软件影响7（2021）100047原始软件出版物PyGeM：Python几何变形Marco Tezzele，Nicola Demo，Andrea Mola，Gianluigi Rozza数学区，mathLab，SISSA，高级研究国际学院，的里雅斯特，意大利A R T I C L E I N F O保留字：自由变形径向基函数插值反距离加权几何变形Python代码元数据A B标准PyGE M是一个开源的Python包，它可以轻松地参数化和变形3D对象描述通过CAD文件或3D网格。它实现了几种变形技术，如自由变形，径向基函数插值和反距离加权。由于它的多功能性，在处理不同的文件格式，它特别适合研究人员和从业人员都在学术界和工业界感兴趣在计算工程模拟和优化研究。当前代码版本2.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2020-59Reproducible Capsule的永久链接https://codeocean.com/capsule/9903556/tree/v1法律代码许可证MIT许可证（MIT）使用git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖PyGeM需要numpy，scipy，matplotlib，sphinx（用于文档）和鼻子（用于局部测试）。要启用CAD子模块，需要模块pythonocc-core来处理IGES文件。如果可用，链接到开发人员文档/手册http://mathlab.github.io/PyGeM/问题支持电子邮件marco. sissa.itnicola.sissa.itandrea.mola@sissa.it软件元数据当前软件版本2.0此版本可执行文件的永久链接https://github.com/mathLab/PyGeM/releases/tag/v2.0可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/9903556/tree/v1法律软件许可证MIT许可证（MIT）计算平台/操作系统Linux，OS X，类UnixPyGeM&需要numpy、scipy、matplotlib、sphinx（用于文档）和nose（用于本地测试）。要启用CAD子模块，需要模块pythonocc-core来处理IGES文件。如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表http://mathlab.github.io/PyGeM问题支持电子邮件marco. sissa.itnicola.sissa.itandrea.mola@sissa.it本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。∗通讯作者。电子邮件地址： marco. sissa.it（M. Tezzele），nicola. sissa.it（N. Demo），andrea. sissa.it（A. Mola），gianluigi. sissa.it（G.Rozza）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100047收稿日期：2020年11月25日;接受日期：2020年11月30日2665-9638/©2020作者。由Elsevier B. V.发布，这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsM. Tezzele，N.Demo，A.Mola等人软件影响7（2021）1000472Fig. 1. PyGE M完整的使用工作流程。要变形的点的坐标可以从不同的文件格式中读取。选择适当的参数化技术后， 和相应的参数，我们可以导出变形的几何体到原始文件格式。图二、 从侧面和正面观察的两个船体变形的例子。1. PY Gem套餐在许多基于模拟的过程中，必须通过改变物体本身的形状来评估特定产品的性能。在所有这些参数化背景下，形状参数化技术是非常有用的，它将变形与一些数值参数相关联，以便启用一些高级算法— 例如形状优化、参数解流形的近似、降阶建模技术。PyGE M是一个开源Python软件包，它实现了先进的3D几何参数化和变形技术，如自由形式变形（FFD）[1]、径向基函数（RBF）插值[2]、反距离加权（IDW）[3此外，它还能够与学术界常用的各种网格和几何文件进行交互， 工业上完整列表如下：• 计算机辅助设计文件（.iges、.step和.stl格式）;• 网格文件（.unv、Elmer和OpenFOAM格式）;• 输出文件（.vtk格式）;• LS-Dyna关键字文件（.k格式）。此外，可以将变形应用于包含在通用numpy.ndarray中的点，进一步扩展了这种软件的适用性。描述PyG e M包使用的完整工作流程如图所示。1.一、 导入网格坐标或CAD文件的控制点坐标后，我们可以选择所需的参数化技术和相应的参数。用户还可以定义自定义变形。控制变形的数值参数可以直接在代码或解析中设置一个简单的格式化文本文件，允许在许多现有的框架中轻松集成。最后，变形的对象可以导出为原始文件格式。在图2中，我们展示了两个示范性的例子 的几何文件已变形使用PyGE M. 整个工作流程可以由最终用户在几行代码中实现，这要归功于面向对象的范式，它允许保持界面的干净和直观，并将算法核心封装在分层类中。该软件包随几个教程一起分发，这些教程展示了它处理最常见用例的能力。此外，还提供了在线文档[6]。2. 对研究领域各种数值模拟使用了该几何变形包，特别是在降阶方法[7在生物医学领域，我们引用[10，11]，其中他们采用RBF插值。在海军领域，FFD因其在CAD文件中的应用而受到广泛关注，例如在形状优化研究[12- 17 ]或等几何分析[ 18 ]中对于航海应用，我们提到[19]，而对于基准CFD应用，请参见[20]，其中他们还执行FFD参数的缩减。该软件包也已成功应用于汽车工程，例如[21，22]。3. 对工业合作PyGE M已经参与了多个工业合作和项目，满足了直观，易于集成的工具的需求M. Tezzele，N.Demo，A.Mola等人软件影响7（2021）1000473用于形状参数化。在欧洲社会基金的高等教育和发展方案中，它在与Fincantieri S.p.A.合作期间得到了利用。在为改进游轮的船体形状而开发的形状优化程序中。由于船舶的数值参数化，实际上可以以完全自动化的方式馈送优化算法，并且从初始形状开始，收敛到使总阻力最小化的几何构型。通过应用降阶建模技术，优化周期的整体效率得到进一步提高，从而显著加快了模拟速度。PyGE M在工业问题上的进一步应用已经在水下蓝色效率（UBE）和滑行船体游艇的耐波性（SOPHYA）项目的背景下进行。这两个项目都由弗留利-威尼斯-朱利亚地区政府通过欧洲区域发展基金资助，并涉及学术和工业合作伙伴，如的里雅斯特大学，蒙特卡洛游艇公司。和MICAD s.r.l.这两个项目的重点是机动游艇船体的整体水动力设计，以及水下排气口等特定部件的详细研究。在此框架下，PyGE M被用来变形的船体CAD几何，并参数化的水下排气口勺。此外，径向基函数（RBF）算法已被用于将由此产生的CAD表面修改扩展到周围体积，并相应地调整项目中涉及的流体动力学模拟的计算网格。同样，这导致了为整个船体或其组件的设计运行全自动优化周期竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢我们感谢我们的同事和研究合作伙伴，他们为PyGeM库以前和现在的发展做出了这项工作得到了一位工业博士的部分支持由Fincantieri S.p.A.赞助的赠款（IRONTH项目），意大利，部分由项目UBE 2-“水下蓝色效率2”资助，吉安路易吉·罗扎附录A. 补充数据与 本 文 相 关 的 补 充 材 料 可 以 在 网 上 找 到在https://doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100047。引用[1]T.W. Sederberg，S.R. Parry，实体几何模型的自由形式变形，在：SIGGRAPH -图形和交互技术特别兴趣小组会议录，SIGGRAPH，1986年，pp. 151比159[2]M.D.张文，径向基函数理论与实现，北京：科学出版社，2003。[3]D. Shepard， 不规 则 间隔 数据 的 二维 插值 函 数， 在 ： Proceedings-1968 ACMNational Conference，ACM，1968，pp. 517-524[4]美国海军陆战队Witteveen，H. Bijl，使用反距离加权插值的显式网格变形，在：第19届AIAA计算流体动力学，AIAA，2009.[5]F. Ballarin，A. D'Amario，S. Perotto，G. Rozza，一种快速参数化形状变形的pod选 择 性 逆 距 离 加 权 方 法 ， Int. J.Meth. Eng. 117 （ 8 ） （ 2018 ）860http://dx.doi.org/10.1002/nme.5982[6] PyGeM 文 档 ， http://mathlab.github.io/PyGeM/ ， （ 访 问 时 间 ： 2020-10-20）。[7]G. Rozza，M.W. Hess，G. Stabile，M. Tezzele，F. Ballarin，in：P. Benner，S.Grivet-Talocia，A.夸特罗尼湾Rozza，W.H.A. Schilders，L.M. Silveira（Eds.），参数偏微分方程基于投影的模型降阶的基本思想和工具，在：模型降 阶手 册 ，2，De Gruyter，2020年，出版。[8]F. Salmoiraghi，F. 巴拉林湾 Corsi，A. Mola，M. Tezzele，G. Rozza，Advancesin geometric parametrization and reduced order models and methods forcomputational fluid dynamics problems in applied sciences and engineering ：Overview and perspectives，in：ECCOMAS Congress 2016 - Proceedings of the7th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences andEngineering ， vol. 1 ， 2016 ， Crete ， Greece ， pp. 1013-1031 ， doi ：10.7712/100016。1867.8680。[9]G. Rozza，M.H.马利克，N.德莫，M。Tezzele，M.吉福利奥湾Stabile，A.李文，计算流体动力学中参数化工业问题的降阶方法研究进展，载于：R。欧文河deBorst ， J.Reese ， P. Chris （ Eds. ） ， ECCOMAS ECFD 7 - Proceedings of 6thEuropean Conference on Computational Mechanics（ECCM 6）and 7th EuropeanConference on Computational Fluid（ECFD 7）Dynamics（ECFD 7），Glasgow，UK，2018，pp. 59比76[10] Z. Jiang，O.马约尔湖Patrouix，D. Cirette，J.- F. Witz，J. Dumont，M. Brieu，用于数值模拟的MRI骨盆系统的患者特定建模：使用物理模型进行验证，在：医学图像计算和计算机辅助干预国际会议，Springer，2019年，pp. 19比30[11] M. Tezzele，F. 巴拉林湾 李文，基于主动子空间和POD-Galerkin方法的心血管问题的参数和模型降阶，在：D。Boffi，L.F.帕瓦里诺湾Rozza，S.斯卡基角Vergara（Eds.），心血管系统的数学和数值建模及其应用，见：SEMA-SIMAI系列，16，Springer International Publishing，2018年，第16页。185http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-96649-6_8[12] M. Tezzele，F. Salmoiraghi，A. Mola，G.罗扎，非均匀参数空间的降维及其在船舶工程外形设计中的应用，高级模型。你好工程科学5（1）（2018）25，http://dx.doi.org/10。1186/s40323-018-0118-3。[13] N.德莫，M。Tezzele，G. Gustin，G. Lavini，G. Rozza，通过适当的正交分解和动态模式分解进行形状优化， 未来船舶的技术和科学：NAV 2018会议记录：第19届船舶海事研究国际会议，IOS出版社，2018年，页 212http://dx.doi.org/10.3233/978-1-61499-870-9-212[14] N.德莫，M。Tezzele，A. Mola，G. Rozza，一种有效的形状参数化，通过自由形式变形增强主动子空间，用于开源环境中的船体水动力船舶设计问题，见：ISOPE 2018会议记录：第28届国际海洋和极地工程会议，第3卷，2018年，第11页。565-572.[15] N.德莫，M。 Tezzele，A. Mola，G. Rozza，一个完整的数据驱动框架，用于船舶工程问题中参数化形 状设计和优化的有效解决方案， 在：R。Bensow，J.Ringsberg（编辑），MA-RINE 2019会议录：第八届海洋计算方法国际会议工程，2019年，pp。111-121[16] M. Tezzele，N.德莫，G。Rozza，形状优化通过适当的正交分解与插值和动态模式分解增强的活动子空间，在：R。Bensow，J.Ringsberg（编辑）， 2019年MA-RINE会议录：第八届海洋工程计算方法国际会议，2019年，第10页。122-133。[17] M. Tezzele，N. 德莫，M。 Gadalla，A. Mola，G. Rozza，模型降阶 通过活动子空间和动态模式分解的参数化船体形状设计流体动力学，在：技术和科学的船舶，The Future：Proceedings of NAV 2018：19th International Conference onShip Maritime Research，IOS Press，2018，pp.569http://dx.doi.org/10.3233/978-1-61499-870-9-569。[18] F. Garotta，N.德莫，M。 Tezzele，M. Carraturo，A. Reali，G. 罗泽，参数化区域中偏微分方程的降阶等几何分析方法，在：M。D'Elia，M. Gunzburger，G.Rozza（Eds.），不确定度量化：提高效率和技术：安静的选择贡献，在：在计算科 学 与 工 程 讲 义 ， 137 ， 施 普 林 格 国 际 出 版 社 ， 占 ， 2020 年 ， 页 。153http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-48721-8_7[19] M. Tezzele，N. Demo，A. Mola，G. Rozza，一个集成的数据驱动的计算管道，具有工业和应用数学的模型降阶，在：特别卷ECMI，2020，出版中。[20] N.德莫，M。Tezzele，G. Rozza，通过活动子空间重建POD模态系数的非侵入式方法，ComptesRendusMécaniquedehttp://dx.doi.org/10.1016/j.crme.2019.11.012[21] M.伯格曼，A. Ferrero，A. Iollo，E. Lombardi，A. Scardigli，H.张文，不可压缩流场的无伽辽金分区POD模型，J。Comput. Phys. 352（2018）301-325.[22] F. Salmoiraghi，A. Scardigli，H.泰利布湾Rozza，自由形式变形，网格变形和降阶方法：高效气动外形优化的使能器，Int.J.COMPUT。流体动力学32（4-5）（2018）233-247，http：//dx.doi.org/10.1080/10618562.2018.1514115网站。
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