有限元仿真分析軟件的三種算法模型格式雜談

 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，本文是有限元科技小編詳細(xì)介紹了三種模型格式的優(yōu)缺點(diǎn)，不明覺厲啊！讀完之后小編感覺自己逼格更高了，因?yàn)樾【幬液孟裼玫氖堑谌N格式。

 深圳市有限元科技有限公司是一家有十年有限元分析項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的高科技企業(yè)，公司代理國外多款著名有限元軟件，并提供軟件的銷售與培訓(xùn)業(yè)務(wù)，另研發(fā)出多款行業(yè)有限元通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式有限元整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供有限元分析服務(wù)。如需購買有限元軟件或咨詢服務(wù)請聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：2039363860/4006046636。

 有限元軟件的模型常見的格式分為三大類：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(jìn)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；m.tyrp.net比如ABAQUS的.cae文件，ANSYS的.db文件。

 二進(jìn)制格式的優(yōu)點(diǎn)是文件尺寸相對較小，模型信息完整，但是缺點(diǎn)是對軟件的依賴性很強(qiáng)。

 “命令流格式”

 目前主流的有限元軟件都提供二次開發(fā)的接口和腳本語言，用戶可以通過命令流文件實(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。

 命令流文件的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、使用靈活，用戶能通過”編程”的方式實(shí)現(xiàn)建模的過程，并實(shí)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(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”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(shí)；

 “純文本格式”

 大部分有限元軟件都提供純文本格式，m.tyrp.net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只是一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)的載體，怎么看也沒有什么技術(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(huì)想到保值的問題，其實(shí)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(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商“綁架”了，為了讓這些資產(chǎn)保值，也就是說在將來的某個(gè)歷史時(shí)間點(diǎn)能夠使用，你必須要一直購買這個(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埽ㄈ缧聠卧?、新材料、某種單元格式的新控制參數(shù)等）；另一方面是因?yàn)橛脩粼谑褂密浖倪^程中，還可能突破格式的極限。以Nastran的Bulkdata格式為例，最初的格式大概只支持fixedformat，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)可能沒有預(yù)料到硬件的發(fā)展會(huì)允許用戶求解單元數(shù)大于99999999的模型。這個(gè)瓶頸出現(xiàn)后，Nastran發(fā)明了largefixedformat，支持一個(gè)字段16個(gè)字符，后來大概預(yù)見到這個(gè)遲早也不夠用，就提供了以逗號(hào)分割的freeformat，終于才算把這個(gè)位數(shù)限制徹底解決。后來的很多軟件的設(shè)計(jì)比如ABAQUS的.inp格式，就采用逗號(hào)分割字段，避免了Bulkdata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(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)候用戶有軟件格式轉(zhuǎn)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(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的建模時(shí)間，而且能降低對特定軟件的依賴(軟件采購砍價(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，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*DISTRIBUTINGCOUPLING和*KINEMATICCOUPLING的轉(zhuǎn)化結(jié)果，比我試過的幾個(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(biāo)準(zhǔn)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，但是還沒有一個(gè)工業(yè)界普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)格式出現(xiàn)。我個(gè)人推測有多方面的原因，一個(gè)是主流軟件廠商動(dòng)力不足，因?yàn)樗麄兿Ｍ脩舯唤壎ㄔ谧约旱霓D(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)該對軟件用戶和開發(fā)者都是一個(gè)福音。這個(gè)格式是什么風(fēng)格現(xiàn)在沒有定論，但是我大膽預(yù)測應(yīng)該會(huì)滿足以下幾點(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。

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