シリーズ目次

有限要素法(FEM) を python で作成する～vba→python 翻訳編～
有限要素法(FEM) を python で作成する～damyarouさんのいじくる編～
有限要素法(FEM) を python で作成する～行列の解法編～（予定）

vba→python 翻訳編の概要

構想をざっくり説明しますと
有限要素法(FEM) を python で作成しよう

まずは、～vba→python 翻訳編～としましてこの書籍のエクセルサンプル 5-1 三次元骨組解析.xls(以下サンプル) をpython で書き直してみようと思います。

翻訳は下記のようにサンプル → python に翻訳していきます。

5-1三次元骨組解析.xls


Private Sub cmd計算_Click()

    Dim I As Long
    Dim NEQ As Integer

    For I = 1 To 配列上限
        AJCB(I) = 0
    Next

    Call データ入力
    Call SKYマトリックス(NEQ)
    For I = 1 To NEQ
        FORCE(I) = 0
    Next I
    Call 分布荷重振り分け
    Call 外力add
    Call decomp(NEQ)
    Call redbak(NEQ)
    Call 変位計算
    Call 力とモーメントの計算

    Call 結果出力

    MsgBox "解析が終わりました"

End Sub

framecalc.py

from Calcrate import Calcrate

if __name__ == "__main__":

    cal = Calcrate()
    NEQ = 0

    cal.データ入力()
    cal.SKYマトリックス(NEQ)
    cal.分布荷重振り分け()
    cal.外力add()
    cal.decomp(NEQ)
    cal.redbak(NEQ)
    cal.変位計算()
    cal.力とモーメントの計算()

    cal.結果出力()

    print("解析が終わりました")

環境条件

私の環境は下記の通りです。

OS

windows 7 Home premium Sp1

開発環境

python 3.5.2
Anaconda 4.2.0(64-bit)
pandas 0.18.1
numpy 1.12.0
tensorflow 0.12.0re1

まずは動かしてみよう

はじめにソースコードをダウンロードします。

サンプル 5-1 三次元骨組解析.xls は本の案内にしたがってダウンロードしてください。
このエクセルVBA を python に翻訳していきます。

python に翻訳したソースはここにおいておきます。
$ git clone -b "#1" https://github.com/sasaco/FramePython.git

環境が整ったら、ソースコードのディレクトリに移動して、framecalc.pyを叩くと解析が始まります。
"解析が終わりました" と出れば、正しく解析が行われました。

$ cd FramePython

$ python framecalc.py

$ 解析が終わりました

python プログラムの仕様

データの入出力について

サンプルエクセルはシート[入力1][入力2]をインプットデータとし,
シート[計算・出力]に解析結果を格納しています。

翻訳した python プログラムは、エクセルのシートと連携してないので、
サンプルエクセルのシート[入力1][入力2][計算・出力]を csv に変換したファイルを入出力に用います。

配列の添字について

vba の配列は 1～

5-1三次元骨組解析.xls

Range(1,1)

python の配列は 0～

Calcrate.py

Range[0][0]

なので、翻訳する際に注意が必要だった。

描画機能について

サンプルエクセルの描画機能は python に移植しない

解析結果の比較

ひとまず vba→python の翻訳作業が終わったので、両者の解析結果を比較してみました
ほぼ 0 の小さい値は誤差があるが、まあまあな再現度ではないでしょうか

サンプルエクセルの解析結果（抜粋）

変位							REACT							要素
	X	Y	Z	angX	angY	angZ		Rx	Ry	Rz	Mx	My	Mz		節点	Fx	Fy	Fz	Mx	My	Mz
1	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	1	3.49E+01	408.073	20.088	31.400	1.73E-16	-17.837	1	1	408.073	-34.929	20.088	1.73E-16	-31.400	-17.837
2	2.30E-03	-2.59E-02	-1.23E-04	1.17E-04	-6.91E-21	-2.08E-03	2	-5.00E-15	-76.000	0.000	48.000	1.28E-14	-75.000		2	-408.073	34.929	-20.088	-1.73E-16	-48.953	-121.877
3	1.17E-02	-4.30E-02	2.04E-04	2.42E-04	4.04E-19	-3.80E-03	3	-1.46E-13	-78.000	0.000	48.000	-3.70E-14	-75.000	2	2	269.653	-44.737	22.027	-1.03E-14	-34.644	-46.608
4	2.76E-02	-5.04E-02	1.19E-03	4.20E-04	-5.62E-19	-5.41E-03	4	9.19E-14	-56.000	0.000	42.667	3.56E-13	-66.667		3	-269.653	44.737	-22.027	1.03E-14	-53.464	-132.339
5	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	5	7.02E+00	623.968	20.088	31.400	-6.73E-15	29.101	3	3	116.788	-45.660	18.809	2.42E-14	-24.329	-50.990

pythonプログラムの解析結果（抜粋）

変位							REACT							要素
	X	Y	Z	angX	angY	angZ		Rx	Ry	Rz	Mx	My	Mz		節点	Fx	Fy	Fz	Mx	My	Mz
1	0	0	0	0	0	0	1	34.9286048	408.0727049	20.08821182	31.40032555	-9.49E-15	-17.83716034	1	1	408.0727049	-34.9286048	20.08821182	-9.49E-15	-31.40032555	-17.83716034
2	0.002298747	-0.025909378	-0.000123095	0.000117015	3.79E-19	-0.002080804	2	-1.91E-14	-76	-3.11E-15	48	1.46E-14	-75		2	-408.0727049	34.9286048	-20.08821182	9.49E-15	-48.95252174	-121.8772589
3	0.011665227	-0.043030177	0.000204306	0.000242481	8.13E-19	-0.003795417	3	-6.95E-14	-78	-6.66E-15	48	-1.17E-13	-75	2	2	269.6525828	-44.73675837	22.02695187	-1.08E-14	-34.64397073	-46.60823232
4	0.027638145	-0.050445274	0.001194231	0.000419675	6.78E-19	-0.005408655	4	-2.39E-13	-56	3.55E-14	42.66666667	-2.39E-13	-66.66666667		3	-269.6525828	44.73675837	-22.02695187	1.08E-14	-53.46383676	-132.3388011
5	0	0	0	0	0	0	5	7.022385521	623.9683925	20.08821182	31.40032555	-4.93E-15	29.10143338	3	3	116.7877789	-45.66043605	18.80913902	3.39E-15	-24.32874619	-50.9899696

次回

とりあえず似たような結果が出るところまでは、出来ました。

次回は、
- 解析部分のクラスを分ける
- 行列の解法を python らしく

など考えています。

この記事は現在進行中の企画ですので、
まだ完成していません。

現在のプログラムの状態は master ブランチにあります。
https://github.com/sasaco/FramePython/tree/master
上記のうち何かの修正を開始しているかもしれません

興味のある方はご連絡ください。

有限要素法(FEM) を python で作成する ～vba→python 翻訳編～