有限元第9章有限元法程序設(shè)計(jì)

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1、第9帝冇限元法程序設(shè)計(jì)9.1引言在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，將會(huì)遇到大量的數(shù)值計(jì)算，因而在實(shí)用上是一定耍借助于計(jì)算機(jī)和冇限元程序，才能完成這些復(fù)雜而繁重的數(shù)值計(jì)算工作。事實(shí)上，冇限元程序的設(shè)計(jì)是有限元研究的一個(gè)很重要的部分。它是理論和方法的載體，是理論用于實(shí)際必不可少的橋梁，是有限元學(xué)術(shù)研究與實(shí)際應(yīng)用水平的代表。有好的、高深的理論和算法并不等于有好的程序，還必須有實(shí)際的程序開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的多年積累、豐富的計(jì)算機(jī)知識(shí)、人量的資金和人力的投入，多年的開(kāi)發(fā)修正與改進(jìn)才能編制出好的程序來(lái)。一些著名的冇限元程序開(kāi)發(fā)的發(fā)展歷史也體現(xiàn)出

2、了這一規(guī)律。設(shè)計(jì)一個(gè)用于結(jié)構(gòu)分析的冇限元法程序，要求設(shè)計(jì)者至少應(yīng)該掌握下列知識(shí)：(1)掌握一種程序開(kāi)發(fā)工具,如VC(VisualC++),CB(C++Buildel),Delphi,VB(VisualBasic)或VF(VisualFortran)等。在本書(shū)中所有程序均用VC寫(xiě)出。(2)數(shù)值方法，如線性和-1F?線性代數(shù)方程的求解，矩陣特征值的求解以及數(shù)值積分等。(3)結(jié)構(gòu)分析的基本理論，特別是用侑限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的原理、方法和步驟。山于一般的軟件工程師不懂結(jié)構(gòu)分析原理，因此，結(jié)構(gòu)分析程序的開(kāi)發(fā)任務(wù)主要應(yīng)由結(jié)構(gòu)工

3、程師來(lái)承擔(dān)。學(xué)握結(jié)構(gòu)分析程序設(shè)計(jì)方法，是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為主要標(biāo)志的現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)工程師的要求。作為結(jié)構(gòu)工程師，應(yīng)該具冇對(duì)結(jié)構(gòu)分析程序的使用、閱讀、修改和編制的基礎(chǔ)知識(shí)和技術(shù)素質(zhì)。有限元程序的總體組成可分為三個(gè)部分：前處理部分，有限元分析本體部分以及后處理部分。有限元分析木體部分是有限元分析程序的核心。它根據(jù)離散模型的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有限元分析，有限元分析的原理和采用的數(shù)值方法集中于此。因此，這一部分程序是冇限元分析是否準(zhǔn)確町靠的關(guān)鍵部分。存限元分析所使用的離散模型的數(shù)據(jù)文件主要包括：模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與節(jié)點(diǎn)

4、編碼，單元數(shù)據(jù)與單兀編碼；材料和載荷信息等。實(shí)際工程問(wèn)題的離散模型數(shù)據(jù)文件「分龐大。一般情況下，用人工方法來(lái)生成工作量太大，并一冃容易出錯(cuò)，有時(shí)甚至是不可能的。為解決這一問(wèn)題，啟限元程序必須有前處理程序。前處理程序根據(jù)使用者提供的對(duì)計(jì)算模型外形及網(wǎng)格要求的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)描述，能H動(dòng)地或半占動(dòng)地住成離散模型的數(shù)據(jù)文件，并能繪制結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和網(wǎng)格圖，供用八檢查修改。詢(xún)處理程序的功能在很大程度上決定了有限元程序使用的方便性。冇限元分析程序的計(jì)算結(jié)果是由離散模型而得到的，輸出的數(shù)據(jù)量往往很大，不易整理，也不易獲得分析對(duì)象的全貌。所

5、以，一個(gè)使用方便的有限元分析程序還應(yīng)具有較強(qiáng)的后處理功能。能夠按照用戶(hù)的需要提供應(yīng)力分級(jí)圖、等值線圖，結(jié)構(gòu)變形圖或振型圖等圖形顯示功能，以及按照一淀的要求對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行列表顯示或打印。因此，這部分程序設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整個(gè)有限元程序使用起來(lái)是否方便，具有舉足輕重的作用。程序設(shè)計(jì)工作經(jīng)歷了純技巧階段，已經(jīng)形成了一門(mén)被稱(chēng)為軟件工程的學(xué)科。對(duì)于程序的質(zhì)量評(píng)價(jià)也逐漸形成了一套客觀標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)質(zhì)量較高的程序應(yīng)該具有較好的可管理性和較高的運(yùn)行可靠性?？晒芾硇砸蟪绦虻目勺x性好，易于調(diào)試、修改和發(fā)展，使用方便且效率高等?？煽啃砸蟪绦蚰?/p>

6、正確無(wú)誤地完成規(guī)定的功能，當(dāng)岀現(xiàn)不正常情況時(shí),能中止無(wú)價(jià)值的運(yùn)行并輸出有關(guān)的信息。程序開(kāi)發(fā)的過(guò)程大致可分為下述三個(gè)階段：（1）程序功能的規(guī)定；（2）程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，源程序及其說(shuō)明的編寫(xiě)；（3）調(diào)試和糾錯(cuò)。目前在實(shí)際的程序開(kāi)發(fā)屮，流行著兩種截然不同的方法，即面向過(guò)程的方法和面向?qū)ο蟮姆椒?。大量的資料說(shuō)明，在開(kāi)發(fā)大型應(yīng)用軟件吋，而向?qū)ο蟮姆椒ㄅc傳統(tǒng)的過(guò)程化程序設(shè)計(jì)方法相比，顯示出很大的優(yōu)越性。然而在開(kāi)發(fā)一些規(guī)模不大的中小型程序時(shí),面向過(guò)程的方法仍然冇一定的優(yōu)勢(shì)。木章將以平面桿系結(jié)構(gòu)的靜力分析為例，介紹用面向過(guò)程的方法進(jìn)行

7、冇限元主體程序設(shè)計(jì)的方法。9.1.1結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)概述結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法是一種傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法。其基本耍點(diǎn)是，口頂向下，逐步求精，以及模塊化設(shè)計(jì)。其基本思想是，把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的求解過(guò)程劃分成若干階段來(lái)進(jìn)行。每一個(gè)階段所要解決的問(wèn)題都控制在人們?nèi)菀桌斫夂吞幚淼姆队脙?nèi)，肓到把原來(lái)的問(wèn)題變換成若干個(gè)易于編寫(xiě)成程序的子問(wèn)題（即模塊）為止。這種程序的逐步分解和楮化是從抽象的做什么到具體的怎么做的發(fā)展過(guò)程。程序展開(kāi)的基木結(jié)構(gòu)有下列三種：（1）順序結(jié)構(gòu)。把一個(gè)功能塊展開(kāi)成若干個(gè)順序連接的語(yǔ)句塊。用元語(yǔ)言（即程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和自然語(yǔ)言

8、的一種混合文體，也稱(chēng)偽語(yǔ)言）表示如下：語(yǔ)句塊1;//入口語(yǔ)句塊2；語(yǔ)句塊n；//出口（2）選擇結(jié)構(gòu)。把一個(gè)功能塊展開(kāi)成兩個(gè)可供選擇的語(yǔ)句塊。用元語(yǔ)言表示如下:if（exp）//入口語(yǔ)句塊1;else語(yǔ)旬塊2；//出口在C/C++屮，Switch語(yǔ)句組成的結(jié)構(gòu)也屬于這種結(jié)構(gòu)。（3）循環(huán)結(jié)構(gòu)。把一?個(gè)功能塊展開(kāi)成需要重復(fù)執(zhí)行的語(yǔ)句塊。用元語(yǔ)言表示如