MSC Nastran具備靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、非線性、優(yōu)化、氣彈等功能全面的結(jié)構(gòu)分析功能，在航空航天、汽車(chē)、船舶等各個(gè)行業(yè)均有廣泛的應(yīng)用。MSC Nastran具備非常強(qiáng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性，用戶(hù)不僅可以提取計(jì)算過(guò)程中的中間數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)自己的需要來(lái)修改軟件內(nèi)置的分析求解序列，甚至是創(chuàng)建滿足自身獨(dú)特需求的求解序列。

本篇內(nèi)容就通過(guò)案例的形式詳細(xì)介紹一下如何從MSC Nastran中提取計(jì)算過(guò)程的中間數(shù)據(jù)，以及后續(xù)如何使用這些數(shù)據(jù)。

需要說(shuō)明的是：

? 本篇內(nèi)容所介紹的數(shù)據(jù)包括，但不限于，結(jié)構(gòu)模型的剛度陣和質(zhì)量陣，只要是MSC Nastran允許輸出的過(guò)程數(shù)據(jù)（如氣彈分析中使用的氣動(dòng)力影響系數(shù)矩陣、氣動(dòng)力矩陣等），均可以采用這種方法進(jìn)行輸出。

? 本篇內(nèi)容所采用方法中的部分步驟，并不一定是最優(yōu)的步驟，但應(yīng)該是最簡(jiǎn)單、最易于理解和使用的通用方法。

? 本文采用MSC Nastran 2019版本進(jìn)行演示，若采用其它版本進(jìn)行操作的話，其中的若干語(yǔ)句可能需要進(jìn)行調(diào)整，但是整體的方法步驟是一致的。

詳細(xì)的操作步驟可以分為：數(shù)據(jù)定位、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)使用三步。本文文章最后還對(duì)用戶(hù)可能關(guān)心或者需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了描述。

以下圖中的平板為例，此平板共有66個(gè)節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有任何載荷和約束條件，采用SOL 103進(jìn)行模態(tài)分析，默認(rèn)取10階模態(tài)。完成前處理設(shè)置后，輸出.bdf文件。

上文找到了需要輸出的矩陣的具體位置之后，就可以修改模型的.bdf文件，通過(guò)添加少量DMAP語(yǔ)句的形式，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出，如下圖所示。

下面對(duì)上圖中的語(yǔ)句進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

執(zhí)行控制段：

第15行：對(duì)名稱(chēng)為SEMG的subDMAP進(jìn)行修改編譯。

第16行：修改第396行（396行內(nèi)容不變，把后文的OUTPUT4添加在396行以后）。

第17行：OUTPUT4模塊。對(duì)于此例而言，用戶(hù)只需要了解：

? KJJZ這里是需要輸出的矩陣的名稱(chēng)。這個(gè)名稱(chēng)可能與.f04中所顯示出來(lái)不一致，但是要求與.f06中對(duì)應(yīng)語(yǔ)句中顯示的是一致的。

? 105是unit number，需要與ASSIGN命令中的unit number對(duì)應(yīng)即可（不能與MSC Nastran內(nèi)嵌的unit number沖突）。

? 16是輸出的矩陣的精度，這里也可以修改為其它數(shù)字。

? 其余位置只需要保證格式（例如逗號(hào)的個(gè)數(shù)、斜杠的個(gè)數(shù)等）與上圖保持一致即可。

? 其它各參數(shù)詳細(xì)含義請(qǐng)參考MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]）

第18行：與第16行類(lèi)似。

第19行：與第17行類(lèi)似。

文件管理段

第8行：ASSIGN命令，利用OUTPUT選項(xiàng)輸出.op4文件。單引號(hào)中的文件名稱(chēng)可以任意選取，unit number需要與第17行中的unit number保持一致。.op4文件可以選擇二進(jìn)制格式或者文本格式的。若采用FORMATTED參數(shù)，則輸出文本格式的文件，若采用UNFORMATTED參數(shù)，則輸出二進(jìn)制格式的文件。二進(jìn)制格式占用空間少，也有現(xiàn)有的工具支持直接讀取，因此推薦采用二進(jìn)制格式的輸出方式。ASSIGN的使用方法請(qǐng)參考MSC Nastran幫助文檔中的《Quick Reference Guide》[1].

第9行：與第8行類(lèi)似。

完成上述修改后，提交MSC Nastran計(jì)算，即可輸出矩陣數(shù)據(jù)。工作目錄內(nèi)除了常規(guī)的.f06、f04、.log文件外，會(huì)出現(xiàn)額外的文件，其文件名與ASSIGN命令中的設(shè)置一致。

查看計(jì)算完成的.f06文件中的SEMG第396行會(huì)發(fā)現(xiàn)，在.bdf文件中寫(xiě)入的OUTPUT4命令被插入到397行。下圖中左側(cè)的數(shù)字是原有SEMG的行數(shù)，右側(cè)數(shù)字是使用的ALTER之后的行數(shù)。

下面兩圖為文本格式的.op4文件中得到的總剛度矩陣數(shù)據(jù)。由于有限元模型的矩陣常常是稀疏矩陣，因此此文件給出的數(shù)據(jù)并不是把396×396所有的元素都列出來(lái)，而是只給出了每行中從第一個(gè)非零元素到最后一個(gè)非零元素之間的數(shù)字。

該文件第一行給出了該矩陣的基本信息，包括行數(shù)、列數(shù)、矩陣名稱(chēng)，數(shù)字精度等。

從第二行開(kāi)始為實(shí)際的矩陣元素。此格式按照矩陣的行來(lái)給出，例如這里的“1 1 74”的意思是矩陣的第1行中非零元素從第一列開(kāi)始，此行從第一個(gè)非零元素到最后一個(gè)非零元素之間一共有74個(gè)元素。然后下面給出了這74個(gè)元素的數(shù)值。

然后看下面的第二幅圖，是數(shù)據(jù)文件的結(jié)尾位置。“396 325 72”的意思是矩陣的第396行中的非零元素從第325列開(kāi)始，此行從第一個(gè)非零元素到最后一個(gè)非零元素之間一共有72個(gè)元素，并在下面給出了這72個(gè)元素的數(shù)值。

此文件的最后兩行是一個(gè)標(biāo)識(shí)符，主要用于方便變成讀取矩陣的目的，沒(méi)有實(shí)際的意義。

版本兼容性

前文提到此方法如果需要換版本的話，需要重新執(zhí)行數(shù)據(jù)定位的過(guò)程。其實(shí)MSC Nastran也提供了很多方法來(lái)提高方法的版本兼容性，例如使用ALTER的關(guān)鍵字搜索功能或者M(jìn)ALTER功能，詳細(xì)的方法可以參考MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]以及相關(guān)的視頻講解[3]。

矩陣名稱(chēng)

MSC Nastran矩陣的名稱(chēng)有自身的命名規(guī)則，一般都是KTIJ的形式，其中：

? K是矩陣的類(lèi)型，例如K為剛度、M為質(zhì)量、P為載荷、U為位移、Q為反力、B為阻尼、G為轉(zhuǎn)換矩陣；

? T為矩陣類(lèi)型，但是不常使用；

? I為行的自由度集；

? J為列的自由度集；

上述只是一般的規(guī)則，更詳細(xì)的介紹可以查閱MSC Nastran幫助文檔中的《DMAP Programmer’s Guide》[2]中《Data Block Glossary》以及其它相關(guān)章節(jié)。

MSC Nastran矩陣數(shù)據(jù)與全局坐標(biāo)系[4]

MSC Nastran中GRID卡片第7域CD可以指定此節(jié)點(diǎn)所采用的全局坐標(biāo)系（Global Coordinate System）。這里的默認(rèn)數(shù)值為空，代表使用的是基礎(chǔ)坐標(biāo)系（Basic Coordinate System）。用戶(hù)可以將某個(gè)自定義坐標(biāo)系的編號(hào)填寫(xiě)在這里，這樣MSC Nastran對(duì)于此節(jié)點(diǎn)相關(guān)自由度的表達(dá)和分析均會(huì)參考這個(gè)用戶(hù)指定的坐標(biāo)系。

正是因?yàn)槿肿鴺?biāo)系的概念，MSC Nastran所采用的總剛度矩陣（以及其它類(lèi)似的矩陣數(shù)據(jù)）可能與常規(guī)意義上的總剛度矩陣有所區(qū)別。這是因?yàn)镸SC Nastran在將單元?jiǎng)偠染仃嚱M裝成總剛度矩陣時(shí)，并不需要將所有的單元?jiǎng)偠染仃囖D(zhuǎn)換到某個(gè)單一的坐標(biāo)系上再進(jìn)行組裝，而是會(huì)根據(jù)用戶(hù)在GRID卡片第7域CD所設(shè)置的坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算。這就導(dǎo)致了如果用戶(hù)修改了CD域，將其改成不同于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的其它坐標(biāo)系，那么MSC Nastran輸出的總剛度矩陣在相應(yīng)自由度上的數(shù)值是參考這個(gè)節(jié)點(diǎn)CD域所指定的坐標(biāo)系而計(jì)算出來(lái)的。

當(dāng)然，如果所有的GRID卡片第7域都采用了默認(rèn)數(shù)值，那么這種情況下得到的總剛度矩陣與常規(guī)意義上的總剛度矩陣是一致的。

其它案例

下圖是一個(gè)用來(lái)顫振分析模型中氣動(dòng)力相關(guān)矩陣數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單示例，供讀者參考。

參考文獻(xiàn)：

1.《MSC Nastran Quick Reference Guide》

2.《MSC Nastran DMAP Programmer’s Guide》

3.https://www.bilibili.com/video/BV1ed4y117B9/?spm_id_from=333.999.0.0

4.《MSC Nastran Linear Static Analysis User’s Guide》Chapter 3

5.https://pypi.org/project/pyNastran/

6.https://pypi.org/project/pyyeti/

7.本文采用案例的鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1iSs29FfRzJvnwRMMD7Zpeg?pwd=rgjx 

提取碼：rgjx

備注：

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