有限元軟件模型格式雜談【轉(zhuǎn)】

2016-11-28 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

編者按

當(dāng)仿真工作者進(jìn)入一個(gè)更高層的應(yīng)用,或者在一個(gè)全新的領(lǐng)域做分析時(shí),商業(yè)通用的有限元軟件可能不能滿(mǎn)足需求,此時(shí)做算法的編程會(huì)是更自由的解決方案,本文作者詳細(xì)介紹了三種模型格式的優(yōu)缺點(diǎn),不明覺(jué)厲啊!讀完之后小編感覺(jué)自己逼格更高了,因?yàn)樾【幬液孟裼玫氖堑谌N格式(用了這么久竟然才知道╮(╯▽╰)╭)

有限元軟件的模型常見(jiàn)的格式分為三大類(lèi):二進(jìn)制、命令流和純文本格式;

“二進(jìn)制格式”

二進(jìn)制格式通常是商業(yè)軟件的專(zhuān)有格式,只能通過(guò)特定的商業(yè)軟件或者軟件提供的二次開(kāi)發(fā)接口進(jìn)行讀寫(xiě),這些文件往往除了有限元模型數(shù)據(jù),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(jìn)制格式的優(yōu)點(diǎn)是文件尺寸相對(duì)較小,模型信息完整,但是缺點(diǎn)是對(duì)軟件的依賴(lài)性很強(qiáng)。

“命令流格式”

目前主流的有限元軟件都提供二次開(kāi)發(fā)的接口和腳本語(yǔ)言,用戶(hù)可以通過(guò)命令流文件實(shí)現(xiàn)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(qiáng)大,足以實(shí)現(xiàn)最基本的建模的功能,所以我把它也當(dāng)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(qū)別,所以我把它單獨(dú)列為一類(lèi)。

命令流文件的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、使用靈活,用戶(hù)能通過(guò)”編程”的方式實(shí)現(xiàn)建模的過(guò)程,并實(shí)現(xiàn)豐富的邏輯控制,常用于二次開(kāi)發(fā)和流程定制。而且由于是文本文件,用戶(hù)通過(guò)文本編輯器就能實(shí)現(xiàn)建立或者修改模型的目的。

當(dāng)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(duì)”封閉”的格式; 另一方面它對(duì)使用者要求較高,需要有”編程”的知識(shí);

“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(yōu)點(diǎn)是格式簡(jiǎn)單易懂,能使用文本編輯器進(jìn)行編輯,便于工程人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理(包括編寫(xiě)一些程序?qū)崿F(xiàn)特定的功能,或者轉(zhuǎn)換成為其他軟件的格式); 當(dāng)然缺點(diǎn)是文件尺寸往往比較大,而且缺乏數(shù)據(jù)流的靈活性。

提到有限元軟件,大家通常關(guān)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(lái)只是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)的載體,怎么看也沒(méi)有什么技術(shù)含量和價(jià)值,今天我想給大家分享一下,為什么它是個(gè)重要的事情。

其一,核心數(shù)據(jù)的保值

對(duì)于軟件用戶(hù)來(lái)說(shuō),他們積累的大量歷史模型是非常寶貴的數(shù)字資產(chǎn)。提到資產(chǎn),很多人會(huì)想到保值的問(wèn)題,其實(shí)有限元模型也有資產(chǎn)保值的問(wèn)題。如果用戶(hù)的有限元模型是依賴(lài)某個(gè)商業(yè)軟件的特定格式(比如二進(jìn)制或者命令流),那么很容易就被軟件廠(chǎng)商“綁架”了, 為了讓這些資產(chǎn)保值,也就是說(shuō)在將來(lái)的某個(gè)歷史時(shí)間點(diǎn)能夠使用,你必須要一直購(gòu)買(mǎi)這個(gè)軟件。

其二,兼容性的保障

文件格式的設(shè)計(jì)其實(shí)也是一個(gè)技術(shù)活,既要與時(shí)俱進(jìn),又要保持兼容舊版本。

與時(shí)俱進(jìn)一方面是因?yàn)檐浖枰黾有碌墓δ?如新單元、新材料、某種單元格式的新控制參數(shù)等); 另一方面是因?yàn)橛脩?hù)在使用軟件的過(guò)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(gè)字段最多只能有8個(gè)字符,這樣就出現(xiàn)單元的ID號(hào)最大只能為99999999。格式最初的設(shè)計(jì)者當(dāng)時(shí)可能沒(méi)有預(yù)料到硬件的發(fā)展會(huì)允許用戶(hù)求解單元數(shù)大于99999999的模型。這個(gè)瓶頸出現(xiàn)后,Nastran發(fā)明了large fixed format, 支持一個(gè)字段16個(gè)字符,后來(lái)大概預(yù)見(jiàn)到這個(gè)遲早也不夠用,就提供了以逗號(hào)分割的free format,終于才算把這個(gè)位數(shù)限制徹底解決。后來(lái)的很多軟件的設(shè)計(jì)比如ABAQUS的.inp格式,就采用逗號(hào)分割字段,避免了Bulk data中看來(lái)很“愚蠢”的寬度限制問(wèn)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(nèi)容,對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),一個(gè)模型如果在舊版本的軟件里運(yùn)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(shí)候用戶(hù)有軟件格式轉(zhuǎn)換的需求。一種情況是,用戶(hù)需要用不同的軟件做不同類(lèi)型的分析,比如在汽車(chē)行業(yè),用戶(hù)經(jīng)常采用Nastran做NVH分析,這時(shí)如果需要用Dyna做碰撞分析,就需要把Nastran模型轉(zhuǎn)換為Dyna模型。另一種情況是,用戶(hù)需要采用兩個(gè)不同的軟件進(jìn)行同一個(gè)分析,確保結(jié)果的可信度,某些特定的行業(yè)甚至把這個(gè)需求作為硬性要求。如果用戶(hù)的模型能方便的轉(zhuǎn)換為其它軟件的格式,有這不僅能大大減少用戶(hù)的建模時(shí)間,而且能降低對(duì)特定軟件的依賴(lài)(軟件采購(gòu)砍價(jià)的時(shí)候也能更主動(dòng)J),這也是數(shù)字資產(chǎn)“保值”的一個(gè)重要方面。目前有不少有限元模型格式轉(zhuǎn)化工具,比如HyperMesh、Abaqus、Femap、ANSYS.Workbench等軟件都提供了模型格式轉(zhuǎn)換的功能,網(wǎng)上也有免費(fèi)的格式轉(zhuǎn)換器(http://www.simhub.xyz/apps/model_converter),轉(zhuǎn)換的質(zhì)量還不錯(cuò),比如把Abaqus.inp模型轉(zhuǎn)化到Nastran的bdf模型時(shí),對(duì)*DISTRIBUTING COUPLING和*KINEMATIC COUPLING的轉(zhuǎn)化結(jié)果,比我試過(guò)的幾個(gè)軟件都要好。但是由于有限元模型的定義非常復(fù)雜,而且各個(gè)求解器的功能和定義方式又有差別,這些工具轉(zhuǎn)換的模型的質(zhì)量參差不齊,經(jīng)常會(huì)丟一些信息,轉(zhuǎn)化后的模型常常需要手工的修復(fù)。

最后,我想斗膽預(yù)測(cè)一下有限元格式的發(fā)展趨勢(shì)。很早就有人提到發(fā)展一套基于公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)的有限元模型格式,方便軟件廠(chǎng)商和用戶(hù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口(類(lèi)似CAD模型里的STEP格式),但是據(jù)我所知,雖然有一些積極的嘗試,比如Femml (http://femml.sourceforge.net/),但是還沒(méi)有一個(gè)工業(yè)界普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)格式出現(xiàn)。我個(gè)人推測(cè)有多方面的原因,一個(gè)是主流軟件廠(chǎng)商動(dòng)力不足,因?yàn)樗麄兿Ｍ脩?hù)被綁定在自己的轉(zhuǎn)有格式上;另一個(gè)是這個(gè)項(xiàng)目確實(shí)工作量巨大,而且非常有挑戰(zhàn)性;但是不管怎樣,我相信這樣一個(gè)格式遲早會(huì)出現(xiàn),到時(shí)候,應(yīng)該對(duì)軟件用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者都是一個(gè)福音。這個(gè)格式是什么風(fēng)格現(xiàn)在沒(méi)有定論,但是我大膽預(yù)測(cè)應(yīng)該會(huì)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn):

1. 純文本;

2. 自由格式(支持任意大的整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù));

3. 格式靈活方便擴(kuò)充,同時(shí)能兼容舊版本;

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

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