开源有限元分析软件-Elmer FEM 开发教程 （2）Elmer FEM 环境搭建

本章为 Elmer FEM 的二次开发提供了一个详细的环境搭建指南，涵盖安装依赖项、获取源代码、编译软件以及验证安装的步骤。Elmer FEM 是一个开源的多物理场有限元分析软件，广泛应用于工程和科学研究。二次开发需要从源代码编译软件，以便修改或扩展其功能。本章提供适用于 Linux、Windows 和 macOS 的详细步骤，适合初学者和经验丰富的开发者。通过代码示例和说明，您将能够快速设置开发环境并为后续开发做好准备。

2.1 引言

在进行 Elmer FEM 的二次开发之前，您需要设置一个开发环境，以便从源代码编译软件并进行修改。Elmer FEM 是一个基于 C++ 和 Fortran 的开源软件，支持多种物理模型和并行计算。二次开发可能涉及创建自定义求解器、修改现有模型或集成其他工具。本章将指导您完成以下步骤：

• 安装必要的编译器和工具。
• 获取 Elmer FEM 源代码。
• 配置和编译软件。
• 验证安装是否成功。

本章适用于 Linux（推荐 Ubuntu）、Windows 和 macOS 平台，确保初学者和进阶开发者都能轻松上手。

2.2 系统要求

要成功设置 Elmer FEM 的开发环境，您的系统需要满足以下要求：

要求	描述
操作系统	Linux（推荐 Ubuntu 20.04 或更高版本）、Windows 10/11 或 macOS。
编译器	支持 C++ 和 Fortran 的编译器，如 GCC（g++、gfortran）、MSVC 或 Clang。
CMake	版本 3.10 或更高，用于构建项目。
Git	用于克隆 Elmer FEM 源代码仓库。
依赖项	BLAS、LAPACK（线性代数库），MPI（用于并行计算，可选）。
可选依赖	OpenCascade、QWT（用于 ElmerGUI），ParaView（用于后处理）。

硬件建议：

• CPU：多核处理器（推荐 4 核或更多，特别是在并行计算时）。
• 内存：至少 8GB（大型模拟可能需要更多）。
• 存储：至少 10GB 可用空间（包括源代码和编译文件）。

2.3 安装依赖项

根据您的操作系统，安装以下依赖项：

2.3.1 Linux（Ubuntu）

在 Ubuntu 上，使用 apt-get 安装必要的工具和库：

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential cmake git libblas-dev liblapack-dev libopenmpi-dev

• build-essential：包含 GCC、g++ 和 gfortran。
• cmake：构建系统。
• git：版本控制工具。
• libblas-dev、liblapack-dev：线性代数库。
• libopenmpi-dev：MPI 库，用于并行计算（可选）。

如果需要编译 ElmerGUI，还需安装以下依赖：

sudo apt-get install libopencascade-dev libqwt-dev

2.3.2 Windows

在 Windows 上，您需要：

1. 安装 Visual Studio：
   • 下载并安装 Visual Studio Community，选择“C++ 桌面开发”和“Fortran 支持”。
2. 安装 CMake：
   • 从 CMake 官方网站 下载 Windows 安装程序。
3. 安装 Git：
   • 从 Git 官方网站 下载并安装 Git。
4. 安装 BLAS 和 LAPACK：
   • 使用 Intel MKL 或 OpenBLAS（推荐通过 MSYS2 安装）。
   • 示例（MSYS2）：

     pacman -S mingw-w64-x86_64-openblas
     

5. 安装 MPI（可选）：
   • 下载并安装 MS-MPI。

2.3.3 macOS

在 macOS 上，使用 Homebrew 安装依赖：

brew install gcc cmake git openblas open-mpi

• gcc：包含 g++ 和 gfortran。
• cmake：构建系统。
• git：版本控制工具。
• openblas：BLAS 和 LAPACK 实现。
• open-mpi：MPI 库（可选）。

如果需要 ElmerGUI，安装：

brew install opencascade qwt

2.4 获取 Elmer FEM 源代码

Elmer FEM 的源代码托管在 GitHub 上。使用 Git 克隆仓库：

git clone https://github.com/ElmerCSC/elmerfem.git
cd elmerfem

注意：

• 使用 --recursive 选项确保克隆所有子模块：

  git clone --recursive https://github.com/ElmerCSC/elmerfem.git
  

• 如果已克隆但未包含子模块，运行：

  git submodule update --init --recursive
  

2.5 编译 Elmer FEM

Elmer FEM 使用 CMake 构建系统。以下是编译步骤：

2.5.1 创建构建目录

在 Elmer FEM 根目录下创建构建目录：

mkdir build
cd build

2.5.2 配置 CMake

运行 CMake 配置构建选项：

cmake -DWITH_ELMERGUI:BOOL=FALSE -DWITH_MPI:BOOL=FALSE -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=…/install …/elmerfem

• 选项说明：
  • -DWITH_ELMERGUI:BOOL=FALSE：禁用 ElmerGUI 编译（若需要 GUI，设为 TRUE）。
  • -DWITH_MPI:BOOL=FALSE：禁用 MPI 支持（若需要并行计算，设为 TRUE）。
  • -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=../install：指定安装路径（可自定义，如 /usr/local/Elmer-devel）。

如果 CMake 无法找到依赖项（如 BLAS 或 LAPACK），手动指定路径：

cmake -DCMAKE_PREFIX_PATH=/path/to/dependency ../elmerfem

您也可以使用图形化工具配置：

ccmake .

或

cmake-gui .

2.5.3 编译和安装

编译源代码：

make
make install

Windows 特定步骤：

1. 使用 CMake 生成 Visual Studio 项目文件：

   cmake -G "Visual Studio 16 2019" -A x64 ../elmerfem
   

2. 打开生成的 .sln 文件，使用 Visual Studio 编译。

2.6 设置环境变量

为方便使用 Elmer FEM 的可执行文件和库，设置以下环境变量：

• Linux/macOS：
  在 ~/.bashrc 或 ~/.zshrc 中添加：

  export ELMER_HOME=/path/to/install
  export PATH=$PATH:$ELMER_HOME/bin
  export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$ELMER_HOME/lib
  

  然后运行：

  source ~/.bashrc
  

• Windows：
  在系统环境变量中设置：

  • ELMER_HOME = C:\path\to\install
  • PATH = %PATH%;%ELMER_HOME%\bin;%ELMER_HOME%\lib

2.7 验证安装

编译完成后，运行测试用例验证安装：

cd ../tests
./runtests.sh

如果测试通过，说明 Elmer FEM 已正确安装。

2.8 开发工具建议

为方便二次开发，推荐以下工具：

• 文本编辑器：Visual Studio Code、Emacs 或 Vim，用于编辑 Fortran、C++ 和 XML 文件。
• 版本控制：初始化 Git 仓库管理自定义代码：

  git init
  

• 调试工具：GDB 或 Visual Studio 的调试器。

2.9 目录结构

安装完成后，Elmer FEM 的目录结构如下：

目录	内容
bin	可执行文件（如 ElmerSolver、ElmerGrid）。
lib	库文件（如求解器模块）。
share	文档、教程和 EDF 文件（用于 ElmerGUI）。
include	头文件，用于开发自定义求解器。

2.10 注意事项

• 依赖项兼容性：确保 BLAS 和 LAPACK 的版本与编译器兼容。
• 权限问题：在 Linux 上，可能需要 sudo 权限进行安装。
• ElmerGUI：如果需要 GUI，确保安装 OpenCascade 和 QWT。
• 并行计算：启用 MPI 需要正确配置 MPI 库。
• 社区支持：如遇问题，可访问 Elmer 讨论论坛 获取帮助。

2.11 总结

本章详细介绍了如何为 Elmer FEM 的二次开发设置开发环境，包括安装依赖项、获取源代码、编译和验证安装。通过提供的代码示例，您可以快速在 Linux、Windows 或 macOS 上完成环境搭建。下一章将介绍 Elmer FEM 的架构和基本概念，为后续开发奠定基础。