开源代码大放送，你想要的全都有：拓扑优化，图像识别，XFEM，近场动力学

2月前浏览3348

文一：

用于复杂3D 拓扑优化的简单而紧凑的 Python 代码

摘要：

本文提出了一个用于一般三维拓扑优化的100行Python代码。该代码采用Abaqus脚本接口，可方便地访问高级有限元分析（FEA）。它是使用双向进化结构优化（BESO）方法为体积约束下的柔度最小化而开发的。源代码由控制迭代过程的主程序和实现输入模型准备、有限元分析、网格无关滤波器和BESO算法的五个独立函数组成。该代码从模型数据库（.cae文件）中读取初始设计，该数据库可以是Abaqus/cae中生成的任意3D几何体，也可以是从各种广泛使用的CAD建模包转换而来的。这种结构良好的代码可以方便地扩展到各种其他拓扑优化问题。作为对代码进行简单修改的例子，给出了对多种负载情况和非线性的扩展。此代码对拓扑优化领域的研究人员和寻求自动化概念设计工具的实践工程师非常有用。通过进一步的扩展，该代码可以解决结构工程、机械工程和建筑实践中复杂的三维概念设计问题。完整的代码在附录部分给出也可以从网站上下载www.rmit.edu.au/research/cism/。

图：三维悬臂的拓扑优化：（上）以初始完整设计为设计域；优化解决方案的（中间和底部）侧视图和透视图

图：具有初始空隙和不可设计部分的拓扑优化：（顶部）设计域（四分之一模型）；全桥优化解决方案的（中间和底部）侧视图和透视图。

文二：

一种有效的多裂纹扩展可变节点 XFEM 模型—— Matlab 面向对象实现

摘要：

我们提出了一种用于脆性材料多裂纹扩展模拟的高效变节点扩展有限元方法（XFEM）的Matlab面向对象实现。为了提高该方法的精度，不仅采用了局部网格细化策略，还采用了可变节点单元直接连接不同尺度的单元，节省了计算成本。为了有效地进行聚结检测，还提出了一种改进方案。进行稳定性分析以确定主动裂纹尖端，并采用裂纹长度控制方案对多次裂纹扩展进行建模。网格通过直接的方式与裂纹区域的扩展同时进行局部细化。描述了用于可变节点XFEM的Matlab面向对象编程代码的通用计算机程序结构。通过线弹性断裂力学分支的五个数值例子，证明了本工作的所有这些理想特征。此外，这项工作还提供了一个由Matlab编程语言编写的用于计算裂缝模拟的高效计算机代码，供教育和学术使用。

图：当尖端接近另一个裂纹时，积分域的修正：（a）该域被另一个裂缝穿过；（b）该域与即将到来的裂缝无关。

图：多尺度网格示意图。（a）原始大尺度网格；（b）细化后的多尺度网格

图：边裂板的尺寸、加载条件和网格: (a)拉伸状态下的边裂板，(b)初始粗网格，(c)初始时间步中的多尺度网格，(d)标准小尺度网格，(e)初始时间步中的增强策略放大视图。

文三：

均匀和非均匀材料中动态断裂的开源近场动力学代码

摘要：

我们提出了一种新的开源近场动力学软件，用于模拟均质和非均质固体中的二维和三维动态裂缝。该软件及其实现进行了详细描述，并在GitHub上提供，并获得了MIT的许可。通过包括波浪传播问题在内的几个数值例子证明了该软件的能力。此外，在细观尺度上对聚合物基复合材料的三维断裂模拟显示了该代码对复杂微观结构建模的能力，包括界面断裂和本体中断裂之间的相互作用。

图：Peridigm 开发团队报告的 Peridigm 架构及其可扩展区域

图：20 m/s恒定速度下的波传播（左半部分）和裂缝生长（右半部分）作为应用于板的边界条件

文四：

基于数字图像处理的异质材料建模开源软件包 DigiSim

摘要：

提出了一个基于数字图像的有限元和离散元数值模型生成软件包。支持2D位图和3D体积图像。该软件包包括用于矢量化位图图像、计算几何信息统计和生成数值模型的几何和分析例程。处理复杂连接区域的能力使具有复杂微观结构的异质材料能够建模。四个例子表明该代码健壮、高效且用户友好。作为一个开源的、随时可用的Matlab软件包，它在非均质材料的力学行为分析中具有广阔的应用前景。

图：DigiSim软件包的一般流程图

图：使用x射线显微成像的混凝土典型微观结构：（a）混凝土的3D CT图像，（b）预处理后的2D CT切片

图：多相图像分析的示例：（a）彩色图像，（b）灰色图像，（c）孔隙的二元图像，（d）聚集体的二元图，（e）两相的几何形状，（f）使用Abaqus的FEM网格

文五：

基于 MPI/Fortran 混合阵列多尺度 CAFE 框架的高性能混凝土非均质材料断裂模型

摘要：

描述了一个用于非均质材料断裂模拟的三维多尺度元胞自动机有限元(CAFE)框架。该框架是在一个混合 MPI/Fortran 协同阵列代码中实现的，用于在 HPC 平台上进行高效的并行执行。使用了现代 Fortran 开发的两个开源 BSD 许可库: CGPACK，使用 Fortran 协阵列实现细胞自动机(CA) ; ParaFEM，使用 MPI 实现有限元素(FE)。该框架实现了结构层次(FE)和微结构层次(CA)之间的双向并发层次信息交换。描述了 MPI 到协阵列的接口和数据结构。利用 CAFE 框架对多晶铁圆棒在拉伸状态下的超晶解理传播进行了预测。通过这个 CAFE 框架实现的新结果包括模拟通过单个晶粒和跨晶粒边界的渐进解理传播，以及在单个晶体的优先取向解理平面上裂纹合并时出现宏观裂纹。CGPACK 和 ParaFEM 在 Cray XE6的前期工作中分别证明了几乎理想的至少可以扩展到数万个核的强扩展。在这项工作中使用了 Cray XC30和 XC40平台以及 CrayPAT 分析。最初 CGPACK/ParaFEM 混合 CAFE 模型的强缩放极限是2000核。在用最近邻算法取代所有到所有的通信模式后，Cray XC30的强缩放限制增加到7000核。TAU 对非 Cray 系统的分析发现了英特尔 Fortran 16在远程协同阵列操作优化方面的缺陷。最后，讨论了 CA 中线程并行化面临的挑战和机遇。