Numpy与PFC的数据交换---ballarray

1 引言

Numpy是在Python基础上开发的数值计算工具，主要用来操作数组，许多基于Python的科学计算软件包都使用了Numpy，包括深度学习应用。Itasca软件通过Itasca模块提供了与Numpy数据交换的能力，主要优点表现在两个方面，一方面Numpy的数组处理比内置的FISH语言要快得多，甚至比Python本身的循环处理要快得多，另一方面通过Numpy可以在Itasca软件环境下直接进行数据处理，而不需要使用其它外部工具。很久以前讨论过FLAC3D与Numpy的数据交换【FLAC3D与Python的集成 (2)---数据交换至Numpy】，通过itasca.zonearray模块对单元进行操作。这个笔记简要讨论了PFC与Numpy的数据交换方法。 

Numpy的最新版本是1.22.0(12/31/2021)，Itasca软件目前使用的版本是1.13.0, 是2018年以前的版本，理论上可以把Numpy升级到目前的最新版本，但由于担心Numpy会受到Python版本的影响导致破坏Itasca模块，因此没有升级。

2 Numpy试验

如果不与Itasca模块交互，则不需要输入Itasca模块(import itasca as it)。在岩土工程中，经常使用的是正态分布和对数正态分布【岩体统计模型---对数正态分布(log-normal distribution)】。正态分布的应用最广泛，其特征是数据对称地分布，而对数正态分布是正偏态分布，在零点附近有很大的尖峰值而且只允许正值，例如剪切强度的统计分布就只能使用对数正态分布(Lognormal)或Gamma分布，因为这些分布只定义为正值，确保随机生成的剪切强度值总是正值。下面显示的是在Itasca环境下产生的正态分布图(numpy.random.normal)和对数正态分布图(numpy.random.lognormal)。

其它几种常用的概率分布形式使用下面的函数产生：

numpy.random.uniform

numpy.random.exponential

numpy.random.gamma

numpy.random.beta

numpy.random.triangular

3 ballarray方法和属性

Itasca模块的数组接口不是处理单个ball对象，而是利用Numpy的数组处理所有ball的属性和特性【PFC 之 attribute & property】，接口通过调用ballarray子模块实现。

from itasca import ballarray as ba

一旦产生了ball的集 合，便可以使用ba实例对其操作，包括方法和属性：

ba.createba.dampba.densityba.dispba.eulerba.extraba.fill_dampba.fill_densityba.fill_dispba.fill_eulerba.fill_force_appba.fill_force_contactba.fill_force_unbalba.fill_massba.fill_mass_realba.fill_moment_appba.fill_moment_contactba.fill_moment_unbalba.fill_posba.fill_radiusba.fill_spinba.fill_velba.force_appba.force_contactba.force_unbalba.idsba.in_groupba.massba.mass_realba.moment_appba.moment_contactba.moment_unbalba.posba.radiusba.set_dampba.set_densityba.set_dispba.set_eulerba.set_extraba.set_force_appba.set_force_contactba.set_groupba.set_moment_appba.set_moment_contactba.set_posba.set_radiusba.set_spinba.set_velba.spinba.vel

4 ballarray应用

下面显示了ba的简单应用。

(1) ba.radius()---用来获取所有ball的半径radii，如果ball的半径不一样，可以使用上面讨论的分布形式作出ball大小的分布概率分布图。

(2) it.ball.count---用来获取所有ball的数目。

(3) ba.set_radius(radii)---以set_开头的方法用来把新的数值返回到PFC,假如要把所有球的半径缩小至原来的75%，并更新其半径值。

radii *= 0.75ba.set_radius(radii)radii = ba.radius()

(4) ba.pos()---用来获取所有ball的位置[positions = ba.pos()]，ba.radius()是一个一维数组，而ba.pos()是一个三维数组。如果需要获得每个轴上的一维坐标，使用代码：

x, y, z = positions.T

(5) ba.set_force_app(force)---用来把对每个ball施加力，这首先通过ba.pos()获取每个ball的位置，然后一个新的数组force，最后把力施加到每个ball上。

force = -5e-3 * (positions.T/np.linalg.norm(positions,axis=1)).T

ba.set_force_app(force)

(6) Ballarray模块使用ba.create可以用来快速创建模型中的球。这个方法的第一个参数是一维的半径数组，第二个参数是二维或三维的位置数组。此外，该函数还接受可选的参数，允许指定所创建的球的属性和特性。

ba.create(brad,bpos,density=bdens,damp=0.7,props={'kn':1e4,'ks':1e4,'myprop':'george'})

5 参考文档

(1) Using SciPy and Other Third-party Python Packages

(2) Array Style Programming with PFC and NumPy

(3) Modeling Flow in Porous Media with Darcy’s Law

(4) UCS Test With Imported Geometry