有限元軟件模型格式雜談【轉】

2016-11-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

編者按

當仿真工作者進入一個更高層的應用,或者在一個全新的領域做分析時,商業通用的有限元軟件可能不能滿足需求,此時做算法的編程會是更自由的解決方案,本文作者詳細介紹了三種模型格式的優缺點,不明覺厲啊!讀完之后小編感覺自己逼格更高了,因為小編我好像用的是第三種格式(用了這么久竟然才知道╮(╯▽╰)╭)

有限元軟件的模型常見的格式分為三大類:二進制、命令流和純文本格式;

“二進制格式”

二進制格式通常是商業軟件的專有格式,只能通過特定的商業軟件或者軟件提供的二次開發接口進行讀寫,這些文件往往除了有限元模型數據,還保存額外的模型信息如幾何信息(CAD)等; 比如ABAQUS的.cae文件, ANSYS的.db文件。

二進制格式的優點是文件尺寸相對較小,模型信息完整,但是缺點是對軟件的依賴性很強。

“命令流格式”

目前主流的有限元軟件都提供二次開發的接口和腳本語言,用戶可以通過命令流文件實現模型的建立。比如ANSYS的APDL文件,ABAQUS的Python腳本等;

命令流的功能非常強大,足以實現最基本的建模的功能,所以我把它也當做一種特殊的模型格式。雖然命令流文件本身也是純文本文件,但是與下面將要介紹的純文本格式有所區別,所以我把它單獨列為一類。

命令流文件的優點是功能強大、使用靈活,用戶能通過”編程”的方式實現建模的過程,并實現豐富的邏輯控制,常用于二次開發和流程定制。而且由于是文本文件,用戶通過文本編輯器就能實現建立或者修改模型的目的。

當然命令流文件也有它的局限性,一方面它也只能被特定的軟件支持,也是一種相對”封閉”的格式; 另一方面它對使用者要求較高,需要有”編程”的知識;

“純文本格式”

大部分有限元軟件都提供純文本格式,如Nastran的.bdf文件、Abaqus的.inp文件等;

純文本格式的優點是格式簡單易懂,能使用文本編輯器進行編輯,便于工程人員進行數據的處理(包括編寫一些程序實現特定的功能,或者轉換成為其他軟件的格式); 當然缺點是文件尺寸往往比較大,而且缺乏數據流的靈活性。

提到有限元軟件,大家通常關注它的前后處理的功能、求解器的功能、精度和效率等,而文件格式在很多人看來只是一個簡單的數據的載體,怎么看也沒有什么技術含量和價值,今天我想給大家分享一下,為什么它是個重要的事情。

其一,核心數據的保值

對于軟件用戶來說,他們積累的大量歷史模型是非常寶貴的數字資產。提到資產,很多人會想到保值的問題,其實有限元模型也有資產保值的問題。如果用戶的有限元模型是依賴某個商業軟件的特定格式(比如二進制或者命令流),那么很容易就被軟件廠商“綁架”了, 為了讓這些資產保值,也就是說在將來的某個歷史時間點能夠使用,你必須要一直購買這個軟件。

其二,兼容性的保障

文件格式的設計其實也是一個技術活,既要與時俱進,又要保持兼容舊版本。

與時俱進一方面是因為軟件需要增加新的功能(如新單元、新材料、某種單元格式的新控制參數等); 另一方面是因為用戶在使用軟件的過程中,還可能突破格式的極限。以Nastran的Bulk data格式為例,最初的格式大概只支持fixed format,一個字段最多只能有8個字符,這樣就出現單元的ID號最大只能為99999999。格式最初的設計者當時可能沒有預料到硬件的發展會允許用戶求解單元數大于99999999的模型。這個瓶頸出現后,Nastran發明了large fixed format, 支持一個字段16個字符,后來大概預見到這個遲早也不夠用,就提供了以逗號分割的free format,終于才算把這個位數限制徹底解決。后來的很多軟件的設計比如ABAQUS的.inp格式,就采用逗號分割字段,避免了Bulk data中看來很“愚蠢”的寬度限制問題。保持兼容舊版本的重要性很好理解,不管格式添加什么新的內容,對于用戶來說,一個模型如果在舊版本的軟件里運行正常,而在新版本的軟件里不支持,這是不可接受的。

其三,多格式的支持

很多時候用戶有軟件格式轉換的需求。一種情況是,用戶需要用不同的軟件做不同類型的分析,比如在汽車行業,用戶經常采用Nastran做NVH分析,這時如果需要用Dyna做碰撞分析,就需要把Nastran模型轉換為Dyna模型。另一種情況是,用戶需要采用兩個不同的軟件進行同一個分析,確保結果的可信度,某些特定的行業甚至把這個需求作為硬性要求。如果用戶的模型能方便的轉換為其它軟件的格式,有這不僅能大大減少用戶的建模時間,而且能降低對特定軟件的依賴(軟件采購砍價的時候也能更主動J),這也是數字資產“保值”的一個重要方面。目前有不少有限元模型格式轉化工具,比如HyperMesh、Abaqus、Femap、ANSYS.Workbench等軟件都提供了模型格式轉換的功能,網上也有免費的格式轉換器(http://www.simhub.xyz/apps/model_converter),轉換的質量還不錯,比如把Abaqus.inp模型轉化到Nastran的bdf模型時,對*DISTRIBUTING COUPLING和*KINEMATIC COUPLING的轉化結果,比我試過的幾個軟件都要好。但是由于有限元模型的定義非常復雜,而且各個求解器的功能和定義方式又有差別,這些工具轉換的模型的質量參差不齊,經常會丟一些信息,轉化后的模型常常需要手工的修復。

最后,我想斗膽預測一下有限元格式的發展趨勢。很早就有人提到發展一套基于公開標準的有限元模型格式,方便軟件廠商和用戶統一數據接口(類似CAD模型里的STEP格式),但是據我所知,雖然有一些積極的嘗試,比如Femml (http://femml.sourceforge.net/),但是還沒有一個工業界普遍接受的標準格式出現。我個人推測有多方面的原因,一個是主流軟件廠商動力不足,因為他們希望用戶被綁定在自己的轉有格式上;另一個是這個項目確實工作量巨大,而且非常有挑戰性;但是不管怎樣,我相信這樣一個格式遲早會出現,到時候,應該對軟件用戶和開發者都是一個福音。這個格式是什么風格現在沒有定論,但是我大膽預測應該會滿足以下幾點:

1. 純文本;

2. 自由格式(支持任意大的整數和浮點數);

3. 格式靈活方便擴充,同時能兼容舊版本;

本文是我從事多年CAE工作后對有限元模型格式的一些研究和體會,不足之處歡迎批評指正。

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