【优秀作品展播】基于FastCAE平台的多物理场仿真软件开发分享

第二届开放原子大赛——开源工业软件算法集成大赛路演近期圆满收官。FastCAE特此推出【开源工业软件算法集成大赛优秀作品专栏】，聚焦第二届开放原子大赛路演成果。

大赛汇聚工业软件领域专业技术团队，通过组件化集成模式推动国产工业软件生态建设，现精选优秀作品进行集中展播。

本作品首先基于结构有限元库deal.II的线弹性求解器elasticity，依托FastCAE提供的网格生成引擎、几何操作界面、数据注册工厂等功能，开发了一个涵盖了网格生成、边界设置、材料配置、求解与后处理的结构有限元软件APPDealII。

其次，通过对FastCAE-Flow组件进行二次开发，集成新求解器，并结合APPDealII与preCICE，构建了一个能够实现流固耦合的仿真系统。

最后，借助FastCAE-Workbench，实现对上述仿真组件的统一管理，并支持在工作台中配置流固耦合仿真流程。

1 流固耦合系统集成背景

1.1流固耦合背景

流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）用于研究流体与固体间的相互作用，能够准确地反应真实的物理变化过程，广泛应用于汽车工业、航空航天、船舶工程等领域。但是目前进行流固耦合仿真主要采用商业软件，但是这些商业软件也存在着以下问题：

（1）数据格式不兼容：不同厂商之间的数据格式不兼容，导致跨平台或跨软件的流动性差，增加了数据转换和整合的工作量。

（2）授权费用昂贵：商业软件的授权费用昂贵，尤其对于中小型企业或个人开发者而言，成本成为使用的一个重要障碍。

（3）二次开发困难：商业软件通常提供的二次开发支持有限，无法灵活定制和扩展其功能，限制了特定需求的实现。

1.2系统介绍

针对商业流固耦合软件存在的问题，开发团队以开源多物理场数值模拟耦合库preCICE为基础，开发了一套灵活可拓展的流固耦合系统。该系统基于OpenFOAM流体计算平台和deal.II结构力学计算库，通过preCICE作为流固耦合的中间件，并开发适配器以实现求解器之间的数据交换和耦合。

图1 流固耦合系统组成

但是这些软件使用时需要通过命令行运行，流程缺乏自动化支持，并且需要切换其它软件完成前后处理交互流程。对于该问题，FastCAE软件通过采用开源底座加组件集群和学科套件的集成开发模式，将preCICE、OpenFOAM、deal.II集成为了三个软件：

AppPreCICE、AppOpenFOAM、AppDealII

AppPreCICE、AppOpenFOAM、AppDealII作为流固耦合组件，被整合到FastCAE-Workbench平台中。通过这种集成，用户将能够在UI界面中完成从前处理到求解再到后处理的流固耦合全过程，大幅提升使用效率并降低操作复杂度。