开源有限元分析软件-Elmer FEM 开发教程（7）与其他工具集成-优快云博客

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7.1 引言

Elmer FEM 是一个强大的多物理场有限元分析工具，通过与其他软件和工具的集成，可以显著扩展其功能和应用场景。常见的集成对象包括：

网格生成工具：如 Gmsh，用于生成复杂几何的网格。
数据分析工具：如 MATLAB 和 Python，用于参数化研究和后处理。
可视化工具：如 ParaView，用于结果展示。

本章将详细说明如何实现这些集成，提供清晰的步骤和实用示例，适合初学者和高级用户。

7.2 与 Gmsh 集成

Gmsh 是一个开源的网格生成工具，广泛用于有限元分析的预处理。Elmer FEM 支持从 Gmsh 导入网格并转换为其内部格式。

集成步骤

在 Gmsh 中生成网格
使用 Gmsh 创建几何模型并生成网格，保存为 .msh 文件。
转换为 Elmer 格式
使用 ElmerGrid 工具将 .msh 文件转换为 Elmer 可用的格式。
在 Elmer 中使用网格
在 Elmer 的 .sif 文件中引用转换后的网格。

示例：从 Gmsh 导入网格

以下是一个简单的矩形网格生成和导入流程：

创建 Gmsh 脚本
创建文件 rect.geo：

Point(1) = {0, 0, 0, 1.0};
Point(2) = {1, 0, 0, 1.0};
Point(3) = {1, 1, 0, 1.0};
Point(4) = {0, 1, 0, 1.0};
Line(1) = {1, 2};
Line(2) = {2, 3};
Line(3) = {3, 4};
Line(4) = {4, 1};
Line Loop(5) = {1, 2, 3, 4};
Plane Surface(6) = {5};
Physical Surface("Domain") = {6};
Physical Line("Left") = {4};
Physical Line("Right") = {2};

生成网格
在终端运行：
```
gmsh rect.geo -2 -o rect.msh
```
转换为 Elmer 格式
使用 ElmerGrid：
```
ElmerGrid 14 2 rect.msh -out rect_mesh
```
- 14 表示 Gmsh 输入格式。
- 2 表示 Elmer 输出格式。
- -out rect_mesh 指定输出目录。
在 .sif 文件中引用
在 .sif 文件中添加：
```
Header
  Mesh DB "rect_mesh" "rect_mesh"
End
```

通过以上步骤，Gmsh 生成的网格即可无缝集成到 Elmer FEM 中。

7.3 与 MATLAB 集成

MATLAB 是一个强大的数据分析和可视化工具，可用于 Elmer FEM 的后处理或参数化研究。

集成方法

导出 Elmer 结果
将模拟结果保存为 .vtu 文件或 ASCII 格式。
在 MATLAB 中读取数据
使用 MATLAB 的文件读取函数导入数据。
分析和可视化
利用 MATLAB 的工具进行处理。

示例：读取 Elmer 结果

导出 .vtu 文件
在 .sif 文件中设置：
```
Post File = "results.post"
```
运行 ElmerSolver 后生成 results.post.vtu。
在 MATLAB 中读取
MATLAB 无内置 VTU 读取器，可使用第三方工具（如 VTK for MATLAB）或以下替代方法：
- 导出 ASCII 格式结果，使用 textread 读取。
- 用 ParaView 转换为 CSV 格式后导入 MATLAB。

示例：参数化研究

使用 MATLAB 自动化生成 .sif 文件并运行模拟：

for T = 100:10:200
    sif_content = sprintf('Boundary 1\n  Temperature = %f\nEnd', T);
    fid = fopen('boundary.sif', 'w');
    fprintf(fid, sif_content);
    fclose(fid);
    system('ElmerSolver your_simulation.sif');
end

此脚本将边界温度从 100°C 增加到 200°C，每次步长 10°C，运行多次模拟。

7.4 与 Python 集成

Python 的灵活性使其非常适合自动化 Elmer FEM 工作流程。

集成方法

生成 .sif 文件
使用 Python 脚本动态生成 .sif 文件。
运行 ElmerSolver
通过 subprocess 模块调用 ElmerSolver。
后处理
使用 Python 库（如 vtk 或 matplotlib）处理结果。

示例：自动化模拟

以下是一个完整的 Python 自动化流程：

def generate_sif(mesh_file, output_file, temp_left, temp_right):
    sif_content = f"""
Header
  Mesh DB "{mesh_file}" "{mesh_file}"
End

Simulation
  Coordinate System = Cartesian 2D
  Output File = {output_file}
  Post File = heat.post
End

Solver 1
  Procedure = "HeatSolve" "HeatSolver"
  Executive Solver = Logical True
End

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

Body 1
  Material = 1
End

Boundary 1
  Name = "Left"
  Temperature = {temp_left}
End

Boundary 2
  Name = "Right"
  Temperature = {temp_right}
End
"""
    with open("heat.sif", "w") as f:
        f.write(sif_content)

# 生成 .sif 文件
generate_sif("rect_mesh", "Results", 100, 0)

# 运行 ElmerSolver
import subprocess
subprocess.run(["ElmerSolver", "heat.sif"])

# 后处理
import vtk
reader = vtk.vtkXMLUnstructuredGridReader()
reader.SetFileName("heat.post.vtu")
reader.Update()
data = reader.GetOutput()
# 可进一步分析 data