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理解Nastran BDF文件的意義

Nastran是歷史最悠久、知名度最高的CAE仿真軟件之一，在航空航天、汽車等行業(yè)應用非常廣泛。Nastran軟件由于歷史原因，衍生出了多個商業(yè)版本，包括MSC Nastran、 NX Nastran、NEi Nastran等。

BDF文件是Nastran求解器的輸入文件（后綴名為bdf或dat），用于定義有限元模型的節(jié)點、單元、材料、荷載等信息。

市場上各個版本的Nastran軟件在輸入文件格式上稍有差異，但是絕大部分保持了兼容。市場上也有深度兼容Nastran BDF格式的非Nastran系軟件，比如Altair公司 OptiStruct (文件后綴名為fem)。

深入理解Nastran BDF格式，對于CAE高級用戶來說是一個非常有用的技能。用戶可以通過文本編輯器對BDF文件進行直接編輯，在很多情況下，比使用前處理軟件進行處理更加高效。而對于從事CAE相關軟件開發(fā)的工作者來說，格式的深入理解，是進行相關前處理軟件開發(fā)的必備前提。下面我們就一起來深度解析一下Nastran的BDF格式。

以一個小的模型為例，一個四邊形單元，單軸拉伸。BDF文件內容如下:其中最重要的是BEGIN BULK和ENDDATA關鍵字之間的內容，其中通過不同的關鍵字定義了屬性、單元、材料、節(jié)點、約束和荷載等信息。一般我們把以一個關鍵字開頭的數(shù)據(jù)塊叫做一個“卡片”(Bulk Card)，比如定義節(jié)點的卡片以GRID關鍵字開頭。

Small Field Format, Large Fileld Format和Free Field Format

上面的BDF文件中，Bulk card以每8個字符寬度為一列定義了一個“字段”，這種定義方式在Nastran中稱作”Small Field Format”(小字段格式)。

8個字符最多只能定義99999999個單元或者節(jié)點，而且對浮點數(shù)的表現(xiàn)精度也有限，為了克服Smal Field Format的這個不足，Nastran中也支持16個字符代表一個字段的定義方式，稱作”Large Field Format” (大字段格式)。

還有一種以逗號進行分割的格式，叫作“Free Field Format” (自由字段格式)。

下面是分別以Small Field Format和Large Fileld Format定義的GRID卡片，兩者是完全等價的。

同樣的卡片以Free Field Format定義如下：GRID, 1, ,24.0, 24.0, 0.0注釋行大家可能注意到，上面的BDF文件中，有一些行以 $ 符號開頭。這些都是注釋的內容，在求解器計算的時候，這些內容都會被忽略掉。注釋行主要有兩個用途：

• 用于添加一些模型的輔助說明

• 被有限元前處理軟件用于存儲輔助的信息。
  比如下面用Altair HyperMesh生成的的MAT1材料卡片上方的注釋中，就通過$HMNAME MATS的注釋，寫入了材料的名稱為”steel”。這也是為什么在材料卡片中沒有定義名稱的字段，但是在前處理軟件中卻可以看見材料名稱的原因。
  

數(shù)值輸入：

Nastran BDF中對于浮點數(shù)的輸入支持多種不同的格式，比如下面的六種輸入方式是等效的。
Nastran BDF文件格式解析程序開發(fā)

對Nastran BDF文件格式進行解析是對Nastran模型進行可視化和信息檢索的基礎。從上面的介紹可以看到，通過編程實現(xiàn)解析BDF文件需要解決的技術細節(jié)很多，包括對Small/Large/Free格式的支持、對不同浮點數(shù)格式的處理、對注釋內容的解析，同時需要精心設計數(shù)據(jù)結構，提高數(shù)據(jù)的檢索效率(比如通過節(jié)點ID快速查詢坐標)，這個在模型較大的時候顯得尤為重要。

Nastran軟件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，關鍵字數(shù)量已經(jīng)達到好幾百個，光材料卡片就有170多個。因此開發(fā)一個具備工程實用價值的Nastran格式解析程序，是一個非常有挑戰(zhàn)性的工作。

Simright團隊經(jīng)過自主研發(fā)，實現(xiàn)了對Nastran BDF文件深度的解析，支持大部份常用的卡片，而且同時支持BDF文件的讀和寫。這部分核心技術已經(jīng)使用在Simright的眾多產(chǎn)品中，包括：

• 在線CAE格式轉換器 Simright Converter

• 在線模型查看器 Simright Viewer

• 三維數(shù)據(jù)管家 Simright EasyPDM

• 在線有限元前處理軟件 Simright WebMesher
  

隨著使用Simright產(chǎn)品用戶不斷增長，相關的代碼也隨著用戶反饋和數(shù)據(jù)的積累在不斷完善，這是云端軟件的一大優(yōu)勢，幫助Simright不斷的為用戶提供更好的產(chǎn)品。

關于SimrightSimright(上海數(shù)巧信息科技有限公司)致力于為全球用戶提供智能化的產(chǎn)品研發(fā)解決方案。通過云仿真CAE技術，幫助用戶設計出性能更優(yōu)、材料更省的產(chǎn)品，增加企業(yè)研發(fā)品質，提高企業(yè)研發(fā)效率。同時通過按需訂閱(SaaS)和云計算的方式，降低用戶的軟硬件使用成本，使企業(yè)在同類的產(chǎn)品競爭中脫穎而出。目前，Simright主要提供的服務包括云仿真軟件，CAD/CAE相關軟件研發(fā)，CAE項目咨詢等服務。已有來自全球100多個國家3000+用戶使用了Simright的云仿真產(chǎn)品。