材料力学仿真软件：Code_Aster_（1）.Code_Aster概述
Code_Aster概述
1. Code_Aster简介
Code_Aster 是一个免费提供源代码的开源材料力学仿真软件，在结构力学、热力学以及流体力学等多个领域中广泛应用。该软件采用有限元法开展线性及非线性静力及动力分析，并由法国核能安全与辐射防护研究所（IRSN）与法国电力公司（EDF）共同承担研发与维护工作以确保其功能的强大性和灵活性
1.1 Code_Aster的历史与发展
自1980年代以来，在解决复杂的核工业工程问题这一目标指引下
1.2 Code_Aster的主要特点
多物理场分析 ：Code_Aster 能够处理多种物理场之间的相互作用，并涵盖结构力学、热力学以及流体力学等多个领域。
非线性分析 ：能够处理几何非线性、材料非线性及接触问题。
丰富的单元库 ：提供多种单元类型，适用于不同的工程问题。
并行计算 ：支持多处理器并行计算，提高仿真效率。
该功能支持高度可定制的功能扩展：允许用户利用Python脚本以及Fortran子程序创建材料模型并设置边界条件等。
强大的后处理功能 ：集成后处理工具，方便结果的可视化和分析。
广泛的社区支持 ：拥有活跃的用户和开发者社区，提供丰富的资源和帮助。
1.3 Code_Aster的应用领域
Code_Aster 广泛应用于以下领域：
核工业 ：核反应堆结构分析、辐照效应模拟。
电力工业 ：发电机、变压器等设备的热力学分析。
航空航天 ：飞机结构、发动机部件的静力学和动力学分析。
汽车制造 ：车身结构、碰撞分析。
土木工程 ：桥梁、建筑物的结构分析。
生物医学 ：人体组织和器官的力学分析。
2. Code_Aster的基本架构
Code_Aster 的系统架构设计使其具备高效的解决方案能力。主要由以下几个部分构成：
2.1 输入文件
Code_Aster 的输入文件通常包含以下内容：
模型定义 ：包括几何、网格、材料属性等。
边界条件 ：定义模型的约束和载荷。
分析类型 ：指定仿真类型，如线性静力学、非线性动力学等。
求解参数 ：设置求解器的参数，如收敛准则、迭代次数等。
输出要求 ：指定所需的结果类型，如位移、应力、应变等。
2.2 求解器
Code_Aster 使用有限元方法进行求解。求解器部分包括：
线性求解器 ：适用于线性问题，如线性静力学分析。
非线性求解器 ：适用于非线性问题，如大变形分析、材料非线性分析等。
动力学求解器 ：适用于动力学问题，如瞬态动力学分析。
2.3 后处理工具
用于分析与可视化的仿真结果的后处理工具被集成于Code_Aster中，并提供丰富的可视化功能来辅助使用。此外，在编写Python脚本时也可以自定义后续处理功能以满足特定需求。
2.4 用户定义功能
该软件支持用户利用Python脚本和Fortran子程序来定制材料模型与边界条件等细节。从而为解决特定类型的问题提供了高度的灵活性。
2.5 文档与支持
Code_Aster 包含了详尽的文档与丰富的在线资源库，其中涵盖了用户手册书、开发者指南以及示例代码等多种类型的信息。同时，活跃的社区论坛与邮件列表则为用户提供及时的技术支持与帮助。
3. Code_Aster的安装与配置
3.1 安装环境
Code_Aster支持运行于多种操作系统，并具体包括Linux操作系统、Windows操作平台以及macOS平台的环境配置。在安装前，请确保系统已满足以下条件：有足够的存储空间以支持软件包的下载与解压操作，并且网络连接稳定以便顺利完成软件更新流程。
操作系统 ：推荐使用Linux，尤其是Ubuntu或Debian。
硬件要求 ：建议至少4GB内存，多核处理器。
软件依赖 ：需要安装Python、Fortran编译器、MPI库等。
3.2 安装步骤
安装依赖库 ：
# Ubuntu
sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential gfortran python3-dev liblapack-dev libblas-dev mpich下载Code_Aster ：
wget https://code-aster.org/download/source/Code_Aster-13.6.0.tar.gz
tar -xvf Code_Aster-13.6.0.tar.gz
cd Code_Aster-13.6.0编译安装 ：
# 配置编译选项
./configure --prefix=/usr/local/codeaster --with-mpi=mpich
# 编译
make
# 安装
sudo make install3.3 配置环境变量
安装完成后，需要配置环境变量以便使用Code_Aster：
# 编辑.bashrc文件
echo 'export PATH=/usr/local/codeaster/bin:$PATH' >> ~/.bashrc
echo 'export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/codeaster/lib:$LD_LIBRARY_PATH' >> ~/.bashrc
# 使配置生效
source ~/.bashrc3.4 验证安装
安装完成后，可以通过运行示例文件来验证安装是否成功：
# 运行示例文件
code_aster --run /usr/local/codeaster/examples/MECA_STATI/MECA_STATI_001/MECA_STATI_001_med.py4. Code_Aster的基本使用
4.1 输入文件结构
Code_Aster 的输入文件通常以.comm为扩展名，包含以下几个部分：
模型定义 ：定义几何和网格。
材料属性 ：定义材料的弹性模量、泊松比等。
边界条件 ：定义约束和载荷。
求解参数 ：设置求解器的参数。
输出要求 ：指定结果类型和文件格式。
4.2 示例：线性静力学分析
以下是一个简单的线性静力学分析示例，分析一个简支梁的位移和应力。
4.2.1 几何和网格定义
# 定义几何
DEBUT()
CALCUL = CALCULEL()
CALCUL.CREER_MAILLAGE(
NB_DIM=2,
COOR_X=[0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0],
COOR_Y=[0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
GROUP_NO_1="ALL",
GROUP_NO_2="NOT",
GROUP_NO_3="EXT",
GROUP_NO_4="INT",
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)
# 定义网格
CALCUL.ASSOC_MAILLAGE(
MAILLAGE=DEBUT.MAILLAGE,
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)4.2.2 材料属性定义
# 定义材料属性
CALCUL.DEFINI_MATERIAU(
MATER="Steel",
ELAS={
"E": 210.0e9, # 弹性模量
"NU": 0.3, # 泊松比
"RHO": 7800.0, # 密度
}
)4.2.3 边界条件定义
# 定义边界条件
CALCUL.DEFINI_CAS_CHARG(
CAS="SimpleSupport",
CHARG={
"TYPE": "FIX",
"GROUP_NO": "ALL",
"DX": 0.0,
"DY": 0.0,
}
)
# 定义载荷
CALCUL.AJOUTE_CHARG(
CAS="SimpleSupport",
CHARG={
"TYPE": "FORCE",
"GROUP_MA": "EXT",
"FY": -10000.0,
}
)4.2.4 求解参数设置
# 设置求解参数
CALCUL.DEFINI_PARAM(
PARAM={
"SOLVEUR": "MUMPS",
"MAX_ITER": 100,
"CONVERGENCE": 1.0e-6,
}
)4.2.5 运行仿真
# 运行仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="BeamModel",
MATERIAU="Steel",
CAS_CHARG="SimpleSupport",
TYPE="MECA_STATI",
RESULTAT="Results",
)4.2.6 输出结果
# 输出结果
CALCUL.EXTRAIT_RESULTAT(
RESULTAT="Results",
CHAMP="DEPL",
FORMAT="MED",
FICHIER="Results.med"
)
FIN()4.3 运行仿真
将上述代码保存为 beam_analysis.comm，然后通过命令行运行仿真：
code_aster --run beam_analysis.comm4.4 结果分析
运行完成后，结果文件 Results.med 可以通过Salome Meca进行可视化分析。
5. Code_Aster的高级功能
5.1 非线性分析
Code_Aster的核心功能之一是非线性分析，并且该系统具备处理复杂变形和材料非线性的能力。以下段落将展示一个典型的非线性静力分析案例。
5.1.1 定义非线性材料模型
# 定义非线性材料模型
CALCUL.DEFINI_MATERIAU(
MATER="Rubber",
ELAS={
"E": 0.05e9, # 弹性模量
"NU": 0.49, # 泊松比
"RHO": 1200.0, # 密度
},
NL_elas={
"LAW": "MOONEY_RIVLIN",
"C10": 1.0e5,
"C01": 1.0e5,
}
)5.1.2 设置非线性求解参数
# 设置非线性求解参数
CALCUL.DEFINI_PARAM(
PARAM={
"SOLVEUR": "MUMPS",
"MAX_ITER": 200,
"CONVERGENCE": 1.0e-8,
"NL_METHOD": "NEWTON",
}
)5.1.3 运行非线性仿真
# 运行非线性仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="RubberModel",
MATERIAU="Rubber",
CAS_CHARG="SimpleSupport",
TYPE="MECA_NONLINE_STATI",
RESULTAT="NonlinearResults",
)5.2 动力学分析
动态行为分析用于探讨结构对动态载荷的影响。以下是一个 transient 动力学习题的示例。
5.2.1 定义动力学模型
# 定义动力学模型
CALCUL.DEFINI_MODELE(
MODELE="BeamModel",
TYPE="DYNAMIQUE",
DIMENSION=2,
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)5.2.2 设置动力学求解参数
# 设置动力学求解参数
CALCUL.DEFINI_PARAM(
PARAM={
"SOLVEUR": "MUMPS",
"MAX_ITER": 100,
"CONVERGENCE": 1.0e-6,
"TIME_STEP": 0.01,
"TOTAL_TIME": 1.0,
}
)5.2.3 运行动力学仿真
# 运行动力学仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="BeamModel",
MATERIAU="Steel",
CAS_CHARG="SimpleSupport",
TYPE="MECA_DYNAMIQUE",
RESULTAT="DynamicResults",
)5.3 用户定义功能
开发者可以通过开发Python脚本以及Fortran子程序来实现功能定制化。例如，在Python脚本中明确说明了自定义载荷的配置方式。
5.3.1 编写Python脚本
# custom_load.py
import numpy as np
from code_aster import *
def custom_force(t, x, y):
"""
自定义载荷函数
:param t: 时间
:param x: x坐标
:param y: y坐标
:return: 载荷值
"""
if t < 0.5:
return -10000.0
else:
return -5000.0
# 定义载荷
CALCUL.AJOUTE_CHARG(
CAS="CustomLoad",
CHARG={
"TYPE": "FORCE",
"GROUP_MA": "EXT",
"FY": custom_force,
}
)5.3.2 运行自定义载荷仿真
# beam_analysis_custom_load.comm
DEBUT()
CALCUL = CALCULEL()
# 导入自定义载荷脚本
CALCUL.IMPORT_SCRIPT("custom_load.py")
# 定义几何和网格
CALCUL.CREER_MAILLAGE(
NB_DIM=2,
COOR_X=[0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0],
COOR_Y=[0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0],
GROUP_NO_1="ALL",
GROUP_NO_2="NOT",
GROUP_NO_3="EXT",
GROUP_NO_4="INT",
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)
# 定义材料属性
CALCUL.DEFINI_MATERIAU(
MATER="Steel",
ELAS={
"E": 210.0e9,
"NU": 0.3,
"RHO": 7800.0,
}
)
# 定义边界条件
CALCUL.DEFINI_CAS_CHARG(
CAS="SimpleSupport",
CHARG={
"TYPE": "FIX",
"GROUP_NO": "ALL",
"DX": 0.0,
"DY": 0.0,
}
)
# 添加自定义载荷
CALCUL.AJOUTE_CHARG(
CAS="CustomLoad",
CHARG={
"TYPE": "FORCE",
"GROUP_MA": "EXT",
"FY": custom_force,
}
)
# 设置求解参数
CALCUL.DEFINI_PARAM(
PARAM={
"SOLVEUR": "MUMPS",
"MAX_ITER": 100,
"CONVERGENCE": 1.0e-6,
}
)
# 运行仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="BeamModel",
MATERIAU="Steel",
CAS_CHARG="CustomLoad",
TYPE="MECA_STATI",
RESULTAT="CustomLoadResults",
)
# 输出结果
CALCUL.EXTRAIT_RESULTAT(
RESULTAT="CustomLoadResults",
CHAMP="DEPL",
FORMAT="MED",
FICHIER="CustomLoadResults.med"
)
FIN()5.4 多物理场耦合分析
多种物理场的集成分析是Code_Aster中的一个核心模块，在解决涉及多个不同物理领域的问题时表现出色。作为实例，请参考结构-热耦合分析的部分。
5.4.1 定义热模型
# 定义热模型
CALCUL.DEFINI_MODELE(
MODELE="ThermalModel",
TYPE="THERMIQUE",
DIMENSION=2,
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)5.4.2 设置热边界条件
# 设置热边界条件
CALCUL.DEFINI_CAS_CHARG(
CAS="HeatFlux",
CHARG={
"TYPE": "FLUX",
"GROUP_MA": "EXT",
"FLUX": 1000.0,
}
)5.4.3 运行热仿真
# 运行热仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="ThermalModel",
MATERIAU="Steel",
CAS_CHARG="HeatFlux",
TYPE="THERMIQUE",
RESULTAT="ThermalResults",
)5.4.4 耦合热-结构仿真
# 耦合热-结构仿真
CALCUL.DEFINI_MODELE(
MODELE="CoupModel",
TYPE="COUPLAGE",
DIMENSION=2,
GROUP_MA_1="ALL",
GROUP_MA_2="NOT",
GROUP_MA_3="EXT",
GROUP_MA_4="INT",
)
# 设置耦合参数
CALCUL.DEFINI_PARAM(
PARAM={
"SOLVEUR": "MUMPS",
"MAX_ITER": 100,
"CONVERGENCE": 1.0e-6,
"COUPLAGE": {
"THERMIQUE": "ThermalResults",
"MECANIQUE": "BeamModel",
},
}
)
# 运行耦合仿真
CALCUL.RUN(
MODELE="CoupModel",
MATERIAU="Steel",
CAS_CHARG="SimpleSupport",
TYPE="COUPLAGE",
RESULTAT="CoupResults",
)
# 输出结果
CALCUL.EXTRAIT_RESULTAT(
RESULTAT="CoupResults",
CHAMP="DEPL",
FORMAT="MED",
FICHIER="CoupResults.med"
)
FIN()5.5 高级后处理
Code_Aster的后处理工具具有显著的有效性，并且能够执行多维度的数据分析与直观呈现的能力。以下是一些高级后处理的具体应用实例。
5.5.1 结果可视化
使用Salome Meca进行结果可视化：
启动Salome Meca ：
salome导入结果文件 ：
在Salome Meca中，选择 File -> Open，导入 Results.med 文件。
设置可视化参数 ：
选择 Mesh 模块，查看网格。
选择 Study 模块，设置结果类型，如位移、应力等。
使用 Visualization 模块，调整视图和颜色映射。
5.5.2 结果分析
通过Python脚本进行结果分析：
# analysis.py
from code_aster import *
# 读取结果文件
results = READ_RESULT_FILE("Results.med")
# 提取位移结果
displacements = results.EXTRACT_FIELD("DEPL")
# 提取应力结果
stresses = results.EXTRACT_FIELD("SIEF_ELGA")
# 分析位移
max_displacement = max(displacements)
print(f"最大位移: {max_displacement}")
# 分析应力
max_stress = max(stresses)
print(f"最大应力: {max_stress}")
# 保存分析结果
results.SAVE_ANALYSIS_RESULTS("analysis_results.txt")5.6 并行计算
Code_Aster系统采用了多核处理器架构进行并行运算，在仿真效率方面表现出了显著提升效果。具体说明方面包括配置参数设置、运行环境优化策略以及典型案例分析等详细内容。
5.6.1 配置并行计算
在编译和安装Code_Aster时，确保配置支持MPI：
# 配置编译选项
./configure --prefix=/usr/local/codeaster --with-mpi=mpich
# 编译
make
# 安装
sudo make install5.6.2 运行并行计算
使用MPI运行并行计算：
# 运行并行仿真
mpirun -np 4 code_aster --run beam_analysis.comm5.7 其他高级功能
Code_Aster还提供了许多其他高级功能，如：
优化分析 ：支持结构优化和参数优化。
不确定性分析 ：处理材料属性和几何参数的不确定性。
多尺度分析 ：支持从微观到宏观的多尺度建模。
6. Code_Aster的未来展望
6.1 开源社区的发展
Code_Aster的开源社区异常活跃，在此背景下持续吸引着众多新成员参与进来。该平台的主要发展方向涵盖以下几个方面：首先致力于技术优化与功能拓展；其次重点在于提高用户体验并加强系统安全性；最后则聚焦于推动社区协作机制的完善与创新。
功能扩展 ：增加新的物理模型和求解算法。
性能优化 ：提高并行计算的效率和稳定性。
用户界面改进 ：提供更加友好和直观的用户界面。
6.2 新技术的集成
Code_Aster计划集成更多的新技术，如：
机器学习 ：利用机器学习技术优化仿真参数和预测结果。
云计算 ：支持在云端进行大规模仿真，降低用户的硬件成本。
实时仿真 ：实现仿真结果的实时反馈，提高设计效率。
6.3 用户案例和应用
Code_Aster的应用范围持续扩大，并且其用户案例涉及了众多难度较高的工程挑战。例如：
核反应堆 ：模拟核反应堆结构在极端条件下的行为。
航空航天 ：研究飞机结构在不同飞行条件下的动力学响应。
汽车制造 ：分析汽车碰撞过程中的结构变形和安全性能。
7. 总结
Code_Aster represents a powerful software for multiphysical field simulations, distinguished by its open-source nature, making it the preferred tool for both academic research and industrial applications. Equipped with versatile input files, a robust solver suite, and advanced post-processing capabilities, users can efficiently address a wide range of complex engineering challenges. Looking ahead, Code_Aster is poised to evolve further by integrating emerging technologies, offering users comprehensive and efficient simulation solutions.