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面向对象非线性有限元程序设计方法研究

宗欣  
【摘要】:当前典型的有限元程序大都以结构化编程思想为基础,由成千上万行过程化代码构成。这些代码中包含了大量贯穿于整个程序的复杂的数据结构,这种全局性的复杂数据结构在总体上降低了整个程序系统的灵活性。由于面向过程编程语言不能提供数据抽象、数据封装等概念,开发和维护有限元程序存在的潜在困难日益突出,如代码重用率低、调试复杂、开发周期长等等。传统的结构化有限元程序中存在的种种问题,限制了非线性有限元程序的设计,使得程序设计时不仅将面临由非线性问题带来的困难,而且还将面临程序设计本身所固有的困难。因此,在工程实际应用中,需要引入一种更新的设计方法,既能够提高程序设计的效率,又使得设计出的程序具有更高的可维护性,可扩展性。面向对象技术即是这样一种方法,十多年来,不断有研究者进入面向对象有限元研究领域,探索如何将面向对象方法与有限元程序设计最好的结合。基于这样的思路,论文工作中对面向对象非线性有限元程序的设计方法作了深入研究。 通过借用前人已经构建好的一些相对成熟的数据对象类完成了论文工作中对基本数据的抽象与封装,在此基础上,以确定类与类之间隐含的固有关系为研究重点,形成了具有较高凝聚性的有限元基础类库(FEFC)。有限元应用程序框架(FEM Application Framework)的构建以FEFC为核心,为后继非线性有限元程序设计提供了骨干代码和接口,并以实例程序的设计过程论证了FEFC与FEM Application Framework的有效性。 数据的抽象与封装是面向对象方法学中最基本的概念,对基本数据类的抽象与封装,已经成为面向对象有限元程序设计研究领域事实上公认的基本工作。基于这样的背景,研究工作中借鉴Microsoft公司封装MFC的思路,将其应用到有限元程序设计领域,通过对单个数据类所代表的数据的特点以及数据间固有关系的分析,有效整合已有的基本数据类,提出了有限元基础类库(FEFC)的概念,初步设计了可用于实际程序设计的有限元基础类并给出其层次结构图。FEFC的提出与构建,提高了基本数据类之间的凝聚性,达到以底层代码方式确定各种数据类之间的关系,保证数据信息的交换能够通过一系列相对固定的消息的传递来完成的目的,大大降低了有限元程序中存在大量全局性复杂数据结构的可能性,从而提高了基于FEFC设计的有限元程序系统的灵活性。同时,也为建立有限元应用程序框架打下基础。 后期研究工作着眼于构建适用于非线性有限元程序设计的框架性工具。从分析非线性有限元理论出发,针对非线性有限元程序的特点,在有限元基础类的基础上辅助以非线性有限元求解算法数据对象类构建了有限元应用程序框架。应用程序框架的建立,为非线性有限元程序的设计提供了固化的骨干代码,后续程序设计直接与骨干代码留下的接口交互,而不需要深入对这些代码进行改动,由此大大提高了程序设计效率。同时, 面向对象非线性有限元程序设计方法研究 也使得对程序的改动与主体程序剥离开,降低了维护程序的代价。在此框架下设计不同 类型的非线性有限元程序十分方便,面向对象技术保证了程序本身具有很好的可扩展 性。 最后,利用构建好的应用程序框架,针对材料非线性有限元问题设计了具体的非线 性有限元程序,并给出了一个计算实例,计算结果与理论解及商用有限元软件计算解吻 合较好。设计过程及程序本身表明了文中构建的有限元基础类及有限元应用程序框架的 有效性。 研究工作的主要特色在于提出并构建了FEFC,由此而构建的FEM Apphcation Framework为非线性有限元程序设计提供了模板性的体系结构。


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