开源有限元分析软件-Elmer FEM 开发教程 （3）理解和创建模拟输入文件 (.sif 文件)

3.1 引言

在本章中，我们将深入探讨 Elmer FEM 模拟的核心组成部分：模拟输入文件，通常称为 .sif 文件。这些文件是 ElmerSolver 的输入，用于定义要解决的物理问题，包括几何体（通过网格）、材料属性、边界条件和求解器设置。掌握 .sif 文件的创建和编辑是进行 Elmer FEM 模拟的关键技能，也是二次开发的基础，因为它允许开发者自定义和扩展现有模型。本章将介绍 .sif 文件的结构、用途，并通过一个简单的热传导示例展示如何创建和运行模拟。无论是初学者还是经验丰富的开发者，理解 .sif 文件都是迈向高级开发的重要一步。

3.2 什么是 .sif 文件？

.sif 文件（Solver Input File）是一个文本格式的输入文件，用于配置 ElmerSolver 以运行特定的有限元模拟。它包含了模拟所需的所有信息，包括：

• 网格文件：定义几何体和网格结构。
• 物理模型：指定要解决的物理方程（如热传导、流体动力学）。
• 材料属性：定义材料的物理特性（如热导率、密度）。
• 边界条件：设置边界上的物理约束（如固定温度、热通量）。
• 求解器参数：控制求解过程的设置（如迭代次数、收敛容差）。

.sif 文件的结构类似于 INI 文件，由多个部分组成，每个部分通过关键字（如 Header、Simulation、Solver 等）定义，并包含键值对来设置参数。.sif 文件的灵活性使其成为 Elmer FEM 的核心，允许用户通过简单的文本编辑实现复杂的模拟设置。

3.3 .sif 文件的结构

一个典型的 .sif 文件包含以下主要部分，每个部分以 End 关键字结束：

部分	描述
Header	指定网格文件和检查点文件（用于恢复模拟）。
Simulation	定义全局模拟设置，如坐标系、时间步长、输出文件等。
Solver	配置求解器，包括物理方程、求解器模块和参数（如迭代次数、容差）。
Material	定义材料属性，如热导率、密度、弹性模量等。
Body	将材料和其他属性分配给网格中的体（几何区域）。
Boundary	定义边界条件，如固定值、热通量或力。
Initial Condition	为时间相关问题设置初始条件（可选）。
Equation	指定哪些求解器应用于特定体（可选）。
Component	定义多物理场耦合的组件（可选）。

以下是一个简化的 .sif 文件结构示例：

Header
  Mesh DB "mesh_name" "mesh_name"
End

Simulation
  Coordinate System = Cartesian 2D/3D
  Output File = "output_name"
  Post File = "post_name"
End

Solver 1
  Procedure = "ModuleName" "SolverName"
  Executive Solver = Logical True
  [其他求解器参数]
End

Material 1
  Name = "MaterialName"
  [材料属性，如 Heat Conductivity]
End

Body 1
  Material = 1
  [其他体属性]
End

Boundary 1
  Name = "BoundaryName"
  [边界条件，如 Temperature、Heat Flux]
End

[更多边界定义]

[其他部分，如 Initial Condition]

注意事项：

• 每个部分必须以 End 关键字结束。
• 参数名称对大小写敏感。
• 网格文件必须与 Header 部分中的 Mesh DB 名称匹配。

3.4 示例：热传导问题

为了更好地理解 .sif 文件的实际应用，我们将通过一个简单的二维热传导问题进行演示。假设我们有一个矩形区域，设置如下：

• 左侧边界温度固定为 100°C。
• 右侧边界温度固定为 0°C。
• 上下边界为绝热（无热通量）。
• 材料为均匀材料，热导率为 1.0（任意单位）。
• 模拟目标是求解稳态温度分布。

以下是对应的 .sif 文件：

Header
  Mesh DB "heat_mesh" "heat_mesh"
End

Simulation
  Coordinate System = Cartesian 2D
  Output File = Results
  Post File = heat.post
End

Solver 1
  Procedure = "HeatSolve" "HeatSolver"
  Executive Solver = Logical True
  Steady State Max Iterations = 200
  Steady State Tolerance = 1.0e-6
End

Material 1
  Name = "Material 1"
  Heat Conductivity = 1.0
End

Body 1
  Material = 1
End

Boundary 1
  Name = "Left"
  Temperature = 100
End

Boundary 2
  Name = "Right"
  Temperature = 0
End

Boundary 3
  Name = "Top"
  Heat Flux = 0
End

Boundary 4
  Name = "Bottom"
  Heat Flux = 0
End

部分解释：

• Header：指定网格文件为 heat_mesh，假设该网格文件已通过 ElmerGrid 或 Gmsh 生成。
• Simulation：设置二维笛卡尔坐标系，输出文件为 Results，后处理文件为 heat.post。
• Solver 1：使用 HeatSolve 模块中的 HeatSolver 求解热传导方程。Executive Solver = Logical True 表示这是主求解器。Steady State Max Iterations 和 Steady State Tolerance 控制稳态求解的迭代次数和收敛容差。
• Material 1：定义一个名为 Material 1 的材料，热导率为 1.0。
• Body 1：将 Material 1 分配给整个网格体（假设网格只有一个体）。
• Boundary 1-4：定义边界条件。Boundary 1 和 Boundary 2 设置固定温度，Boundary 3 和 Boundary 4 设置零热通量（绝热）。

3.5 运行模拟

要运行此模拟，请按照以下步骤操作：

1. 确保网格文件 heat_mesh 已存在（后续章节将介绍如何生成网格）。
2. 将上述内容保存为 heat.sif 文件。
3. 在命令行中运行 ElmerSolver：

   ElmerSolver heat.sif
   

   这将读取 heat.sif 文件，执行模拟，并生成指定的输出文件（Results 和 heat.post）。

运行输出：

• ElmerSolver 将在控制台显示模拟进度，包括迭代次数和收敛信息。
• 如果模拟成功，输出文件将包含温度分布等结果。

3.6 可视化结果

模拟完成后，可以使用以下工具可视化结果：

• ParaView（推荐）：一个功能强大的开源可视化工具，适合处理 Elmer 的 .vtu 文件。
  • 打开 heat.post.vtu 文件（假设 Post File 设置为 heat.post）。
  • 使用颜色映射查看温度分布，或添加其他可视化选项（如等高线）。
• ElmerPost：Elmer 自带的可视化工具，但功能有限，已停止开发。

ParaView 使用步骤：

1. 下载并安装 ParaView。
2. 打开 heat.post.vtu 文件。
3. 选择“温度”字段，应用颜色映射以查看温度分布。

3.7 二次开发的意义

对于二次开发，.sif 文件是至关重要的接口，因为它定义了 ElmerSolver 如何处理物理问题。通过修改 .sif 文件，您可以：

• 调整参数：更改材料属性、边界条件或求解器设置以测试不同场景。
• 集成自定义求解器：在 Solver 部分引用自定义模块（将在后续章节介绍）。
• 自动化模拟：结合脚本（如 Python）生成 .sif 文件以运行参数化研究。

例如，您可以在 .sif 文件中添加自定义材料模型或边界条件，这需要编写 Fortran 代码并在 Procedure 关键字中引用。后续章节将深入探讨这些高级技术。

3.8 注意事项

• 网格文件：确保 Header 部分中的网格文件存在且格式正确。网格生成将在后续章节详细介绍。
• 语法正确性：.sif 文件对大小写敏感，参数名称和值必须匹配 Elmer 的预期格式。
• 调试：如果模拟失败，检查控制台输出以识别问题，如网格错误或收敛失败。
• 文档参考：查阅 Elmer Models Manual 获取更多求解器参数和关键字。

3.9 总结

本章介绍了 .sif 文件的基本概念、结构和使用方法，并通过一个简单的热传导示例展示了如何创建和运行模拟。.sif 文件是 Elmer FEM 的核心，连接网格、物理模型和求解器，为二次开发提供了灵活的接口。通过掌握 .sif 文件的编辑，您可以轻松运行标准模拟，并为后续的自定义求解器开发奠定基础。下一章将探讨网格生成和处理，为创建 .sif 文件所需的网格文件做好准备。