラッタ振動
並列処理
Simcenter Nastranでは、以下の2つのタイプの並列処理が可能です。
- メモリ共有型並列処理（SMP）
- メモリ分散型並列処理（DMP）
SMPはSimcenter Nastran Basicライセンスで利用できます。
DMPはSimcenter Nastran Advanced Dynamicsライセンスで利用できます。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Basic, Simcenter Nastran Advanced Dynamics
メモリ共有型並列処理（SMP）
SMPとは、Shared Memory Parallel Processing(メモリ共有型並列処理)の略で、1つのマシンでメモリを共有しながら並列処理するものです。
SMPは利用が簡単で、スレッド数を指定するとそのまま実行が可能です。
メモリ分散型並列処理（DMP）
DMPとは、Distributed Memory Parallel の略で、ネットワーク結合された複数のマシンで計算処理を実行するものです。DMPではモデルを完全に独立して解析処理します。そのため、DMPは特に規模の大きな解析でメリットが生まれます。
カスタマイズ
DMAP(Direct Matrix Abstraction Programming)は、Simcenter Nastranの内部関数を直接制御し、様々な処理を実現する機能です。通常の構造解析機能の結果について、ユーザー独自の処理機能を追加したり、制御系をモデル化したり、あるいは完全に内部の計算処理ルーチンを制御してまったく違った用途に利用することも可能です。
DMAPはSimcenter Nastranの解析処理を自由に変更することができます。通常の解析処理はDMAPで記述されているので、これを変更してユーザー独自の計算処理を追加したり、通常は得られない解析結果を出力させたりできます。
Simcenter Nastranの内部計算の多くは大規模なマトリクス演算です。DMAPを自由に使用することによって、本来の解析機能とは異なる用途で使用できます。大規模なマトリクスの固有値問題を解いたり、マトリクスを対角化したりする機能を組み合わせると様々な多変量の解析が可能になります。
DMAPはFORTRANでのプログラミングを意図しており、別途FORTRANなどのプログラム言語が必要になります。
搭載モジュール：Simcenter Nastran Advanced Dynamics
Simcenter Nastran 動作環境
動作環境
| プラットフォーム | 対応OS(64-bit) |
|---|---|
| INTEL Windows | Windows 10 Enterprise Windows 11 Windows Server 2019 Standard |
| Linux | Red Hat Enterprise Linux Server release 7.6 Red Hat Enterprise Linux Server release 8.6 SUSE Linux Enterprise Server 12 SP5 SUSE Linux Enterprise Server 12 SP3 |
Simcenter Nastran 製品構成
Simcenter Nastran は、Basicを基本モジュールとし、複数の追加モジュールで構成されます。
追加モジュールのご導入には、必ず基本モジュールのBasicが必要になります。
Advanced Dynamicsは、Dynamic Response、DMPに加えて、Super Elements、Aeroelasticity、DMAP、RDMODESがセットになっています。
※Super Elements、Aeroelasticity、DMAP、RDMODESは単体では販売しておりません。
※Advanced Acousticsのご導入には、Dynamic Responseモジュールが必要です。
※RDMODESとは
Recursive Domain Lanczos Method の略で、大規模な固有モード解析に対して構造分割テクノロジを使用する並列機能です。
標準的なランチョス法と比較し、一般に、精度を落とし少ないモードを計算することで、パフォーマンスを向上させます。
多数のモードで構成される大規模モデルに対して効率的に解析することができます。
モジュール別解析機能
| 線形静解析 | 固有値解析 | 線形座屈解析 | 熱伝導解析 | ベーシック非線形 | 線形過渡解析 | 周波数応答解析 | スペクトル応答解析 | 複素固有値解析 | メモリ分散並列処理 | 大規模固有値高速解法 | スーパーエレメント | 空力弾性 | カスタマイズ | マルチステップ非線形 | パラメトリック最適化 | トポロジ最適化 | 音響 | ローターダイナミクス | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Basic | ● | ● | ● | ● | ● | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Dynamic Response |
– | – | – | – | – | ● | ● | ● | ● | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| DMP | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● | – | – | – | – | – | – | – | – | – |
| Advanced Dynamics |
– | – | – | – | – | ● | ● | ● | ● | ● | ● | ● | ● | ● | – | – | – | – | – |
| Multistep Nonlinear |
– | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● | – | – | – | – |
| Optimization | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● | – | – | – |
| Topology Optimization |
– | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● | – | – |
| Advanced Acoustics |
– | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● | – |
| Rotor | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | ● |
※すべてのモジュールで、Basicが必要です。
※Advanced Acousticsモジュールには、Basic に加えて、Dynamic Responseモジュールまたは、Advanced Dynamicsモジュールが必要です。
標準パッケージ
| 製品 (ダウンロード) |
・ソフトウェア ・オンラインドキュメント （新機能、コマンドリファレンス、クイックリファレンスガイドユーザーガイド、例題集など） ・例題集のサンプルデータ |
|---|
保守サービス
◇バージョンアップ
保守契約期間内にリリースされる新バージョンをお届けいたします。
◇技術サポート
メール/FAXによるSimcenter Femap with NastranのQ&Aを行っております。（原則として電話によるサポートはしておりません。）
Simcenter Femap with Nastranに関する操作方法などについてご質問に回答いたします。
保守契約期間中は、回数制限はありません。
※以下に関するご質問、ご依頼は標準サポートの対象外となります。ご了承ください。
・モデル作成の代行に該当する質問
・受託解析に該当する質問
◇FAQ
よくある質問とその回答について、FAQをユーザーサポート専用ページにて提供しております。
◇NSTオリジナルマニュアル
セットアップガイドをPDFにて提供しております。
クラウドサービス（XaaSサブスクリプション契約のみ）
・SiemensのクラウドサービスTeamcenter Shareの利用
・500GB+5GB×ライセンス数 のクラウドストレージ
例）10ライセンス 500GB+5GB×10＝550GB
XaaSサブスクリプション
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