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面向对象的有限元分析方法的研究进展

发布于:2016-04-08 20:45
有限元分析

      近四十年来,有限元分析方法得到了充分的发展,在建筑、船舶、航空、机械、水利等相当广泛的工程领域得到应用,已经成为这些领域求解工程问题最有效的数值计算方法之一。有限元方法的实现离不开计算机程序。国内外开发了相当多的有限元计算App,甚至还有商用App包,如ANSYS、NASTRAN等等。但是,这些商用和非商用App大多数采用传统的结构化程序设计方法,同样存在App工程中的App危机,可维护性、可重用性、可扩充性差。八十年代末期人们开始重视这些问题,力求找到新的解决办法。面向对象方法以其特有的优势,逐渐受到人们的重视。自从1990年B.w.R.Ford第一次完整的阐述面向对象有限元的概念以来,在这一领域的研究工作如火如茶的展开了。截至到1999年底,该领域的相关论文已达到四十多篇。
      面向对象有限元方法是将有限元理论和App工程中的面向对象方法紧密的结合在一起。在讨论面向对象方法在某一领域的应用时,通常按照面向对象分析(OOA)、面向对象设计(00D)、面向对象编程(00P)的顺序描述。本文也按此过程展开。限于篇幅一些内容作了省略,另外根据工程需要增加了面向对象方法增强有限元App的表现和面向对象有限元的扩展等部分。
      面向对象分析是直接将问题映射为对象表示的实体,用类层次表达系统的抽象层次关系,用消息在各对象之间传递控制的数据流的系统分析和建模方法降。主要工作有对象的识别、对象属性和方法的确定,以及对象之间的相互关系的确定等等。
      面向对象方法学有许多对象识别方法,如Goad的词法分析等。目前在有限元App设计中,对象的识别主要是依靠经验和直觉。因而不同研究者识别出来的对象模型不完全一致,但差别不大。相当多的研究者都进行过这项研究工作,比较典型的是文献中的对象模型,认为可适当简化为图的形式。在图中,缩进表示继承关系。这些对象的含义一般可以由其名字判断出来。另外,文献还提到用NodeTree、ElementTree等对象来管理Node、Element等对象,可以视为图对象的补充。
      从有限元分析的整个过程着手,还是比较容易确定各个对象的属性和方法,如计算单元刚度矩阵应该由单元对象完成,所以单元对象就有一个存储单元刚度矩阵的属性以及一个计算该矩阵的方法。文献等对此作了比较详细的讨论,例如文献中的单元对象如图2示。
      继承关系最容易找出来,并容易理解。对象简单列表就反映了一个继承关系,只是这样的继承关系没有表述完全。图给出了文献详细表述的单元对象继承关系。由此可见完整的对象继承关系还是比较复杂的,应视具体研究需求而定。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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