《Advances in Engineering Software》：GIRAFFE: Generic Interface Readily Accessible for Finite Elements
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本研究提出了一种在固体力学背景下用于工程分析的仿真软件。其目标是表示由刚性或柔性部件组成的复杂多体系统，以预测其静态和动态行为。通用易访问接口（GIRAFFE）是一个用于实现和仿真多体刚/柔动力学的新型平台。它提供了一个环境来耦合处理多体力学问题的策略，例如有
本研究提出了一种在固体力学背景下用于工程分析的仿真软件。其目标是表示由刚性或柔性部件组成的复杂多体系统，以预测其静态和动态行为。通用易访问接口（GIRAFFE）是一个用于实现和仿真多体刚/柔动力学的新型平台。它提供了一个环境来耦合处理多体力学问题的策略，例如有限元方法（FEM）、多体动力学（MBD）或离散元方法（DEM），着眼于所有这些方法的共同数学结构。因此，它是一个结合了不同方法特征的平台，以兼容的方式编写它们，便于实现和仿真由多个物体组成的复杂系统。该软件处于持续开发中，采用代码结构以提供便捷的扩展，并能在FEM、DEM和MBD之间处理不同的方法。已实现的资源包括刚体、几何精确梁/壳柔性体，采用FEM近似，例如由虚拟元方法（VEM）建模的柔性固体颗粒。等式约束可用于限制物体运动，例如在机械接触强化背景下的不等式约束。这包括自动接触检测引擎。GIRAFFE代码是开源的，已用于仿真海上立管/管道、风力涡轮机、颗粒材料力学、机织纺织品、轮轨相互作用以及许多其他应用。本文详细介绍了提供其扩展多功能性的整体代码结构、其背景、其指导原则以及应用示例。
在工程与力学科学领域，基于数值方法的仿真工具被广泛用于求解固体力学问题。有限元方法（FEM）是获取柔性体内位移、应变与应力场等物理量的经典策略；而多体动力学（MBD）基于牛顿-欧拉方程常用于求解刚体运动；离散元方法（DEM）则将每个颗粒视为刚体来模拟颗粒介质。FEM、MBD和DEM在求解动力学问题时都需要对运动微分方程进行时间积分，并都需要处理机械约束。然而，现有的商业与学术软件往往针对单一方法开发，导致不同技术社区之间出现壁垒，难以在同一个框架内耦合处理包含复杂刚柔交互的多体系统。为了解决这一问题，研究人员开发了通用易访问接口（GIRAFFE），这是一款开源的仿真平台。本研究详细介绍该平台的背景、代码结构与应用实例。该论文发表在《Advances in Engineering Software》期刊上，为多物理场、多尺度复杂力学系统的数值仿真提供了一种高度统一且可扩展的开源解决方案，具有重要的学术价值与工程应用意义。
研究人员在开发GIRAFFE软件时主要采用了以下关键技术方法：基于虚功原理（PVW）构建包含内力、外力、惯性力与约束贡献的多体系统统一弱法方程；采用面向对象编程范式并使用C++语言编写底层代码；利用自动微分工具进行模型的一致性线性化；在时间积分上采用适应Rodrigues旋转参数的Newmark隐式积分格式。研究通过三个数值算例验证了软件的功能：包含铰链与接触的关门冲击模型，采用了壳与梁单元及NSSS接触算法；凹型刚体落入泡沫池算例，使用了自动接触检测并结合势垒法处理非凸多面体的复杂接触；海上锚泊系统算例，采用三维桁架单元结合Morison模型计算水动力，并通过序列化求解步确立初始悬链线构型。
研究结果总结如下：
1. 引言
通过分析FEM、MBD和DEM的共性，研究人员指出这三种方法本质上都在求解单一物体或物体系统的静态或动态方程，并需要处理约束与载荷。GIRAFFE软件的核心指导方针就是将这些方法的特征包含在同一个框架内，以耦合的方式同时求解。
2. 多体系统的一般描述
研究人员给出了统一描述MBD、DEM和FEM的通用数学结构，并基于虚功原理提出了多体系统的统一弱法方程，该方程综合了内部虚功、外部载荷虚功、惯性载荷虚功以及约束诱导的虚功。该形式为组合刚柔多体系统提供了理论基础。
2.1. 柔性体
介绍了固体模型的各种结构理论替代方案。其中，VEM固体建模允许处理任意形状的单元（如凹多面体），通过投影与稳定化项计算单元矩阵。几何精确梁与壳模型基于Simo理论，采用更新Lagrange框架与Rodrigues旋转参数化，能够处理大位移与大转动，其FEM离散化采用了二次形函数。
2.2. 刚体
刚体公式采用与梁和壳相同的Rodrigues旋转参数化描述运动。刚体对于弱形式的惯性贡献由质量、极点加速度与惯性张量表达，这种设计与柔性体的数学表达保持一致，便于在统一框架内耦合。
2.3. 约束
约束通过拉格朗日乘子技术嵌入弱形式中，将运动微分方程转化为微分代数方程（DAE）。等式约束（即特殊约束）用于连接不同物体的自由度，如铰链、万向节等。不等式约束则用于描述接触问题，通过Karush–Kuhn–Tucker（KKT）条件定义，采用主-主接触方法处理点状接触，避免了主-从方法的离散偏差，并能处理多面体的奇异接触。
3. 模型求解
系统空间离散化后形成包含运动方程与约束方程的残差方程。对于静态载荷步，采用Newton–Raphson（NR）迭代法求解非线性方程。对于动态载荷步，采用隐式的Newmark时间积分格式。同时还具备模态分析步和伴随分析功能，可在动态求解中评估系统特征值。
4. 实现策略与软件组织
GIRAFFE采用模块化方案，基于C++面向对象编程，利用Eigen库和Intel? MKL求解线性系统，利用Arpack求解特征值。代码结构包含输入输出、通用模型数据库、求解器选项、节点、单元、颗粒、边界、材料、载荷、约束等核心类。其中新一代接触功能允许软件自动搜索体间接触，无需手动预定义接触对。布尔表功能允许在多步求解中动态激活或停用特定资源。
6. 示例
通过三个实例验证了软件的应用能力。在关门冲击示例中，通过梁壳单元与特殊铰链约束再现了结构的连续开启、闭合与碰撞振动。在凹型刚体落入泡沫池的示例中，利用自动接触搜索和势垒法成功模拟了113个柔性多面体与单凹型体的密集接触与能量演化。在海上锚泊系统示例中，通过桁架单元与水动力模型结合序列化静态-动态求解步，准确模拟了锚泊线在浮体复杂运动下的动态张力变化。
7. 结论
GIRAFFE软件是关于FEM、DEM和MBD共同数学结构的思考成果。它以虚功原理为基础，结合面向对象C++编程实现，将不同方法统一在一个平台上得以解决多体力学问题。该代码开源，允许研究人员在其基础上累积数值公式与建模资源，逐步构建出功能强大的多物理场复杂系统仿真工具。
