本文为短文“Python在ITASCA系列软件中的应用（一）”（简称为“文（一）”）的续篇，介绍ITASCA软件Python应用环境的技术框架。极为丰富的开源类库是Python语言的核心优势所在，技术框架因此主要涉及在科学计算领域常用类库，以及为满足其与ITASCA数值分析模型交互控制而特别定制开发的功能库（模块）-itasca（小写）。

 

ITASCA系列软件中Python的实现及Ipython简介

 

考虑到成熟性因素，目前ITASCA软件纳入的Python版本是3.6（最新版本为3.8），且为Python应用嵌入了shell版运行环境-IPython。

 

Ipython是一个用于Python开发的交互式shell，较Python默认提供的shell环境更为方便，支持变量自动补全、自动缩进、bash shell命令等便捷化功能，且内置大量高效的功能和函数。Ipython将会使我们更为效率的使用python，目前普遍认为，Ipython是利用Python进行科学计算和交互可视化的一个最佳的平台。

 

ITASCA类库概况

 

除Python基本环境外，ITASCA软件对常用科学计算类库进行了整合。支持的公共开源类库包括：

l        Numpy: 矩阵运算；

l       Matplotlib: 绘图库；

l        Scipy：科学计算；

l         Networkx: 复杂网格分析；

l         Fipy: 有限体积分析；

l         Numexpr: 提高计算效率；

l         Pyside2: 图形界面；

l           …

其中，MSN（Matplotlib 、Scipy 、Numpy）被称为科学计算三剑客。可见，ITASCA软件中已包含的Python类库可满足普遍的数据处理、分析、绘图等需求。

 

以FLAC3D 7.0为例，以上Python类库可见于安装目录： …\Itasca\FLAC3D700\exe64\python36\Lib\site-packages。

 

图 1 : FLAC3D 7.0 Python库

 

对于Numpy等公共类库的使用方法，在此不作展开，本文主要介绍itasca类库相关的内容。

 

ITASCA功能库 — itasca

在Python面向对象程序开发的概念中，功能库（模块）总体由属性和方法构成。基于这一概念，可以简单对itasca功能库的技术特点作简单概述：

l    属性：基于ITASCA软件数值模型的特点，为模型全局控制（设置）、模型元素（节点、单元、块体、颗粒等）提供基于Python环境进行模型访问的专用数据类型，这些数据类型综合利用了整型、浮点型、数组等一系列基本数据类型。以FLAC3D为例，itasca模块为节点（gridpoint）、实体单元（zone）、结构单元等模型元素的基本属性（如id等）、几何信息（如位置等）、模型响应（如变形、速度等）定制了多种数据结构。其中，数组数据类型特别满足了数据分析对便捷、高效化访问数据的一般要求；

l     方法：从程序开发角度，方法即为函数。itasca类库为模型控制和数据分析提供大量功能函数，用于进行模型控制（如建模命令嵌入、重力加速度、计算迭代时间步长等全局化参数设置），以及对上述数值模型构成元素的属性进行访问、编辑、分析等处理操作，如依据模型元素位置数组调整模型形态。

 

图 2 : itasca模块主要属性和方法函数

 

1)         itasca功能库调用方法

依据Python命令及语法规则调用itasca功能库。以FLAC3D为例：

        主模块调用：

                import itasca as it 或

                from itasca import *

        子模块调用：

                from itasca import zonearray as za

                from itasca import gridpointarray as gpa

其中，it、za、gpa为模块别名，支持用户自定义。

 

2)          简单示例

以FLAC3D为例，本小节用简单案例展示采用Python进行模型控制和分析的基本方法和流程。

 

用户可调用FLAC3D程序主菜单功能创建后缀为py的Python文件，在其中尝试调试理解如下代码：

①        import itasca as it

②         from itasca import zonearray as za

③          from itasca import gridpointarray as gpa

④           it.command("python-reset-state false")

以上语句实现如下意图：

l        导入itasca主模块，及其子模块zonearray、gridpointarray，别名分别为it、za和gpa；

l          第④句采用主模块提供的command函数嵌入FLAC3D命令，此处python-reset-state false为标准语句，设定Python状态独立于FLAC3D模型状态，即Python环境下变量的生存状态不受FLAC3D模型文件调用操作影响。

 

⑤           it.command("""

model new

model large-strain off

zone create brick size 10 10 10

zone cmodel assign elastic

zone property density 2950 young 12e9 poisson 0.25

zone gridpoint fix velocity-z range position-z -0.1 0.1

""")

以上语句采用主模块command函数嵌入FLAC3D命令，依次设定了大变形关闭模式、创建网格模型、本构模型设定、材料参数赋值以及边界条件定义。

 

⑥          it.set_gravity((0,0,-10))

⑦           it.command("""

model cyc 10

model save 'demo'

""")

以上语句实现如下操作：

l         第⑥句采用主模块命令set_gravity设定重力加速度这一全局化分析条件；

l         第⑦句完成模型迭代计算和文件保存操作。

 

⑧       print(it.zone.count())

⑨       print(za.stress())

⑩       print(gpa.disp())

以上语句简单展示采用Python环境和itasca模块功能进行模型后处理分析：

l        第⑧句利用主模块命令zone.count统计得到模型单元数；

l        第⑨句利用子模块zonearray提供的stress函数打印单元应力数组；

l        第⑩句利用子模块gridpointarray提供的disp函数打印节点变形数组。

 

结   语

本文在文（一）的基础上，对ITASCA系列软件中Python的实现和Ipython进行了简单介绍。ITASCA软件安装完成后，内置的Python中已包含较多python常用类库。本文主要对itasca类库的构成和功能进行了概括性介绍，并通过简单案例演示该类库的使用方法。

 

参考文献：

[1]       FLAC3D 7.0 Manual. Itasca Consulting Group, Inc.