多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统技术方案

本申请涉及一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统。向用户提供有限元符号语言的编写接口，该语言具有面向用户使之容易理解的元素、词法、语法和句法，接收用户经由编写接口编写的六个信息段，以分别定义反映要求解的物理问题中的各物理量之间的关联关系的偏微分方程、物理材料的属性、时域限定条件、网格划分方式、边界条件和控制参数。如此协同构建各种物理问题的求解模型。利用嵌入有限元符号语言的规范的自动化代码解析模块进行解析处理，自动生成机器可执行的有限元程序代码。其能使仿真专业人员以接近公式编写难度的编写体验，灵活编写针对各种物理问题的有限元求解模型，自动高效地生成机器可执行的有限元程序代码。限元程序代码。限元程序代码。

【技术实现步骤摘要】
多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统


[0001]本申请涉及多物理场的有限元仿真和建模的
，具体地涉及一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统。

技术介绍

[0002]工程领域的多物理场通常是指宏观领域的物理场，包括电磁场、流场、力学场、以及热、声、光（光本质上属电磁）学的物理场等等。多物理场仿真是指将客观世界存在的上述各种宏观物理场，通过数学模型建模，计算机程序运行后，得到相应的物理场数值结果。
[0003]针对各种实际问题的多物理场仿真计算通常可以分为以下几个步骤。
[0004]首先要建立反映实际问题本质的数学模型。比如牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维
‑
斯托克斯方程及其相应的定解条件。数学模型建立之后，接下来就是求解这个模型。需要寻求高效、高准确度的计算方法。求解科学问题就是求解诸如纳维
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斯托克斯方程的偏微分方程。在确定了计算方法后，就可以开始编制程序并进行计算。实践表明这一部分工作是整个工作的主体，会占据整个工程的绝大部分时间。
[0005]有限元方法是多物理场仿真计算中采用的主流方法、它最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展以及各个学科理论研究的深入，慢慢用于流体力学、电动力学、土力学、热力学等等领域，现在已经成为多物理场仿真计算的主流方法。有限元方法（FEM）的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将偏微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。
[0006]在所有的程序设计语言中，只有机器语言编制的源程序能够被计算机直接理解和执行，用其它程序设计语言编写的程序都必须利用语言处理程序“翻译”成计算机所能识别的机器语言程序。因此，对于多物理场的有限元求解问题，需要生成大量的机器可执行程序代码才能让计算机识别并运行。但是，对于变化且复杂的多物理场的实际问题，仿真专业人员（例如研发人员、物理场分析仿真人员等）理解较为深入，但针对仿真专业人员在代码编写上提出了苛刻的专业要求。例如，可能需要仿真计算平台以及相应的求解器，但市面上大部分求解器都是通用求解器，如果仿真专业人员要获得所需的准确算法模型，则需要对通用求解器进行改进。而这需要仿真专业人员对底层的代码、中间层的算符有充分的理解。而且，最终计算机所能识别的机器语言程序数量极大，由人工编写效率很低。另一方面，对于代码编写专业人员（例如后端程序员）来说，通常只能编写代码求解通用问题，对于多物理场的实际问题的变化且复杂性认识不够，编写的可执行程序代码不能满足实际需求。

技术实现思路

[0007]提供了本申请以解决现有技术中存在的上述问题。
[0008]旨在提供一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统，其能够为仿真专业人员提供友好的编写接口，使其能够以接近公式编写难度的直观的编写体验，根据便捷、高效且完整的有限元语言，灵活地编写针对多物理场的实际问题的有限元求解模型，并经由自动化代码解析处理，自动且高效地生成机器可执行的有限元程序代码。
[0009]根据本申请的第一方案，提供了一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法。该生成方法包括如下步骤。向用户提供有限元符号语言的编写接口，所述有限元符号语言具有面向用户使之容易理解的元素、词法、语法和句法，所述元素包括六个大类的标题、计算符号、有限元方法域下的预定义变量和常量、以及有限元方法域下的自定义变量和常量，所述词法至少用于定义有限元方法域下的计算函数。接收用户经由所述编写接口编写的第一大类的第一信息段，所述第一信息段定义反映要求解的物理问题中的各物理量之间的关联关系的偏微分方程。接收用户经由所述编写接口编写的第二大类的第二信息段，所述第二信息段定义要求解的物理问题中的物理材料的属性。接收用户经由所述编写接口编写的第三大类的第三信息段，所述第三信息段定义要求解的物理问题的时域限定条件。接收用户经由所述编写接口编写的第四大类的第四信息段，所述第四信息段定义要求解的物理问题的求解物理区域的网格划分方式。接收用户经由所述编写接口编写的第五大类的第五信息段，所述第五信息段定义要求解的物理问题的求解物理区域的边界条件。接收用户经由所述编写接口编写的第六大类的第六信息段，所述第六信息段定义要求解的物理问题的求解过程的控制参数。利用第一信息段到第六信息段，协同构建了各种物理问题的求解模型。接着，基于所述第一大类的第一信息段、第二大类的第二信息段、第三大类的第三信息段、第四大类的第四信息段、第五大类的第五信息段和第六大类的第六信息段，利用嵌入所述有限元符号语言的元素、词法、语法和句法的规范的自动化代码解析模块进行解析处理，自动生成机器可执行的有限元程序代码。
[0010]根据本申请的第二方案，提供一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成系统。所述生成系统包括第一处理器和多个第二处理器。所述第一处理器配置为：执行根据本申请各个实施例的多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法。所述多个第二处理器与所述第一处理器通信连接，且配置为用并行方式执行所述自动化代码解析模块对所述第一信息段、第二信息段、第三信息段、第四信息段、第五信息段和第六信息段的解析处理。
[0011]利用根据本申请各个实施例的多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法和系统，提供了面向仿真专业人员使之容易理解的理解难度与理解物理公式相当的有限元符号语言及其编写接口，使得仿真专业人员可以遵循在实际求解有限元问题的思考方式，通过在第一信息段到第六信息段中依序编写反映要求解的物理问题中的各物理量之间的关联关系的偏微分方程、物理材料的属性、时域限定条件、网格划分方式、边界条件和控制参数，这些信息段可以协同构建有限元求解模型，并通过自动化代码解析模块进行解析处理，自动生成机器可执行的有限元程序代码，显著降低了仿真专业人员开发算法模型代码的门槛，提升了仿真专业人员的工作效率，能够将更多的精力聚焦于针对多变且复杂的物理问题的有限元求解模型上。
附图说明
[0012]在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的部件。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所公开的实施例进行说明。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0013]图1示出根据本申请实施例的多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法的流程图。
[0014]图2（a）示出根据本申请实施例的编写接口的第一示例的界面示意图。
[0015]图2（b）示出根据本申请实施例的编写接口的第二示例的界面示意图。
[0016]图2（c）示出根据本申请实施例的编写接口的第三示例的界面示意图。
[0017]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多物理场的机器可执行有限元程序代码的生成方法，其特征在于，包括：向用户提供有限元符号语言的编写接口，所述有限元符号语言具有面向用户使之容易理解的元素、词法、语法和句法，所述元素包括六个大类的标题、计算符号、有限元方法域下的预定义变量和常量、以及有限元方法域下的自定义变量和常量，所述词法至少用于定义有限元方法域下的计算函数；接收用户经由所述编写接口编写的第一大类的第一信息段，所述第一信息段定义反映要求解的物理问题中的各物理量之间的关联关系的偏微分方程；接收用户经由所述编写接口编写的第二大类的第二信息段，所述第二信息段定义要求解的物理问题中的物理材料的属性；接收用户经由所述编写接口编写的第三大类的第三信息段，所述第三信息段定义要求解的物理问题的时域限定条件；接收用户经由所述编写接口编写的第四大类的第四信息段，所述第四信息段定义要求解的物理问题的求解物理区域的网格划分方式；接收用户经由所述编写接口编写的第五大类的第五信息段，所述第五信息段定义要求解的物理问题的求解物理区域的边界条件；接收用户经由所述编写接口编写的第六大类的第六信息段，所述第六信息段定义要求解的物理问题的求解过程的控制参数；基于所述第一大类的第一信息段、第二大类的第二信息段、第三大类的第三信息段、第四大类的第四信息段、第五大类的第五信息段和第六大类的第六信息段，利用嵌入所述有限元符号语言的元素、词法、语法和句法的规范的自动化代码解析模块进行解析处理，自动生成机器可执行的有限元程序代码。2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，向用户提供有限元符号语言的编写接口具体包括：向用户提供编写界面，且在所述编写界面上呈现各个大类的标签和对应大类的信息段的编辑框；响应于用户对各个标签的点击或选中操作，切换显示对应大类的编辑框。3.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，向用户提供有限元符号语言的编写接口进一步包括：在所显示的对应大类的编辑框中，依序呈现大类的标题和冒号，以左大括号为信息段的开头且以右大括号为信息段的结束，以分号作为信息句的结束，所述有限元符号语言的句法定义续行符号、注释符号、注释开始符号和注释结束符号，所述续行符号提示下一行为本行的续行，所述注释符号提示其后的行作为注释行，注释开始符号提示注释的开始而注释结束符号提示一行或数行注释的结束，其中，所述计算符号包括除法运算符、乘法运算符、加法运算符、等号和比较运算符，且每个计算符号都与键盘上的对应运算符相同。4.根据权利要求2所述的生成方法，其特征在于，所述生成方法还...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韶鹏，肖捷，战志超，康天，
申请(专利权)人：北京云庐科技有限公司，
类型：发明
国别省市：