理解Nastran BDF文件的意义

Nastran是历史最悠久、知名度最高的CAE仿真软件之一，在航空航天、汽车等行业应用非常广泛。Nastran软件由于历史原因，衍生出了多个商业版本，包括MSC Nastran、 NX Nastran、NEi Nastran等。

BDF文件是Nastran求解器的输入文件（后缀名为bdf或dat），用于定义有限元模型的节点、单元、材料、荷载等信息。

市场上各个版本的Nastran软件在输入文件格式上稍有差异，但是绝大部分保持了兼容。市场上也有深度兼容Nastran BDF格式的非Nastran系软件，比如Altair公司 OptiStruct (文件后缀名为fem)。

深入理解Nastran BDF格式，对于CAE高级用户来说是一个非常有用的技能。用户可以通过文本编辑器对BDF文件进行直接编辑，在很多情况下，比使用前处理软件进行处理更加高效。而对于从事CAE相关软件开发的工作者来说，格式的深入理解，是进行相关前处理软件开发的必备前提。下面我们就一起来深度解析一下Nastran的BDF格式。

以一个小的模型为例，一个四边形单元，单轴拉伸。

BDF文件内容如下:

其中最重要的是BEGIN BULK和ENDDATA关键字之间的内容，其中通过不同的关键字定义了属性、单元、材料、节点、约束和荷载等信息。一般我们把以一个关键字开头的数据块叫做一个“卡片”(Bulk Card)，比如定义节点的卡片以GRID关键字开头。

Small Field Format, Large Fileld Format和Free Field Format

上面的BDF文件中，Bulk card以每8个字符宽度为一列定义了一个“字段”，这种定义方式在Nastran中称作”Small Field Format”(小字段格式)。

8个字符最多只能定义99999999个单元或者节点，而且对浮点数的表现精度也有限，为了克服Smal Field Format的这个不足，Nastran中也支持16个字符代表一个字段的定义方式，称作”Large Field Format” (大字段格式)。

还有一种以逗号进行分割的格式，叫作“Free Field Format” (自由字段格式)。

下面是分别以Small Field Format和Large Fileld Format定义的GRID卡片，两者是完全等价的。

同样的卡片以Free Field Format定义如下：

GRID, 1, ,24.0, 24.0, 0.0

注释行

大家可能注意到，上面的BDF文件中，有一些行以 $ 符号开头。这些都是注释的内容，在求解器计算的时候，这些内容都会被忽略掉。

注释行主要有两个用途：

• 用于添加一些模型的辅助说明
• 被有限元前处理软件用于存储辅助的信息。
  比如下面用Altair HyperMesh生成的的MAT1材料卡片上方的注释中，就通过$HMNAME MATS的注释，写入了材料的名称为”steel”。这也是为什么在材料卡片中没有定义名称的字段，但是在前处理软件中却可以看见材料名称的原因。

数值输入：

Nastran BDF中对于浮点数的输入支持多种不同的格式，比如下面的六种输入方式是等效的。

Nastran BDF文件格式解析程序开发

对Nastran BDF文件格式进行解析是对Nastran模型进行可视化和信息检索的基础。从上面的介绍可以看到，通过编程实现解析BDF文件需要解决的技术细节很多，包括对Small/Large/Free格式的支持、对不同浮点数格式的处理、对注释内容的解析，同时需要精心设计数据结构，提高数据的检索效率(比如通过节点ID快速查询坐标)，这个在模型较大的时候显得尤为重要。

Nastran软件经过几十年的发展，关键字数量已经达到好几百个，光材料卡片就有170多个。因此开发一个具备工程实用价值的Nastran格式解析程序，是一个非常有挑战性的工作。

Simright团队经过自主研发，实现了对Nastran BDF文件深度的解析，支持大部份常用的卡片，而且同时支持BDF文件的读和写。这部分核心技术已经使用在Simright的众多产品中，包括：

• 在线CAE格式转换器 Simright Converter
• 在线模型查看器 Simright Viewer
• 三维数据管家 Simright EasyPDM
• 在线有限元前处理软件 Simright WebMesher

随着使用Simright产品用户不断增长，相关的代码也随着用户反馈和数据的积累在不断完善，这是云端软件的一大优势，帮助Simright不断的为用户提供更好的产品。

关于Simright

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