大型有限元分析软件的架构设计及其核心框架的实现

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1、武汉理工大学博士学位论文大型有限元分析软件的架构设计及其核心框架的实现姓名：刘齐文申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：张联盟20100401摘要随着计算机技术以及计算科学的飞速发展，有限元分析技术因其独有的优势而得到了极大地发展，相应地有限元分析软件普遍得以使用于科学研究以及企业的产品研发中。国内从上个世纪70年代开始自行研发有限元分析软件，上个世纪80年代开始引进国外先进的有限元分析软件如MSC／Nastran等，经历了一个国外软件与国内自行开发的软件同时使用的阶段，但自上个世纪90年代开始，随着ANSYS以其低价和良好的技术支持和强

2、大的市场扩展能力迅速占领国内分析市场以及随后的其他国外知名有限元分析软件供应商的跟进，国外有限元分析软件逐渐垄断了国内分析市场。ANSYS等国外厂商在垄断了国内市场后便抬高价格，这无疑给国内大量中小制造企业实现从传统设计到现代设计的转型带来了巨大的困难。另一方面，商业软件厂商出于对利润的无止境的追求和市场的竞争压力，必然无暇顾及科学研究的个性化的特殊需求。本论文针对上述这种来源于工程实践和科学研究两个方面的需要：1)通过问卷调查和访谈的形式调查了工程实践领域的工程师以及科学研究的有限元分析软件用户对大型有限元分析软件的需求，并以此为依据进行了

3、需求分析；2)回顾了多物理场问题的基本理论，并据此分析了大型有限元分析软件的数据以及算法；结合具体情况以及存在大量可资借鉴甚至可重用的有限元类库以及求解器代码，采取基于构件的面向对象开发方法，而生命周期模型则采用渐增式演进开发模型，通过逆向工程手段分析一个典型的具有一定规模的现有面向对象有限元分析程序oofem的构架，从而构建出自己的基于矩阵类的具有较强的二次开发功能的大型有限元分析软件的构架。本文得到了：1)一个基于矩阵的可扩展的多场、多尺度大型有限元分析软件的架构。2)以矩阵类为核心的科学分析软件的基类库以及通用有限元分析软件的初步框架；

4、3)一个基于均匀场理论预测复合材料热力学性能的一个两尺度实现。本文的创新点主要有以下几点：1)首次提出了基于矩阵类的多物理场、多尺度大型有限元分析软件架构。2)首次提出大型通用有限元分析软件与中小型专用有限元分析软件相结合的软件开发模式。关键词：有限元分析软件，面向对象，矩阵分析，软件架构，多物理场耦合IIAbstractWiththerapiddevelopmentofcomputertechnologyandscience,thefiniteelementmethodwhichbasedonthecomputertechnologyhas

5、beendevelopedgreatly．Asaresult，thefiniteelementanalysissoftwareisappliedmoreandmoreextensivelyinvariousfieldsinscientificresearchandenterprises．Chinabeganitsownresearchanddevelopmentworkaboutthefiniteelementanalysissoftwaresince1970sandthenintroducedadvancedFEMsoftwaresucha

6、sMSC／Nastranfromabout10yearslater．AsANSYSandotherfamousFEMsoftwareoccupiedthefirstplaceincivilmarketrapidlysince1990swiththeiradvantageoflowprice,finequalityofproductandstrongabilityofmarketexpansion,largequantitiesofsmallmanufacturingenterprisesfacedgreatdifficultiesduring

7、theexchangefromthetraditionaldesigntocontemporarydesignunderthemonopolyenvironmentofforeignproductsinthedomesticmarket．Ontheotherhand，commercialsoftwarecompanieshavenotimetotakeaccountofthespecialneedsofindividualscientificresearchbecauseofmeirexclusiveobsessionwithprofitan

8、dthecompetitivechallengetheyfacedintheworldmarket．Inresponsetotheapplicationneedsf