FLAC3D与Python的集成 (2)---数据交换至Numpy

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1. 引言

《FLAC3D与Python的集成 (1)---简述》一文简要描述了如何在FLAC3D环境中使用Python获取模型单元的属性值，在此基础上，本文描述FLAC3D与Python的数据交换过程，具体来说就是如何把FLAC3D的数据传输到Numpy的应用中。此外也将描述如何在FLAC3D中使用py文件以及使用Numpy的数据在matplotlib作图的流程。应当意识到，Python和Numpy并没有增强FLAC3D自身的计算功能，只是通过数据交换扩展了FLAC3D的计算能力，这表现在两方面：一方面Python和Numpy的数据处理能力比FISH语言要快得多，另一方面通过与Pyhton的数据交换，可以在FLAC3D环境下直接进行一些以前我们可能需要使用Tecplot或者Mtalab来作的数据处理。

2. 使用py文件

如同FLAC3D，FLAC，UDEC，3DEC，PFC等软件，既可以使用交互式命令来运行，也可以把一系列命令保存成一个文件批处理运行，IPython也可以交互式使用命令(IPython术语称之为cell)。不过这样做效率太低，使用文件运行更方便一些。

首先在工作目录下建一个空的py文件，比如在这个例子中命名为fitting.py，然后在FLAC3D中新建一个项目(File->New Project), 然后把fitting.py导入到新建的项目(File->Open into Project)中，如下图所示。

接下来便可以往这个文件中填写代码了。在IPython中运行py代码需要使用 %run命令，例如%run fitting.py, 按回车即开始运行代码。

3. 试验例子

在fitting.py文件中，首先需要输入关键模块，代码如下图所示。

在这个例子中，我们输入Itasca模块，这是FLAC3D的核心模块；numpy和matplotlib模块是为了作图用的，而random模块为了产生随机数。it.command函数用来封装FLAC3D命令。it.zone.count()函数用来返回整个模型所有的单元数目。

如本文开头所说，这个例子没有什么实际意义，其目的是演示FLAC3D与Python的数据交换过程。首先我想随机从FLAC3D生成的1000个单元中获取id前101个之中的10个单元，然后对每个单元取出它的(x,y)坐标值。然后把这10对坐标保存在一个列表zone_position中。这个过程使用下面的代码实现。

这段代码的运行结果如下：

此时，我们可以检验一下这段代码运行的结果是否正确，比如想检查一下第72个单元的坐标，使用如下代码

zone_specific = it.zone.find(72)print(zone_specific.pos())

得出的结果是 vec3(( 1.500000e 00, 7.500000e 00, 5.000000e-01 )，比较上面第72个单元的坐标是(1.5,7.5), 二者的结果一样，由此可以说明上面的代码编写正确。

下面这步就是把FLAC3D的数据传输到Numpy。通过Numpy把zone_position列表中坐标值转化为np的数组，使用下面的代码

points = np.array(zone_position)

至此，我们实现了FLAC3D与Numpy的数据交换，也就是说已经把单元坐标输入到Numpy中进行处理的。

接下来的代码与FLAC3D已经没有关系了，纯粹是Python的操作。把这10个点画出来，然后用多项式拟合，超出了FLAC3D范围，在此不再唠叨了。

画出的图形如下所示。

4. itasca.zone模块的函数

在这个例子中，我们仅用到了itasca.zone.count()这个函数，其它的函数调用方式与之一样。下面列出itasca.zone模块所有可使用的函数。这些函数分为两种类型，一种是取值的(get),另一种是赋值的(set)，赋值的函数中都有set的字样，很好区别。

itasca.zone.containing()itasca.zone.count() itasca.zone.create_ratio()itasca.zone.creep_time_total() itasca.zone.creep_timestep() itasca.zone.dynamic_time_total() itasca.zone.dynamic_timestep() itasca.zone.find()itasca.zone.fluid_ratio() itasca.zone.fluid_stress_normal() itasca.zone.fluid_time_total() itasca.zone.fluid_timestep() itasca.zone.fluid_unbal_avg() itasca.zone.fluid_unbal_max() itasca.zone.force_update() itasca.zone.list() itasca.zone.maxid() itasca.zone.mech_convergence() itasca.zone.mech_ratio() itasca.zone.mech_ratio_avg() itasca.zone.mech_ratio_local() itasca.zone.mech_ratio_max() itasca.zone.near(point: vec)itasca.zone.set_creep_time_total(value: float)itasca.zone.set_creep_timestep(value: float)itasca.zone.set_dynamic_time_total(value: float)itasca.zone.set_dynamic_timestep(value: float)itasca.zone.set_fluid_timestep(value: float)itasca.zone.set_thermal_time_total(value: float)itasca.zone.set_thermal_timestep(value: float)itasca.zone.thermal_ratio() itasca.zone.thermal_time_total() itasca.zone.thermal_timestep() itasca.zone.unbal()

5. itasca.zonearray模块的函数

itasca.zonearray模块的函数直接与Numpy交互，其使用方法与itasca.zone的使用方法一样。它是通过导入zonearray模块实现的。

from itasca import zonearray as za

下面列出所有zonearray模块的函数：

itasca.zonearray.extra(slot: int)itasca.zonearray.faces() itasca.zonearray.fill_pos(data: array float{zone, 3}) itasca.zonearray.flow() itasca.zonearray.fluid_prop(prop_name: str)itasca.zonearray.gridpoints()itasca.zonearray.ids() itasca.zonearray.in_group(group_name: str, slot="default") itasca.zonearray.live_mechanical() itasca.zonearray.neighbors() itasca.zonearray.overlay_stresses() itasca.zonearray.pos() itasca.zonearray.prop_scalar(prop_name: str, fill_value=0.0)itasca.zonearray.set_extra(slot: int, data: array float{zone} or float{zone, 3})itasca.zonearray.set_fluid_prop(prop_name:str,data:array double{nzone})itasca.zonearray.set_group(membership: array bool{nzone}, group_name: str, slot="default") itasca.zonearray.set_prop_scalar(prop_name: str, array) itasca.zonearray.set_stress(array double{nzone, 3, 3}) itasca.zonearray.set_stress_flat(array double{nzone, 6}) itasca.zonearray.strain() itasca.zonearray.strain_flat() itasca.zonearray.stress() itasca.zonearray.stress_flat() itasca.zonearray.stress_max() itasca.zonearray.stress_min() itasca.zonearray.temperature()