Gmsh网格文件格式说明

By | 2017年9月16日

本文中的网格文件指的是Gmsh的ASCII文本文件,内容主要参考Gmsh的官方文档:http://gmsh.info/doc/texinfo/gmsh.html#MSH-ASCII-file-format

文件结构

Gmsh网格文件由一个或多个块(section)构成。块定义以$Name开始,$EndName结尾,例如$Nodes和$EndNodes共同定义一个块。$MeshFormat块是必须的(第一个出现的块),$Nodes, $Elements等块可选。如果定义了$Elements块,则必须给出$Node块。目前$Nodes和$Elements块在一个文件中只允许出现一次(未来版本可能会更改),其他块可重复多次。如果遇到了未定义的块,Gmsh将跳过该块。利用此特性可以为Gmsh网格文件增加注释,例如放在$Comment和$EndComment包裹的块中。

块格式

以下对常见的各个块格式做说明。

MeshFormat

$MeshFormat块给出三部分信息:

  1. 文件格式版本号,目前是固定值2.2;
  2. 文件类型,在ASCII文件中值为0;
  3. 数据长度,即单精度浮点数所占字节数,通常为8。

一个典型的MeshFormat块:

$MeshFormat
2.2 0 8
$EndMeshFormat

Nodes

Nodes块第一行为顶点总数,接下来每一行按照“顶点编号 X坐标 Y坐标 Z坐标”的格式定义一个顶点。Gmsh是三维网格生成器,二维顶点只需把Z坐标设置为常数即可。

一个典型的Nodes块:

$Nodes
4
1 0.0 0.0 0.0
2 1.0 0.0 0.0
3 1.0 1.0 0.0
4 0.0 1.0 0.0
$EndNodes

Elements

注意:Gmsh默认Nodes块出现在Elements之前。

Elements块是网格中最关键的块,也是结构定义相对复杂的块。Elements块的结构如下:

网格数
网格编号 网格类型 tag数量  tag列表   顶点列表

网格单元的顶点数由单元类型决定,因此定义行中未出现顶点数字段。

理论上,网格的顶点数和tag数可以是不小于0的任意整数,所以定义网格单元的行长度不固定,单元可能有不同数量的tag以及顶点。

Gmsh支持的主要网格类型编号如下:

1: 两个点组成的线段
2:三个点组成的三角形
3:四个点组成的四边形
4:四个点组成的立方体
5:八个点组成的六面体
6:六个点组成的棱柱
7:五个点组成的金字塔体
8:三个点组成的二阶线段 (2个起止顶点+1个边上顶点)
9:六个点组成的二阶三角形 (3个顶点+3个边上顶点)
10:9个点组成的二阶四边形 (4个顶点+4个边上顶点+1个面上顶点)
11:10个点组成的二阶立方体 (4个顶点+6个边上顶点)
12:27个点组成的二阶六面体 (8个顶点+12个边上顶点+6个面上顶点+1个体节点)
13:18个顶点组成的二阶棱柱 (6个顶点+ 9个边上顶点+3个四边形面上顶点)
14:14个顶点组成的二阶金字塔 (5个顶点+8个边上节点+1个底面四边形的面上顶点)
15:单个顶点
16:8个顶点组成的二阶四边形 (4个顶点+4个边上顶点)
17:20个顶点组成的二阶六面体 (8个顶点+12个边上节点)
18:15个顶点组成的二阶棱柱(6个顶点+9个边上节点)
19:13个顶点组成的二阶金字塔 (5个顶点+8个边上节点).

其他高阶网格定义请参考官方文档

常规情形下,每个网格单元都包含如下tag:一个指示网格所属的物理实体的tag,个个指示网格所归属的几何实体的tag,一个指示网格单元所在的分区编号的tag。Gmsh和大多数代码要求单元至少包含前两个tag。

顶点列表给出组成网格单元的顶点编号,其中编号是出现在$Nodes块中的顶点编号。对于高阶网格单元,Gmsh按照如下顺序对顶点进行编号:

  1. 单元的基本顶点
  2. 每个边上的顶点
  3. 每个面上的顶点
  4. 体顶点

总体原则即:高阶网格顶点出现在低阶网格顶点之后。不能处理高阶网格的程序,只需要读取低阶网格顶点即可。

其他块的字段含义请参考官方文档。

效率提示

Gmsh没有要求元素的编号是连续的。但出于效率考虑,请尽量使用连续、紧凑的编号。例如两个顶点的编号,不用0和1,而是1, 10000,会导致程序性能下降:Gmsh不得不使用map而非数组来存储和访问元素,后处理程序中会分配10000个单元(大部分是无用的空值)的数组,而这些代价都是可避免的。

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