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(lián)網(wǎng)

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(yè)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(yōu)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(yè)軟件的專有格式,只能通過特定的商業(yè)軟件或者軟件提供的二次開發(fā)接口進行讀寫,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。

二進制格式的優(yōu)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(fā)的接口和腳本語言,用戶可以通過命令流文件實現(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大,足以實現(xiàn)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(qū)別,所以我把它單獨列為一類。

命令流文件的優(yōu)點是功能強大、使用靈活,用戶能通過”編程”的方式實現(xiàn)建模的過程,并實現(xiàn)豐富的邏輯控制,常用于二次開發(fā)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(xiàn)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(yōu)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(shù)據(jù)的處理(包括編寫一些程序實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字資產(chǎn)。提到資產(chǎn),很多人會想到保值的問題,其實有限元模型也有資產(chǎn)保值的問題。如果用戶的有限元模型是依賴某個商業(yè)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(chǎn)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(shù)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(xiàn)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(fā)展會允許用戶求解單元數(shù)大于99999999的模型。這個瓶頸出現(xiàn)后,Nastran發(fā)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(shù)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(nèi)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(yè),用戶經(jīng)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(yè)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(shù)字資產(chǎn)“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(wǎng)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(jīng)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(fā)展趨勢。很早就有人提到發(fā)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(tǒng)一數(shù)據(jù)接口(類似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/),但是還沒有一個工業(yè)界普遍接受的標準格式出現(xiàn)。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(zhàn)性;但是不管怎樣,我相信這樣一個格式遲早會出現(xiàn),到時候,應該對軟件用戶和開發(fā)者都是一個福音。這個格式是什么風格現(xiàn)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(shù)和浮點數(shù));

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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