Kratos基于现代C++的开源有限元框架特点介绍

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公众号  有限元术

Kratos是一个基于现代C++的多物理场开源有限元框架，其可以完成固体，流体，热，DEM等各个方面的单场计算和耦合计算。在线性方程组求解方面，其支持常见的多种直接法和迭代法求解；在并行方面，其支持MPI和Openmp的进程和线程并行，是一个先进的多物理场开源有限元框架。

Kratos的开发团队是CIMNE。众所周知，这是一个位于巴塞罗那的国际知名数值模拟科研组织，在知名的O. C. Zienkiewicz, R. L. Taylor的经典著作《The finite element method》中就特别感谢了这一组织提供的GID这一前后处理工具。

实际上，该机构开发的GID是一个非常好用的前后处理工具，其提供了基本的几何建模，网格划分，后处理等功能，界面美观，云图精美。国内元计算公司的先进国产有限元软件PFEPG在很长一段时间就采用了该软件作为前后处理。

GID另一特色时其具备良好的定制功能，其不仅原生支持多种商业和开源有限元软件的前后处理，而且可以通过修改problemtype下的.cnd，.mat和.tcl等文件轻松实现自己对GID界面的定制。

以GID中的abaqus类型的problemtype为例：

打开GID目录下的problemtypes下的abaqus.gid文件夹下的abaqus.mat，其内容如下：

GID中对应的界面：

如果需要修改界面，只需要将abaqus.mat的内容稍加修改：

对应界面就变为：

因此在GID中，实现界面定制是很轻松的。在实现了界面定制以后，再通过.bas文件，实际上就实现了对应的导出inp的修改。因此实际上GID是一个方便有限元程序开发者的前后处理利器。

继续讲Kratos，在GID中，实际上也集成了对Kratos的前后处理：

在加载Kratos的problemtype后，通过树形菜单，既可以完成Kratos模型的前处理：

当然，Kratos作为一个开源有限元框架，也可以通过编译源代码获得其运行文件。其GITHUB的链接如下：

https://github.com/KratosMultiphysics/Kratos

同时，Kratos更先进的是其广泛采用的现代C++模板技术，使得代码足够抽象化和良好的扩展性。

template<class TSparseSpace, class TDenseSpace, class TLinearSolver>class ImplicitSolvingStrategy : public SolvingStrategy<TSparseSpace, TDenseSpace>{public:///@name Type Definitions///@{

typedef SolvingStrategy<TSparseSpace, TDenseSpace>                              BaseType;

typedef typename BaseType::TDataType                                           TDataType;

typedef typename BaseType::TSystemMatrixType                           TSystemMatrixType;

typedef typename BaseType::TSystemVectorType                           TSystemVectorType;

typedef typename BaseType::TSystemMatrixPointerType             TSystemMatrixPointerType;

typedef typename BaseType::TSystemVectorPointerType             TSystemVectorPointerType;

typedef typename BaseType::LocalSystemMatrixType                   LocalSystemMatrixType;

typedef typename BaseType::LocalSystemVectorType                   LocalSystemVectorType;

typedef Scheme<TSparseSpace, TDenseSpace>                                    TSchemeType;

typedef BuilderAndSolver<TSparseSpace, TDenseSpace, TLinearSolver> TBuilderAndSolverType;

typedef ImplicitSolvingStrategy<TSparseSpace, TDenseSpace, TLinearSolver>      ClassType;

typedef typename BaseType::TDofType                                             TDofType;

typedef typename BaseType::DofsArrayType                                   DofsArrayType;

typedef typename BaseType::NodesArrayType                                 NodesArrayType;

typedef typename BaseType::ElementsArrayType                           ElementsArrayType;

typedef typename BaseType::ConditionsArrayType                       ConditionsArrayType;

/** Counted pointer of ClassName */KRATOS_CLASS_POINTER_DEFINITION(ImplicitSolvingStrategy);

  另一个更广为人知地使用现代C++技术的开源有限元框架是Deal.II。但是实际上，由于在Deal.II中其采用的triangulation结构的网格，不采用偏工程的节点单元信息，因此实际上可能并不太适合作为基于实际工程计算的工具，而更像是一个偏学术的数学研究工具。而Kratos采用的是和abaqus，ansys这些通用有限元软件一样的节点和单元信息，对Kratos的扩展，则可能使得Kratos成为工程CAE软件开发的利器。

并且，开发团队还编写了一本关于Kratos的著作，对Kratos中采用的具体C++技术和架构技术进行了较为详细的描述：

以上，是对开源有限元框架Kratos的一点简单介绍，对于这个框架笔者本身了解也不多，总体上，无论是从整体软件架构上还是从其具体采用的C++技术上看，这都是一个值得深入了解的工具。最后，以一个Kratos计算的流固耦合计算压力云图结尾：