Module d'extension FEM

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Base ExampleCommandModel.png Tutoriel
Thème
Niveau
Temps d'exécution estimé
Auteur
M42kus
Version de FreeCAD
Fichier(s) exemple(s)


L'atelier FEM prend en charge déjà beaucoup de contraintes différentes et quelques solveurs. Malgré cela, les gens ont souvent besoin de contraintes non prises en charge par FreeCAD. Cette page est le point de départ d'une série de tutoriels et autres ressources décrivant comment étendre l'atelier FEM à l'aide du cadre existant. Bien que cette série puisse également s’avérer utile pour les développeurs de logiciels, l’idée est de permettre aux utilisateurs de FEM, interéssé par la programmation en Python, d’ajouter ce qu'ils ont besoin.  

Ajouter de nouvelles contraintes, équations ou solveurs est généralement un travail de routine. Le faire pour la première fois n'est pas aussi facile qu'il puisse paraître. Une compréhension des sujets suivants sera utile:

Le moteur de production (cmake)

Le moteur de production doit être modifié quels que soient les objets à ajouter à l’atelier FEM. Chaque module (fichier) Python doit être enregistré. L'atelier FEM demande même à chaque nouveau module Python d'être enregistré deux fois. Une fois dans Mod/Fem/CMakeLists.txt et une seconde dans Mod/Fem/App/CMakeLists.txt. Ceci est vrai sans distinction du type du module Python (graphique ou pas). Plus exactement, le module qui doit être ajouté dépend du rôle du module. Le solveur, les équations et les contraintes utilisent tous des listes différentes. La recherche de fichiers similaires et l'insertion du nouveau fichier dans la même liste fonctionnent la plupart du temps.

A titre d'exemple, ajoutons une nouvelle contrainte de pression. Une nouvelle contrainte nécessite au moins les nouveaux modules suivants: FemConstraint<name>.py, ViewProviderFemConstraint<name>.py, CommandFemConstraint<name>.py. Ces trois fichiers doivent être ajoutés à CMakeLists.txt ainsi qu’à App/MakeLists.txt.

Mod/Fem/CMakeLists.txt

INSTALL(
    FILES
        PyObjects/__init__.py
        PyObjects/_FemConstraintSelfWeight.py
        PyObjects/_FemConstraintBodyHeatFlux.py
        PyObjects/_FemConstraintFlowVelocity.py
+       PyObjects/_FemConstraintFlowPressure.py
        PyObjects/_FemElementFluid1D.py
        PyObjects/_FemElementGeometry1D.py
        PyObjects/_FemElementGeometry2D.py
        ...
    DESTINATION
        Mod/Fem/PyObjects
)

INSTALL(
    FILES
        PyGui/FemCommands.py
        PyGui/__init__.py
        PyGui/_CommandFemSolverElmer.py
        PyGui/_CommandFemEquation.py
        PyGui/_CommandFemConstraintBodyHeatFlux.py
        PyGui/_CommandFemConstraintFlowVelocity.py
+       PyGui/_CommandFemConstraintFlowPressure.py
        PyGui/_CommandFemAnalysis.py
        PyGui/_CommandFemElementFluid1D.py
        PyGui/_CommandFemElementGeometry1D.py
        ...
        PyGui/_ViewProviderFemConstraintSelfWeight.py
        PyGui/_ViewProviderFemConstraintBodyHeatFlux.py
        PyGui/_ViewProviderFemConstraintFlowVelocity.py
+       PyGui/_ViewProviderFemConstraintFlowPressure.py
        PyGui/_ViewProviderFemElementFluid1D.py
        PyGui/_ViewProviderFemElementGeometry1D.py
        PyGui/_ViewProviderFemElementGeometry2D.py
        ...
    DESTINATION
        Mod/Fem/PyGui
)

Mod/Fem/App/CMakeLists.txt

SET(FemObjectsScripts_SRCS
    PyObjects/__init__.py
    PyObjects/_FemConstraintSelfWeight.py
    PyObjects/_FemConstraintBodyHeatFlux.py
    PyObjects/_FemConstraintFlowVelocity.py
+   PyObjects/_FemConstraintFlowPressure.py
    PyObjects/_FemElementFluid1D.py
    PyObjects/_FemElementGeometry1D.py
    PyObjects/_FemElementGeometry2D.py
    PyObjects/_FemMaterialMechanicalNonlinear.py
    PyObjects/_FemMeshBoundaryLayer.py
    PyObjects/_FemMeshGmsh.py
    PyObjects/_FemMeshGroup.py
    PyObjects/_FemMeshResult.py
    PyObjects/_FemMeshRegion.py
    PyObjects/_FemResultMechanical.py
    PyObjects/_FemSolverCalculix.py
    PyObjects/_FemMaterial.py
)

SET(FemGuiScripts_SRCS
    PyGui/FemCommands.py
    PyGui/__init__.py
    PyGui/_CommandFemAnalysis.py
    PyGui/_CommandFemConstraintSelfWeight.py
    PyGui/_CommandFemConstraintBodyHeatFlux.py
    PyGui/_CommandFemConstraintFlowVelocity.py
+   PyGui/_CommandFemConstraintFlowPressure.py
    PyGui/_CommandFemElementFluid1D.py
    PyGui/_CommandFemElementGeometry1D.py
    ...
    PyGui/_ViewProviderFemConstraintBodyHeatFlux.py
    PyGui/_ViewProviderFemConstraintFlowVelocity.py
+   PyGui/_ViewProviderFemConstraintFlowPressure.py
    PyGui/_ViewProviderFemElementFluid1D.py
    PyGui/_ViewProviderFemElementGeometry1D.py
    PyGui/_ViewProviderFemElementGeometry2D.py
    ...
)

Organisation des sources

Pour organiser le code Python, le module FEM utilise une approche similaire à celle utilisée pour le code C ++ dans FreeCAD. Le module est divisé en deux packages. PyObjects, qui contient tous les proxies python de type non graphique pour les objets document et PyGui contenant tout ce qui est lié aux interfaces graphiques comme les proxies Python pour le fournisseur de vues, les panneaux de tâches, les fichiers ui et les commandes.

Un paquet ne suit pas ce modèle: FemSolver. Il a sa place au même niveau que PyObjects et PyGui (src/Mod/Fem/FemSolver). Le package contient des modules relatifs au solveur et aux équations et est organisé de la manière suivante:

.FemSolver
.FemSolver.Elmer
.FemSolver.Elmer.Equations
.FemSolver.Calculix
.FemSolver.Calculix.Equations
.FemSolver.Z88
.FemSolver.Z88.Equations

Le solveur

Dans FreeCAD, un solveur peut être divisé en deux parties. L'un est l'objet de document utilisé par l'utilisateur pour interagir avec le solveur. Bien que ce paramètre puisse être défini, il est également utilisé pour contrôler le processus de résolution. L'autre sont les soi-disant tâches d'un solveur. Le processus de résolution est divisé en plusieurs tâches, à savoir: vérifier, préparer, résoudre et montrer les résultats. Celles-ci effectuent le travail d'exportation de l'analyse dans un format compris par l'exécutable du solveur démarrant l'exécutable et rechargeant les résultats dans FreeCAD.

La plupart des fichiers liés à un solveur sont dans un sous-package du package FemSolver (par exemple, FemSolver.Elmer). La liste suivante énumère tous les fichiers liés à la mise en œuvre d'un solveur. Ce sont les fichiers qui doivent être copiés et modifiés pour ajouter une prise en charge à un nouveau solveur à FreeCAD.

  • FemSolver/Elmer/Object.py: objet visible dans l'arborescence. Il est implémenté en Python via un proxy document et un proxy visualisation.
  • FemSolver/Elmer/Tasks.py: module contenant une classe de tâches par tâche requise pour une implémentation du solveur. Ces tâches divisent le processus de résolution d’une analyse en plusieurs étapes: vérification, préparation, résolution, résultats.
  • PyGui/_CommandFemElmer.py: joute l'objet document du solveur au document actif. Il est nécessaire pour accéder à l'objet solveur à partir de l'interface graphique.

Equations

Une équation représente une propriété physique particulière qui doit être prise en compte lors de la résolution de l’analyse (par exemple flux, chaleur). Pas tous les solveurs de FreeCAD prennent en compte les équations. Les équations sont représentées par des objets enfants du solveur correspondant. Dans l'arborescence, cela ressemble à ceci:

  • Solveur Elemer
    • Elasticité
    • Chaleur
    • Flux

La plupart des options spécifiques au solveur (nombre maximal d'itérations, méthode de résolution, etc.) sont définies via les objets équation. Une conséquence de cela est que chaque solveur doit avoir sa propre implémentation de la "même". équation. Calculix pourrait avoir un objet Heat différent de celui d'Elmer. Pour éviter d'avoir plusieurs boutons pour la même propriété physique dans l'interface graphique, chaque objet du solveur ajoute ses équations.

L'implémentation réelle peut être divisée en une partie générique et une partie spécifique du solveur. La partie générique se trouve dans le module FemSolver.EquationBase. La partie spécifique du solveur réside dans des sous packages d'équations individuels des packages du solveur (par exemple FemSolver/Elmer/Equations).

L'ajout d'une nouvelle équation à Elmer devrait être très facile. Pour les nouveaux venus, il existe un tutoriel qui explique comment ajouter une nouvelle équation à Elmer en ajoutant le résolveur d'élasticité existant à FreeCAD: Tutoriel pour ajouter des équations FEM.

Contraintes

Les contraintes définissent les conditions aux limites du problème à résoudre. Dans FreeCAD, les contraintes ne sont pas spécifiques à un solveur particulier. Une configuration de problème peut être résolue par tous les résolveurs prenant en charge toutes les conditions de l'analyse.

L'ajout de nouvelles contraintes est assez simple. Pour les nouveaux arrivants, il existe un tutoriel:Tutoriel pour ajouter des contraintes FEM.