提升Nastran计算效率的实战技巧与策略

Nastran简介

Nastran是美国国家航空航天局（National Aeronautics andSpace Administration，简称NASA）为满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求主持开发大型应用有限元程序。该系统称为NASA Structural AnalysisSystem，即Nastran。MSC公司自1963年开始从事计算机辅助工程领域CAE产品的开发和研究。MSC参与了整个Nastran的开发过程。自从Nastran诞生以来，因其以下特点,得到广泛的应用。

1 极高的软件可靠性

MSC.Nastran是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件, 有着50多年的开发和改进历史, 并通过50,000多个最终用户的长期工程应用的验证。MSC.Nastran的整个研制及测试过程是在MSC公司的QA部门、美国国防部、国家宇航局、联邦航空管理委员会(FAA)及核能委员会等有关机构的严格控制下完成的，每一版的发行都要经过4个级别、5,000个以上测试题目的检验。

2 优秀的软件品质

MSC.Nastran的计算结果与其它质量规范相比已成为最高质量标准, 得到有限元界的一致公认。通过无数考题和大量工程实践的比较，众多重视产品质量的大公司和工业行业都用MSC.Nastran的计算结果作为标准代替其它质量规范。

3 作为工业标准的输入/输出格式

MSC.Nastran被人们如此推崇而广泛应用使其输入输出格式及计算结果成为当今CAE工业标准,几乎所有的CAD/CAM系统都竞相开发了其与MSC.Nastran的直接接口，MSC.Nastran的计算结果通常被视为评估其它有限元分析软件精度的参照标准,同时也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具。

4 强大的软件功能

MSC.Nastran不但容易使用而且具有十分强大的软件功能。通过不断地完善, 如增加新的单元类型和分析功能、提供更先进的用户界面和数据管理手段、进一步提高解题精度和矩阵运算效益等等，使MSC公司以每年推出一个小版本、每两年推出一个大版本的速度为用户提供MSC 新产品。

5 高度灵活的开放式结构

MSC.Nastran全模块化的组织结构使其不但拥有很强的分析功能而又保证很好的灵活性, 用户可针对根据自己的工程问题和系统需求通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外,MSC.Nastran的全开放式系统还为用户提供了其它同类程序所无法比拟开发工具DMAP语言。

Nastran提速建议

随着有限元分析技术越来越普及，需要面对的工程问题越来越杂，很多行业的工程问题求解规模非常大，对计算速度的要求越来越高。对于MSC.Nastran来说，计算时间由常规管理时间（费时较少），矩阵组装时间（刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵等等），求解时间（求解方程）和结果数据写入时间组成。

针对以上几方面，Nastran软件迭代的新版本除了本身优化算法提高计算速度外，还可以从以下几个方面进行提升速度。

1. 增加内存

增加内存能够在内核中解决大部分的问题，原因在于其访问速度会比内核之外以磁盘访问为主的访问速度高出几个数量级。通过使用缓存池技术，MSC Nastran 可以将RAM作为I/O缓存。内存越大，可为执行系统分配的内存也越多。分配给 MSC Nastran的内存被划分成供求解器使用的和被执行系统使用的两部分。这种执行系统可用于 I/O 缓存。

从这个例子中可以看出，将 RAM 从 16 GB 增加到 64 GB，可将用时缩短 53%。将RAM增至128 GB，可将用时整体缩短 63%。所有工作均以 memory=max 运行，默认将平均50%的物理RAM用于Nastran工作。

2.高速磁盘

一旦 Nastran 超出了内存高速缓存，就会将额外的 I/O 写入到磁盘中。由于有限元分析具有密集的 I/O 操作，因此磁盘配置会显著影响分析性能，另外，大量的结果文件和数据库文件（Dball文件）。改进磁盘性能（高转速磁盘）对提高 Nastran 性能至关重要。可能的情况下，尽量采用固态磁盘（SSD）代替普通磁盘（HDD）。

Dball文件是Nastran中间计算过程数据库，如果无需保存数据库，则采用 SCR=YES 运行，计算完成后，会自动删除，节省磁盘空间。

3.并行计算

MSC.Nastran多种并行求解方法有共享内存式单机多CPU并行（SMP）和分布式多机多CPU并行（DMP）。简而言之，采用SMP方式，不同的内核/CPU 就可以共享同一个内存和I/O系统。而采用DMP方式，每个内核/CPU就可以分配自己的内存和I/O系统。这意味着可以在单个主机或者通过网络相连的多个主机上采用DMP方式。而SMP只能用在单个主机上。通常会将DMP和SMP 结合在一起使用，以实现特征值提取的最佳性能。

4.ACMS法（自动部件模态综合法）

ACMS(Automated Component Mode Synthesis)自动部件模态综合法，使得工程师能够实现对大规模模型的动力响应分析和声场分析，ACMS法自动将一个大模型化小或用区域分解法自动分成几个子区域进行各个子结构的模态分析，然后进行模态综合，由此得到整体结构的动力特性。ACMS法适合的求解序列SOL （103，111，112，200）。

5.输出控制

在动力学计算中，特别是频响分析和随机响应分析，如果控制输出的频率点比较密集，而模型又比较大的话，结果文件会非常庞大，往往可以达到十几G甚至几十G，这些结果文件不仅会导致计算速度慢，还会对后续的后处理带来不便。一般情况下，需要控制结果的输出。

1）在振动分析中，我们往往比较关注速度和加速度结果，那么可以选择一些有代表性的点，组成SET集合，只输出节点SET集的结果；对于应力结果，也可以只将高应力区和关注的应力区结果进行输出。

2）F06文件控制，Nastran会将模型和计算结果以文本形式保存在F06文件中，这样会导致F06文件很大，数据的读入也耗时较长。可以相应的进行输出控制。

不要求将模型输出到F06文件：ECHO=NONE。

不要求将结果文件写到F06文件中，以位移输出为例说明。

PRINT是将位移结果输出到F06文件中

PLOT是产生位移但不输出位移。

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