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日志

有限元软件模型格式杂谈

已有 806 次阅读2016-1-17 21:22

有限元软件的模型常见的格式分为三大类:二进制、命令流和纯文本格式;

二进制格式

二进制格式通常是商业软件的专有格式,只能通过特定的商业软件或者软件提供的二次开发接口进行读写,这些文件往往除了有限元模型数据,还保存额外的模型信息如几何信息(CAD); 比如ABAQUS.cae文件, ANSYS.db文件。

二进制格式的优点是文件尺寸相对较小,模型信息完整,但是缺点是对软件的依赖性很强。


命令流格式

目前主流的有限元软件都提供二次开发的接口和脚本语言,用户可以通过命令流文件实现模型的建立。比如ANSYSAPDL文件,ABAQUSPython脚本等;

命令流的功能非常强大,足以实现最基本的建模的功能,所以我把它也当做一种特殊的模型格式。虽然命令流文件本身也是纯文本文件,但是与下面将要介绍的纯文本格式有所区别,所以我把它单独列为一类。

命令流文件的优点是功能强大、使用灵活,用户能通过编程的方式实现建模的过程,并实现丰富的逻辑控制,常用于二次开发和流程定制。而且由于是文本文件,用户通过文本编辑器就能实现建立或者修改模型的目的。

当然命令流文件也有它的局限性,一方面它也只能被特定的软件支持,也是一种相对封闭的格式; 另一方面它对使用者要求较高,需要有编程的知识;


纯文本格式

大部分有限元软件都提供纯文本格式,如Nastran.bdf文件、Abaqus.inp文件等;

纯文本格式的优点是格式简单易懂,能使用文本编辑器进行编辑,便于工程人员进行数据的处理(包括编写一些程序实现特定的功能,或者转换成为其他软件的格式); 当然缺点是文件尺寸往往比较大,而且缺乏命令流格式的灵活性。

提到有限元软件,大家通常关注它的前后处理的功能、求解器的功能、精度和效率等,而文件格式在很多人看来只是一个简单的数据的载体,怎么看也没有什么技术含量和价值,今天我想给大家分享一下,为什么它是个重要的事情。

其一,对于软件用户来说,他们积累的大量历史模型是非常宝贵的数字资产。提到资产,很多人会想到保值的问题,其实有限元模型也有资产保值的问题。如果用户的有限元模型是依赖某个商业软件的特定格式(比如二进制或者命令流) 那么很容易就被软件厂商绑架, 为了让这些资产保值, 也就是说在将来的某个历史时间点能够使用, 你必须要一直购买这个软件。

其二,文件格式的设计其实也是一个技术活,既要与时俱进,又要保持兼容旧版本。

与时俱进一方面是因为软件需要增加新的功能(如新单元、新材料、某种单元格式的新控制参数等); 另一方面是因为用户在使用软件的过程中,还可能突破格式的极限。以NastranBulk data格式为例,最初的格式大概只支持fixed format, 一个字段最多只能有8个字符,这样就出现单元的ID号最大只能为99999999。格式最初的设计者当时可能没有预料到硬件的发展会允许用户求解单元数大于99999999的模型。这个瓶颈出现后,Nastran发明了large fixed format, 支持一个字段16个字符,后来大概预见到这个迟早也不够用, 就提供了以逗号分割的free format, 终于才算把这个位数限制彻底解决。后来的很多软件的设计比如ABAQUS.inp格式,就采用逗号分割字段,避免了Bulk data中看来很愚蠢的宽度限制问题。保持兼容旧版本的重要性很好理解,不管格式添加什么新的内容,对于用户来说,一个模型如果在就版本的软件里运行正常,而在新版本的软件里不支持,这是不可接受的。

其三,很多时候用户有软件格式转换的需求。一种情况是,用户需要用不同的软件做不同类型的分析,比如在汽车行业,用户经常采用NastranNVH分析,这时如果需要用Dyna做碰撞分析,就需要把Nastran模型转换为Dyna模型。另一种情况是,用户需要采用两个不同的软件进行同一个分析,确保结果的可信度,某些特定的行业甚至把这个需求作为硬性要求。如果用户的模型能方便的转换为其它软件的格式,有这不仅能大大减少用户的建模时间,而且能降低对特定软件的依赖(软件采购砍价的时候也能更主动J),这也是数字资产保值的一个重要方面。目前有不少有限元模型格式转化工具,比如HyperMeshAbaqusFemapANSYS.Workbench等软件都提供了模型格式转换的功能,网上也有免费的格式转换器(https://www.simright.com/apps/simright-converter),转换的质量还不错,比如把Abaqus .inp模型转化到Nastranbdf模型时,对*DISTRIBUTING COUPLING*KINEMATIC COUPLING的转化结果,比我试过的几个软件都要好。但是由于有限元模型的定义非常复杂,而且各个求解器的功能和定义方式又有差别,这些工具转换的模型的质量参差不齐,经常会丢一些信息,转化后的模型常常需要手工的修复。

最后,我想斗胆预测一下有限元格式的发展趋势。很早就有人提到发展一套基于公开标准的有限元模型格式,方便软件厂商和用户统一数据接口(类似CAD模型里的STEP格式),但是据我所知,虽然有一些积极的尝试,比如Femml (http://femml.sourceforge.net/),但是还没有一个工业界普遍接受的标准格式出现。我个人推测有多方面的原因,一个是主流软件厂商动力不足,因为他们希望用户被绑定在自己的专有格式上; 另一个是这个项目确实工作量巨大,而且非常有挑战性; 但是不管怎样,我相信这样一个格式迟早会出现,到时候,应该对软件用户和开发者都是一个福音。这个格式是什么风格现在没有定论,但是我大胆预测应该会满足以下几点:

1.       纯文本;

2.       自由格式(支持任意大的整数和浮点数);

3.       格式灵活方便扩充,同时能兼容旧版本;



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