有限元软件模型格式杂谈

洒脱

　当仿真工作者进入一个更高层的应用，或者在一个全新的领域做分析时，商业通用的有限元软件可能不能满足需求，此时做算法的编程会是更自由的解决方案，本文作者详细介绍了三种模型格式的优缺点。　　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)等;。
　　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。
　　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。
　　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，而且缺乏数据流的灵活性。
　　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，核心数据的保值
　　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”了,  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，兼容性的保障
　　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。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，一个模型如果在旧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，多格式的支持
　　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，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。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转有格式上;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;
来源：元计算官方网站