Nastran — CAE用语解说

NASA Structural Analysis 的缩写。1960年代末，NASA为提高航空航天结构物的可靠性而主导开发的全球首款通用结构分析程序是其起源。如今商业化后，其核心仍是线性静解析、固有值分析、频率响应分析等经典而强大的求解器群。

连立一次方程。通过有限元法离散化后，得到全体刚性矩阵

主要是预测结构物的共振（固有振动数）和屈曲（屈曲荷载）。控制方程为

求解器（求解序列）的识别号。已成为业界事实标准。例如SOL 101是线性静解析，SOL 103是实特征值分析（模态分析），SOL 109是非线性静解析，SOL 111是频率响应分析。用户根据想要分析的物理现象来指定这个号码。

默认是稀疏直接法。具体是一种多前沿法，将刚性矩阵高效地分解为

好问题。当模型规模大（如自由度10万以上）、需要的模式数相对较少（如下位50个模式）时，LANCZOS法速度快。而逆迭代法适用于中等规模模型或只提取特定频率范围（如1000Hz到2000Hz之间）模式的"位移法"。对于如汽车车身这样的大模型，通常首选LANCZOS法。

"BDF文件"（Bulk Data File）是固定格式的文本文件。主要分为"执行管理段"和"块数据段"两部分。例如，开始处写"SOL 101"指定分析类型，之后写"CEND"，在块数据段中用"GRID"、"CQUAD4"、"MAT1"、"FORCE"等卡片定义节点、单元、材料、荷载等全部内容。

薄板情况下基本用CQUAD4（4节点）或CQUAD8（8节点）。CQUAD4计算速度快，但要准确捕捉弯曲变形需要细化网格。CQUAD8精度高但计算成本大。在曲率大的部分如汽车车身面板可混用CTRIA3（三角单元），但总占比要控制在20%以下。单元选择错误会导致"锁定"现象，使应力不准确。

"ECHECK"和"PCOMPECH"很重要。在BDF文件中加入"ECHECK=ALL"执行，可事先检测单元形状畸变（宽纵比、偏斜角、翘曲）或材料、特性值未定义等致命错误，并生成报告。使用复合材料的情况下，"PCOMPECH"可确认铺层顺序。不通过这个检查就运行正式计算，纯粹浪费时间。

历史上的分裂。最初都是NASA的同一份代码，但MSC Software公司商业化了"MSC Nastran"。之后源代码被授权给几家公司，其中西门子（当时是UGS）开发了"NX Nastran"。基本的BDF格式和SOL号兼容性很高，但在扩展功能（特别是非线性和优化）以及与其他软件（Catia、Teamcenter等）的集成方面有区别。

航空航天和汽车产业中的"可靠性"和"标准化"。Nastran的线性分析结果经过长年与实机试验数据的对比验证，特别是动力分析（频率响应、随机振动）的结果在业界享有绝对信任。另外，BDF文件作为供应商间传递的标准格式已广泛普及。相比之下，涉及复杂接触的非线性分析或多物理场耦合分析中，Abaqus和Ansys更有优势。

典型汽车开发中，车身整体的振动、噪声（NVH）和耐久性（疲劳）等基本性能需用规范化手法大量评估时，使用NX Nastran或MSC Nastran。而发动机零件的热应力或含橡胶衬套等高度非线性材料的子系统详细检讨用Abaqus，电磁场或流体耦合需要的部分用Ansys Multiphysics，这样进行分工。

刚性矩阵

很可能是"刚体模式"未被排除。SOL 103的默认设置会排除理论上频率为0Hz的刚体模式。但当结构物由非常柔软的弹簧支持时，实质上频率接近0（如0.1Hz）的模式可能才是真正需要的基本模式。此时需用控制卡"SDISP"要求位移输出，或调整"K2GG"参数来包含刚体模式。

首先检查荷载或强制位移的"增量步"是否过大。默认设置下全部荷载一次加载，但对于有接触或大变形的模型，用"NLPARM"卡将荷载分为10步或20步逐渐加载是必须的。其次怀疑定义材料非线性的"MATS1"卡输入有误（例如塑性硬化规则定义点不足）。第一步应先用线性分析验证模型本身没问题。

输出要求书写有误或磁盘容量不足。若BDF文件中写有"PARAM,POST,0"，则不生成二进制结果文件（OP2）。要输出结果需写"PARAM,POST,1"或"PARAM,POST,-1"（XDB输出）。另外要确认在执行管理段（CEND之后）写入了"DISPLACEMENT=ALL"或"STRESS=ALL"等输出请求卡。数十GB的大文件也是可能的，需检查输出目标的空余容量。