使用WELSIM生成SU2求解器文件

SU2 最初是由美国斯坦福大学带领开发的一款开源CFD求解器。近几年在用户和开发人员的不断努力下，SU2已成为一个相对成熟的CFD工具，含有了可压缩和不可压缩流体的Euler、NS和 RANS求解器。可进行从低速不可压流动到高超速可压缩流体的计算。支持OpenMP与MPI并行计算，同时具备了网格自适应功能。因此广泛适用于学术与工业界。目前 GitHub 上提供了SU2的全部源代码， 用户可以从笔记本电脑到超级计算机的多种系统上运行此项目。同时，得益于LGPL协议，SU2对于商业的使用也是相对友好。

SU2求解器计算输入文件简洁明了，容易学习。用户只需要提供后缀名为cfg的控制文件，和SU2自有格式或CGNS网格文件。cfg文件包含流场计算所需的网格之外的全部信息。WELSIM会根据用户的模型设置自动生成配置与网格文件。

WELSIM中生成SU2求解器文件

1. 设置流体分析

新建一个项目，并将项目的物理类型设为流体（Fluids）。选择需要的分析类型，如图所示，流体提供了：稳态和瞬态两种分析类型。

2. 添加材料定义流场相关属性

WELSIM提供了丰富的材料模型，用户可以快速添加流体属性并定义参数。目前已经支持的流体属性有：密度，导热率，特热常数，粘度系数，普朗特数等。同时提供了流体分析中常用的空气与水的材料。如下图所示是WELSIM的通用材料编辑界面。

3. 边界条件与场域条件

流体分析中，边界与场域是重要的输入条件。WELSIM目前支持了SU2主要的边界条件类型。支持的边界条件有 对称面，欧拉墙，远场，进流口，出流口，温度，热通量。支持的场域条件有初始速度，速度，自由流场等。

4. 网格划分

WELSIM提供快速的自动化网格划分，支持Tet4/10和Tri3/6网格。简单设置单元的大小后，执行网格划分命令，即可得到实体流体网格。尽管SU2使用的是有限体积算法同时支持非结构化网格，WELSIM划分的有限元网格完全满足计算要求。下图所示自动生成的2D与3D网格。

5. 设置计算条件

由于CFD计算的复杂性，SU2为用户提供了多种计算条件的设置。WELSIM也对应地提供了各种计算设置，如湍流模型，密度模型，对流模型，多重网格算法等设置。设置界面如下图所示。

5. 导出求解器文件

完成以上设置后，在菜单栏的工具（Tools）选项中，选择输出SU2文件，即可在指定目录得到输出文件。使用SU2_CFD可执行文件，可以直接进行流体动力学的计算。

至此，SU2求解器文件导出工作已经完成。

如果用户希望在WELSIM中直接调用SU2求解器也是可以实现的，只需点击计算按钮，WELSIM会自动调用SU2求解器进行计算。计算完成后，用户可以直接进行后处理操作。下图展示了在WELSIM中调用SU2后，直接后处理的CFD计算云图。

由于WELSIM的易用性，生成用于SU2计算的复杂模型变得简单快捷。目前WELSIM 2023R3开发版中已经含有此功能，并在以后的版本中不断维护与增强。

WelSim与作者不隶属于SU2。和SU2开发团队与机构没有直接关系。这里引用SU2仅用作技术博客文章与软件使用的参考。

WELSIM发布2023R2版本，支持开源电磁仿真求解器

 通用工程仿真分析软件WELSIM发布了最新的2023R2版本（内部版本号2.6）。相对于上一个版本，2023R2版本含有许多新的功能与增强，能够更好地支持大型电磁仿真与显式动力学分析。

支持Palace求解器文件生成

支持了Palace求解器输入程序的自动生成，同时也是全球第一款完整支持Palace的前处理软件。支持的分析类型有：静电场，静磁场，模态，驱动，和全波瞬态。支持的电磁材料属性有：相对介电常数，相对磁渗透率，导电常数，介电损耗角正切量等。

同时，支持的边界条件有：完美电导面，完美磁导面，吸收边界，电导边界，阻抗边界，集总端口，波导端口，表面电流，零势地面，零电荷等。

生成的网格文件与JSON控制文件，可以直接用于Palace求解器的计算。详情参见《使用WELSIM生成电磁计算软件Palace的求解器文件》一文。

支持网格导出为Gmsh和Nastran格式

WELSIM支持各种类型网格的导出。本次新版本增加了对Gmsh与Nastran格式的支持，这两种格式在社区都有广泛的应用。用户既可以在Palace求解文件导出中选择使用这两种格式，也可以在单独导出网格数据时，选择使用这两种格式。

支持显式动力学分析中的刚体设置

最新版本支持了可视化定义刚体，尤其是在瞬态动力学分析中，定义刚体变得简单。用户只需要在属性窗口中将几何体设置为刚体即完成操作。由于刚体在瞬态动力学和OpenRadioss中有大量应用，此功能对于用户使用WELSIM进行瞬态动力学结构仿真带来便利。详情参见《结构有限元分析中的刚体与动力学》一文。

其他增强与升级

软件总体继续加强维护与保持快速迭代。新版本优化了很多功能，使得WELSIM更加稳定、准确，且更加易于使用。如增加了打开历史文件，弹簧边界条件等新功能。第三方库应用方面，JSON库扩展采用了nlohmann/json，升级MFEM至4.5版本，升级Hypre至2.25版本，升级FrontISTR至5.5版本。

WelSim不隶属于Palace，OpenRadioss，Gmsh, Nastran等团队，和以上开发者没有直接关系。这里引用Palace，OpenRadioss，Gmsh和Nastran等项目仅用作技术博客文章与软件使用的参考。

结构有限元分析中的刚体与动力学

 现代有限元仿真常含有多个结构体，当结构体有很强的刚度，且不是主要模拟对象时，我们会将这些结构体看作是刚体。计算时，也无需考虑其内部应力应变分布，可以节约大量的计算资源。分析中，这些刚体可以是静止或是运动的，对变形体产生接触力，这种方式更接近真实物理工况，在大型工程仿真中有着大量的应用。同时，随着元宇宙Metaverse的兴起，刚体有限元也会有更多的应用。

仿真中可以定义为刚体的结构类型很多。如汽车碰撞仿真中的障碍物，钣金件压铸成型中的模具，高速冲击中的冲击物，密封系统中的金属固件，跌落分析中的硬质地面等等，可以说在工程仿真，尤其是瞬态结构分析中，刚体的应用相当广泛。目前，WELSIM已经支持了刚体的定义，并进行显式动力学的求解计算。

结构仿真中定义刚体有很多优势：

1. 减少计算量。

刚体不再需要计算其内部应力应变，仅需考虑表面网格的移动或转动状况，因此节约大量计算资源。

2. 简化前处理过程。

刚体无需考虑材料、板壳单元的积分点等属性，可以减少前处理时需要考虑的物理因素。

3. 减轻后处理负荷。

在后处理中，对于刚体可以做简化处理。只需要显示出刚体的位移和旋转，无需显示应力应变等力学属性。

结合这些优点，现代结构有限元仿真中，有大量的刚体与变形体结合的分析案例，在能得到符合物理真实情况的结果同时，又能简化计算，减少计算资源，快速得到计算结果。

含有刚体的接触分析

刚体往往涉及大量的接触分析。尽管刚体和变形体计算方式不一样，但接触算法上基本一致。WELSIM中定义含有刚体的接触对与不含刚体的接触对方法是一样的。值得注意的是，根据算法的不同，有的求解器可能倾向于将刚体定义为被动接触面，用节点表示，将变形体定义为主动接触面，用单元表面表示。

WELSIM中设置刚体

WELSIM提供了快速定义刚体的方式，用户只需要在几何体的属性窗口中，将Rigid Body属性从默认的False设置为True即可。在后续的计算与处理中，此几何体都将看作是刚体。

当结构体定义为刚体时，WELSIM会在有限元网格的基础上增加一个额外的节点，用于表达当前结构体的质心。同时施加的边界条件，在转化为求解器文件时，都会施加在这个质心节点上。由于已经被定义为刚体，原本的网格单元在计算时会被忽略。仅在含有接触计算时，会考虑刚体的表面网格。

WELSIM已经在2023R2中增加了对于刚体的设置，同时支持了OpenRadioss求解器中刚体定义。以后的版本中不断完善对刚体的支持。

WelSim与作者不隶属于OpenRadioss团队，和OpenRadioss开发者没有直接关系。这里引用OpenRadioss等项目仅用作技术博客文章与软件使用的参考。

使用WELSIM生成电磁计算软件Palace的求解器文件

 2023年2月22日，美国亚马逊云端服务商AWS，发布了其用于大规模并行计算电磁学的开源项目Palace，全称为PArallel Large Scale Computational Electromagnetics，即大规模计算电磁学。Palace 在 AWS 量子计算中心用于执行复杂电磁模型的大规模 3D 模拟，并支持量子计算硬件的设计。目前 GitHub 上提供了Palace的全部源代码， 用户可以从笔记本电脑到超级计算机的多种系统上运行此项目。同时，伴随的Apache-2.0开源协议对于商业应用也是极为友好。

Palace求解器基于了MFEM有限元计算库，WELSIM在多个版本之前就支持了MFEM的输入网格格式，参见《使用WELSIM生成MFEM初始网格文件》一文。在MFEM的基础上，Palace完善了更多功能，并提供了多种电磁学的计算类型，包含静电场，静磁场，特征模态，频域与时域的驱动，和电磁波瞬态等分析。各种复杂边界条件，如波导端口等都有支持。加上开源软件的可拓展性，用户也可以在Palace的基础上，拓展所需要的计算功能。

和大多数优秀的开源求解器一样，目前Palace还没有一款简单易用的前端可视化程序。为更好地贡献工程仿真与开源社区，WELSIM最近支持了Palace求解器输入程序的自动生成，同时也是全球第一款完整支持Palace的前处理软件。用户可以从WELSIM中导出Palace支持的网格与JSON格式的计算文件，直接用于Palace的求解计算。这极大地降低了学习Palace的学习曲线，使得不同类型的使用者都可以快速使用Palace进行电磁场计算相关的工作。

WELSIM中生成Palace求解器文件

1. 设置电磁分析
2. 新建一个项目，并将项目的物理类型设为电磁学（Electromagnetics）。选择需要的分析类型，如图所示，电磁学提供了：静电场，静磁场，模态，驱动，和全波瞬态5种分析类型。

2. 添加材料与电磁属性

WELSIM提供了丰富的材料模型，用户可以快速添加电磁材料属性并定义参数。目前已经支持的Palace电磁材料属性有：相对介电常数，相对磁渗透率，导电常数，介电损耗角正切量等。如下图所示是WELSIM的通用材料编辑界面。

3. 边界条件

电磁场分析中，边界条件是重要的输入条件之一。WELSIM目前支持了Palace主要的边界条件类型。支持的边界条件有 完美电导面，完美磁导面，吸收边界，电导边界，阻抗边界，集总端口，波导端口，表面电流，零势地面，零电荷等。

4. 网格划分

WELSIM提供快速的自动化网格划分，支持Tet4/10和Tri3/6网格。简单设置单元的大小后，执行网格划分命令，即可得到有限元网格。

5. 导出求解器文件

完成以上设置后，在菜单栏的工具（Tools）选项中，选择输出Palace文件，即可在指定目录得到输出文件。

如图所示，生成的Palace求解器文件和网格文件。

在输出Palace求解器文件时，系统会根据首选项的设置输入对应的网格格式，默认格式为MFEM，用户可以在首选项中修改成想要的格式。目前支持的网格格式有Gmsh，MFEM，Nastran, VTK, 和VTU格式。

由于WELSIM的易用性，生成用于Palace计算的复杂模型变得简单快捷。目前WELSIM 2023R2的开发版中已经含有此功能，并在以后的版本中不断维护与增强。

WelSim与作者不隶属于Palace，AWS，MFEM。和Palace，AWS，MFEM 开发团队与机构没有直接关系。这里引用Palace，AWS，MFEM 仅用作技术博客文章与软件使用的参考。

有限元分析中的隐式与显式动力学方法

 工程仿真和科学计算领域有着大量的瞬态问题，需要通过时间求解器来计算得到未知量。根据时间求解器的类型，我们常将动力学问题的求解分为隐式与显式两种求解方法。WELSIM的结构仿真模块中已经支持了两种瞬态计算方法。本文会介绍两种计算方法的本质与应用优势。

隐式求解器

隐式是工程仿真中常用的瞬态求解方法，由于其计算快精度高的特点，在常规仿真计算中大量应用。隐式法最显著的特点是在每个时间步长内构建并求解ax=b矩阵方程，当控制方程含有非线性因素，还会引入非线性求解器如牛顿迭代求解器。可见隐式求解方式相对复杂，需要占用更多的计算机内存，编程也相对难以实现，尤其是并行算法更加复杂。隐式法是WELSIM的默认的瞬态计算方法。对于非线性很强的模型，当牛顿求解器无能为力时，会无法收敛。隐式的优势是无需考虑稳定性问题，时间步长可以设置的较大，因为大多数隐式时间求解器是无条件稳定的。同时各种残差余量收敛准则保证了计算精度。常见的隐式时间求解器有：Newmark, Hilber-Hughes-Taylor（HHT），Crank-Nicolson等。

显式求解器

显式法从算法上则显得简单许多，无需构建矩阵方程，从而无需求解大型ax=b方程组。对于非线性问题，也无需使用非线性求解器，一切通过时间求解器计算解决。显式法计算简单，易于编程实现，内存硬件占用小，同时对于并行算法有着天然优势，对于OpenMP，MPI，或是GPU等并行框架都能够达到很好的提速。对于高速、高率变问题有较大的收敛优势。然而缺点是需要很小的时间步长从而满足时间求解的稳定性要求，一旦不满足就会得到完全错误的结果。常见的显式时间求解器有：Runge-Kutta，中心差分法等。在WELSIM中使用显式法只需要将项目属性设置为Explicit。

总结

隐式、显式两种截然不同的计算方法，也决定着不同的应用优势。总体上，对于一些大率变问题，如结构中的大应变率问题，高速冲击与爆炸问题，显式有比较好的处理能力。对于强非线性问题，当隐式无法收敛时，也可以使用显式方法。而显式由于时间步长小，总体计算耗时长，希望随着GPU集群的普及，可以通过并行计算减少计算时长上的劣势。同时显式法的计算精度相对较低。

目前最好的开源显式动力学求解器是OpenRadioss，功能完备，且支持大量材料模型。WELSIM也将OpenRadioss作为了默认的显式动力学求解器，详情参见《使用WELSIM调用OpenRadioss进行显示动力学分析》一文。同时免费软件MatEditor也支持生成OpenRadioss的材料文本，详见《使用MatEditor生成OpenRadioss材料数据文件》一文。

目前对于常规的瞬态问题，使用隐式法还是比较好的选择。

WelSim与作者不隶属于OpenRadioss团队，和OpenRadioss开发者没有直接关系。这里引用OpenRadioss等项目仅用作技术博客文章与软件使用的参考。