（机械电子工程专业论文）组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究.pdf

斌 ，j a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf i n a n c e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t ：t h e g e n e r a l i z e do p t i m i z a t i o nf o rm e c h a n i c a ls t r u c t u r e i ti sa ni m p o r t a n tp a r to f t h ew h o l e s o f t w a r ep l a t f o r mf o ro p t i m i z a t i o na l t h o u g ht h e r ea r es o m ef u l l g r o w nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r e ，s u c ha sa n s y s ，s a p ，i d e a sa n de t c ，t h e y a r em a i n l ya i m e da t g e n e r a l m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n d o p t i m i z a t i o n o fs t r u c t u r ea r en o tp r o v i d e d y e t c o m p o s i t i v em e t h o df o ro p t i m i z a t i o ni s ap r o g z a mt ot h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f l a r g ea n t e n n as t r u c t u r e ，w h i c hh a s i t so w nc h a r a c t e r b u ti ti sc o d e db yf o r t r a na n d p o o r i nm a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o n ，w h i c hc a u s e st h eu s eo f t h ep r o g r a mv e r yd i f f c u l t t h i sp a p e ri sd e v e l o p e db a s i n go i lt h o s ed i s a d v a n t a g e so ft h ep r o g r a m ，w h o s em a i n p u r p o s e i st oa d dt h ep r e p o s t p r o c e s sa n dm e s hp l o t t ot h ep r o g r a m ，i m p r o v et h e a r r a n g e m e n to fd a t aa n dm a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o na n d f a c i l i t a t et h eu s eo fu s e su n d e r t h ee n v i r o n m e n tw i n d o w ss oa st of o u n dt h eb a s i sf o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n f e m ，w h i c hi s a na b s o l u t e l yn e c e s s a r yp a r to ft h ew h o l ep l a t f o r mo fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n i sd e v e l o p e d a t1 a s t k e y w o r d s ：c o m p o s i t i v e m e t h o d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t m e s hp l o t d y n a m i c l i n kl i b 3 ，a r y r e l a t i o n a ld a t a b a s es y s t e m 摘要 r l 本文课题来源于国家自然科学基金项目：机械结构系统广义优化设计。是整 个广义优化设计平台的个组成部分。虽然当前已有不少成熟的有限元分析软 件，如a n s y s ，s a p ，i d e a s 等，但它们都是针对一般的机械结构，并且没有提供 优化功能。综合法是一个集有限元分析和优化与一体的、针对大型天线结构的计 算程序，具有自身的特点。但它是用f o r l 、r a n 语言编写的，并且只能在d o s 下运 行，人机交互性比较差，用户使用不巧j i ；r 歹、，一厂 亚是针对综合法的上述缺点开展夕本文臼： 作夕主要目的在于为组合结构有 限元分析的综合法配备前后处理，完善数掘文件的管理，改善与用户交互的性能， 使其可以在w i n d o w s 环境下运行，并为其加入了网格划分。为以后用户的使用和 优化的运行打下了基础。 最后，开发了整个优化设计平台的个重要的组成部分，即f e m 软件集成系 统。 关键词：综合法动态连接库二次开发关系型数据库网格划分 声明 rt o s 2 1 7 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了义中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也小包含为获得两安电子科技大学或 其它教育机构的学位或畦书i f l l f 使用过的利料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任们贡献均已托论文中做了明确的蜕明并表示了谢意。 本人签名：趟墨堡f i 期塑! l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅呛文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采f 目影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名 丑兰二i 嚣窒丝一 f j 期壹型! ：圭 h 期呈! 堕! 竺： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 科学计算可视化的发展和现状概述 计算技术的飞速发展，特别是高速计算机的广泛使用，使科学家与工程师们 正面i 晒着滚滚而来的数据“洪流”。每天从地面、海面、空间，由种类繁多的信 息源产生的大量数据，远远超出了人脑分析解释这些数据的能力。由于缺乏大体 积数掘的有效分析手段，大约有9 5 的计算被浪费，这严重阻碍了科学研究的进 展。难怪科学家们惊呼：“我们能够做的仅仅是收存数据! ” 面临挑战，1 9 8 7 年在华盛顿召丌的一次科学计算专题会议上，美国计算机成 像专业委员会( c i p ) 应美国国家科学基金会的要求提出了解决方法一一可视化 ( v i s u m i z a t i o n ) 。将图形学、成像技术与计算科学结合诞生了一个全新的领域 一一科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o n i ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，v i s e ) ，又 称科学可视化( s c i e n t i f i cv i s u m j z a t i o n ，s v ) 。这次会议形成了正式的v i s e 报告，从而为v i s e 作为一门交叉学科的形成与发展奠定了基础。 可视化是从多个与计算机相关的学科中孕育出来的，不同学科对其描述不尽 相同，其基本思想是“用图形与图像来表征数据”。可视化是作为解释大体积数 据最有效的手段而率先被科学与工程计算领域采用，并发展为极为热门的研究领 域科学可视化。 科学计算的规模与深度在很大的程度上影响着一个国家科学技术发展的快慢 和水平的高低。科学计算产生大量的数据，从这些数据中得出整体物理概念是非 常复杂的问题。不仅如此，科学工作者期望在计算过程中能及时了解到出现什么 情况和问题，从而能实时地对计算过程加以调节和控制。因此科学可视化有两层 明确的含义：不仅要求计算结果可视化，而且要使得计算过程可视化。形象地说： “科学可视化使计算变得趣味盎然，它把浩如烟海的数据描绘成数据风景， 止人们漫游其中”。 科学可视化的诞生赋予了可视化鲜明的内涵与科学的研究方法学，并更具 般性( 因为在本质上，任何问题的可视化最终都归结为计算可视化) 。这里引述 美国c i p 在v i s e 报告中对可视化的定义：“可视化是一种计算方法，它将符号( 数 据) 转换成几何，使研究者能观完他们的模拟与计算。它将不可见的变成可见的， 丰富了科学发现的过程，给予人们深刻与意想不到的洞察力，在很多领域使科学 家的研究方式发生了根本变化”。该报告宣称：“可视化对科学生产与重大科学突 破产生的巨大的影响，可与超级计算机的影响相比拟。” 尽管科学可视化的研究主要集中在科学与工程计算领域，而其应用则远远超 过计算科学本身。这是因为可视化技术适用于任何有大量数据存在的场合，而本 质上并不局限于某种特定的应用。科学可视化一个极具魅力的优点在于“应用科 组合结构分析的前后处理与网格臼动划分研究 学无关性”，尽管自身是交叉学科孕育而成的。这使得各行各业竟相引入科学可 视化的研究成果并掀起阵阵热潮。 在国外，随着计算机技术的迅猛发展，i ：1 算机图形图象处理能力正在同益 增强，可视化技术已进入实用阶段。发达国家( 如美国、德国等) 运用该技术已 经取得了相当可观的社会效益和经济效益。美国波音公司研制7 6 7 4 0 0 型新型 客机，就是利用可视化技术，首先在计算机中“f l 产”出虚拟样机，通过样机的 “试飞”，观察样机的起飞。降落过程，从而确定设计的外型是否合理，然后再 进行生产。北加利福尼亚大学新药试制可视化系统也已达到实用阶段，它能将某 种药物的分子结构进行分析，或者进行分子结构重构，形成一种新药的分子结构。 德国的宝马汽车公司，利用工作站和相应软件做轿车碰撞试验。该试验若用实物 进行，需耗费1 0 0 万美元，同时还要毁坏一辆几乎完好无损的轿车。建筑设计可 视化和城市规划可视化是应用该技术的活跃领域。目前新加坡己开发出建筑设计 可视化应用系统，准备推向国内市场。 国内开展可视化技术的研究是从9 0 年代初期丌始的。经过几年的研究和发 展，已经有了初步的成效。一汽集团利用可视化技术已形成了轿车车身的自主开 发能力；北京机床厂在s g i 工作站上，成功地丌发出批应用成果，如用于铣床 方案设计的可视化系统。清华大学丌发出了“可视化信息管理与决策支持系统”， 该项目成功地在计算机中建立起了各种可视化信息模型，如数据的血管模型、地 图数据模型。冶金行业开发出了炼钢过程可视化系统。在我国高速公路的设计中， 开发出了高速公路可视化设计系统以及城市可视化系统。 工程设计可视化技术的研究在技术和经济上都具有重大的意义，必将取得更 大的发展和更广泛的应用。具体表现在： ( 1 ) 可应用在预测、评价、讨论各种设计方案中，可直观探讨空间布置合理性 和存在的问题，从而帮助进行优化决策。 ( 2 ) 极大地增强了工程设计的直观性，可大幅度减少工程设计的试验费用。利 用可观比技术可直接观察工程设计涉及到的实际存在或计算机模拟的三维物体的 静止或活动画面甚至物体工作过程中几何、物理甚至化学性能的变化。 ( 3 ) 不仅能获得各种计算结果，而且利用可视比技术可以了解到计算、设计、 试验过程中产生的各种现象和变化；通过改变控制参数，直接观察参数的作用， 从而实现对计算。设汁、试验过程的引导和控制、如桥梁设计时了解或控n ) b 部 荷载对受力和变形的影响。 第一章绪论 1 2 开展本文工作的课题背景和意义 有限元软件，通常指以有限元方法和矩阵结构分析方法为主体的科学研究或 工程应用软件，它们在大中型科技应用软件中占有相当大的比重，其中多数又属 于固体结构强度分析范畴。随着计算机软硬件技术的发展，数据结构、数据库管 理、可视化与计算机图形学、用户接口与系统集成等领域的成果被逐渐应用到有 限元软件中，进而发展和形成了一门新的学科有限元软件技术。目前流行的 有限元软件可以分为通用和专用两大类。 目前有不少成熟的商用有限元分析程序，如s a p 、i d e a s 、a n s y s 等，但 一方面这些软件价格昂贵，一般的大学和科研院所无力购买；另一方面，这些软 件都是针对一般的工程结构。而本文所采用的综合法程序是针对大型天线结构而 编制的集有限元分析和优化于一体的软件系统，具有自身的特色，包含了针对天 线结构的特征参数，如天线结构的状态：指平和仰天；天线结构的类型：圆抛物 面天线和赋型波束天线及辐射梁与坐标轴央角等参数。而这在上述软件中是不方 便设计的。 当前，针对大型天线结构的集有限元分析和优化与体的软件尚不多见，而 综合法就是一个具备了上述功能的程序。但当前的大部分有限元及优化程序大都 是用f o r t r a n 语言编制的，它们都是针对某一具体问题而编制的，在编制前很少 经过软件系统结构的设计，存在通用性差，接口和输入输出数据繁杂，缺乏友好 的人机交互建立模型的机制，缺乏人工智能因素等诸多问题。 近年来，以上问题得到了高度重视，由我国自然科学基金支持的重点项目“机 械系统广义优化设计理论、方法和程序的研究”由华中理工大学，浙江大学主要 承担，我校也参加了部分工作。该项目的目标是建立一个面向广义优化设计，包 括广义信息管理系统，广义优化建模子系统，并行寻优子系统，产品设计与造型， 结果评价决策系统的高度集成化的大型软件平台。陔平台将专家系统作用和科学 计算可视化贯穿优化设计的整个过程，具有良好的人机交互界面和高效的寻优算 法。我校承担了“优化技术可视化”的基金项目，本文课题正是在这种背景下提 出的。 本文是基于结构优化设计的综合法而开展的，下面对综合法进行简单的介绍。 数学规划法和最优准则法是两种典型的结构优化设计的理论和方法。数学规划法 具有理论基础牢固、适应面广的优点，它可保证在一定条件下使迭代收敛至局部 最优解，因而用其解决工程优化问题使人感到比较可靠。但是，对于大型工程结 构优化问题，其计算工作量，尤其是迭代次数将随着设计变量的增加而呈指数增 加。与此相反，准则法具有迭代次数少，且与设计变量多少关系不大的明显优点， 这对于大型天线结构优化设计意义尤为明显。然而，它的理论基础不够牢固，迭 代设计过程不够稳定，对不同的问题需推导不同的准则通式等缺陷，在一定程度 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 上影响了其被广泛应用的进程。总之，这两类方法各具特色、各有千秋，因此， 扬长避短，分别采纳各自的优点、祢补其不足进而探索更为完善的优化设计方法 则是非常自然而重要的事情。 在7 0 年代后期与8 0 年代初，c f l e u r y 分别同多位学者合作，发表文章阐述 了基于准则法和数学规划法的称为“混合法”的初步见解。1 9 7 9 年，他同其导师 l a s c h m i t 教授合作完成了a c c e s s 一3 程序系统，使混合法趋于完善。1 9 8 0 年， 我国大连理工大学的钱令希教授等人按照同样原理，运用二次规划，研制成功 d d d u 大型程序系统。 在上述综合法中，均引入了力学近似概念，并分别吸收了前两大类方法的各 自优点。准则法收敛快可以祢补数学规划法迭代次数多、计算工作量大的不足； 数学规划法理论上的严密性又可使准则法得到改善。再者，又可采用规划法中已 经成熟的方法解决准则法中区分有效约束和无效约束的困难。所以，混合法既在 理论上比较严密，迭代次数又比较少。 1 3 本文的主要目的和工作 本文从实际应用的角度出发，根据已有的工作成果，结合自己在整个优化设 计平台软件开发中的作用，在有限元的前后处理及优化方面做了一些相应的工 作，是整个优化设计平台的一个重要组成部分。 本文主要工作如下： 1 、认真学习和研究现有的综合法f o r t r a n 源程序( 约1 万行) ，对原来程序 中某些不适合软件集成的内容进行了改变，并利用m sf o r t r a n p o w e r s t a t i o n 形 成动态链接库d l l 。 2 、结合已有的广义优化设计平台，在对其进行深刻理解的同时进行了一些扩 充，明确了今后软件开发方向和内容。 3 、利用关系型数据库( r e l a t i o n a ld a t ad a t a b a s e ) 原理和相应软件m sa c c e s s ， 实现了有限元和优化的数据文件管理，规范了数据文件的组织。 4 、 利用a u t o c a d 的二次开发技术v b a ，实现了结构的线框模型、实体模型的 绘制，并实现了相应的位移和振型图的显示。 5 、 利用a u t o c a d 的二次开发技术o b j e c t a r x ，实现了针对天线结构的优化设 计变量的选取和归并。 6 、 利用s g i 公司的图形开发工具包o p e n g l ，实现了杆、梁和板壳的应力图的 绘制。 7 、 结合现有的有限元软件a n s y s ，对组合结构的网格划分做了些探讨，并 将其应用到整个广义优化设计平台中，在原来程序的基础上增加了网格划分 功能。 第二章f e m 软件系统集成设计 第二章f e m 软件系统集成设计 2 1 有限元软件发展概况 有限元软件在众多的自然科学和工程技术领域里发挥了巨大的技术和经济效 益，获得了巨大的成功。伴随着计算机硬件与软件技术的进步，有限元软件也得 到了进一步的发展。 2 1 1 早期的有限元软件特点 早期的有限元软件实质上只是有限元分析软件，因为从软件的组成上说，其 程序主要由单元分析、组装和求解组成，缺乏前后处理功能；从软件的功能上说， 它解决的问题的范围窄、复杂性小、且规模也小，功能简单，诸如线性热传导以 及线性结构分析等，从软件技术上来说，它有以下几个鲜明的特点： ( 1 ) 软件只能在大型机上运行： ( 2 ) 软件以批处理方式运行，缺乏交互功能； ( 3 ) 问题信息的输入通过卡片或其他顺序访问设备，如纸带等成批输入，且输 出仅限于简单的数据表格形式，可选择功能极弱； ( 4 ) 整个软件是一个大程序，解题规模受机器内存限制。 这些特点，使得这种有限元软件剥用户要求很高，用户不但要熟悉有限元方 法及其应用本身，而且还要对软件的信启，格式、输入设备等有深入的了解；因此， 这种软件的用户本身就是软件的丌发者。而且因为缺乏前处理和交互功能，数据 输入后又得不到及时的检查，只有在分析过程无法进行或整个分析过程完成之 后，经过人工的分析爿能发现问题，旦发现问题，又必须重新进行下一轮分析。 l简单信息处理 f有限元分析 结果输出 图2 1 早期的有限元分析软件 本课题所用到的综合法程序就是以前用f o r t r a n 编写的，但缺少良好的 人机界面和前后处理功能，并且不能在w i n d o w s 环境下运行，如果不加以利用， 势必造成前人成果的浪费，因此，构造个可视化的软件集成平台是绝对必要的， 也是可行的。目前国内的华中理工大学、大连理工大学和浙江大学也在做相似的 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 工作，并取得了一些进展。 2 1 2 现代有限元软件的特点 7 0 年代中期以来，随着计算机运算速度的提高，内外存容量的扩大和图形设 备的发展，以及软件技术的进步，有限元软件在原来的分析软件的基础上扩充了 与应用领域相关的前后处理功能，并引人了文件管理技术，发展成为有限元分析 与设计软件。 初期的前后处理软件的能力是比较弱的，特别是后处理能力更弱，但是由于 引入了以基础的具有交互性能的前后处理功能，使得用户更加容易学习和掌握有 限元软件，人工生成和输入有限元模型的工作量和计算量，提高了分析、整理结 果的速度，减少了出错的机会。例如，在进行有限元分析之前，可以用交互式图 形来验证模型的几何形状、材料及边界条件，分析完成以后能立即通过图形来进 行某些物理量的交互验证等。 随着计算机图形软硬件技术的进一步发展，有限元分析越来越成为c a d 软件 不可缺少的部分。有限元软件也逐渐发展成为有限元分析、设计与c a d 软件的集 成，从软件技术上说，这种软件主要引入了数据库，从c a d 数据库中直接取出数 据进行有限元模型化，以及将有限元分析验证结果传递c a d 系统等技术，它的前 后处理功能，特别是后处理功能得到进一步增强，用户使用更加方便，分析问题 的效率进一步提高。用户可以在这样的系统支持下进行多种设计方案的分析比 较，生成最优设计方案，并进行详细设计，直到输出设计图。 因此，现代的有限元软件体系一般如下图所示： 图2 2 现代有限元分析软件 在本软件平台的实现过程中，由于时间和人力所限，不可能开发完全独 立的c a d 平台，但国际知名的c a d 软件a u t o c a d 为用户提供了多种二次开发手段， 如v b a 和o b j e c t a r x ，本人正是在利用这两种二次丌发手段，实现了有限元程序与 a u t o c a d2 0 0 0 的集成。下一章将对其进行详细介绍。 第二章f e m 软件系统集成设计 2 2 有限元软件技术 有限元软件随着计算机软硬件技术和有限元方法的发展而发展，从软件技术 来说，一个比较完整、高效和使用方便的有限元软件，至少应包括以下几个方面： ( 1 ) 数据管理技术； ( 2 ) 用户界面与系统集成技术； ( 3 ) 可视化技术。 2 2 1 数据管理技术 数据管理技术是有限元软件，以及基于有艰元软件的c a t ) c a m 乃至c i m s 系统的基础之一，有限元软件的进步与其数据管理技术的更新密切相关。有限元 软件的发展过程正是有限元软件中数据管理技术的发展过程，对传统的有限元软 件来说，数据管理技术是一种在有限元分析各算法模块之间传递或交换数据的技 术，但是从有限元软件的应用角度来看，数掘管理不仅作为种数据传递或交换 的工具，还应作为一种辅助分析和设计的手段，比如有关数据的显示操作和管理。 数据是计算机软件处理的对象。而有限元软件所要处理的数据又有其自己的 特点。 从功能上况，有限元软件所处理的数据可以分成如下五种： ( 1 ) 描述用户问题的数据。例如，描述用户问题的几何拓扑的数据、 描述材料特征的数据、描述荷载状况和约束状况的数据、描述计算方法的数据和 描述运行控制特征的数据等： ( 2 ) 描述用户问题有限元模型的数据。例如有限元剖分数据、单元的 材料及截面数据、子结构数据( 如果采用子结构解法的话) 、单元的荷载数据以 及节点的约束数据等： ( 3 ) 描述有限元方程的数据。例如：总刚度存储格式数据、总刚度矩 阵数据、总荷载数据等： ( 4 ) 描述计算结果的数据。例如：位移、应力、速度、加速度、以及 特征值和特征向量数据等： ( 5 ) 历史数据。如果是动态问题或非线性问题，则需要处理上述历史 信息。 有限元软件的数据管理技术也经历了手工管理、文件管理、数据库管理等几 个阶段的发展。 最初的手工管理不仅对软件的应用人员要求很高，而且效率低下，容易出错， 不方便使用。后来的文件管理技术相对来讲有了一些提高，但仍然不便于阅读， 效率没有大的提高，而且也不易组织和管理。 随着软件技术的发展，出现了方便编程和使用的数据库管理系统( d a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ) ，在d b m s 中，可以定义数据表格之间的关系，方便显示， 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 为有限元软件的数据管理提供了极大的方便。在本软件系统中就是采用了m s a c c e s s 数据库进行数据的组织和管理。 2 2 2 用户界面与系统集成技术 用户界面是专门处理人机交互活动的软件成分，在有限元软件的前处理 系统中显得尤为重要。在现代软件开发中，用户界面已经成为软件开发中一个独 立的、内容丰富的领域。一方面，同一般的应剧软件一样，有限元软件的用户界 面不单是提供一种使用方便和交互式地输入和输出有关信息，而且要提供一个高 效的系统集成能力。系统集成技术与界面技术密切棚关，就现在软件技术的发展 来说，以“事件”驱动为基础的交互式动态软件技术已经成为用户界面技术和系 统集成技术的基础；另一方面，由于有限元软件是解决大型的科学与工程问题的 计算工作，它具有数据类型复杂和输入量大的特j 扎有限元软件的用户界面技术 应该能提供种高效的数据压缩技术，即用户只需输入少量的信息就能描述清楚 有限元分析所需的全部数据。为了达到这个目的，则需要加入一些人工智能方面 的软件辅助丌发工具。这也是当前的一个重要的研究方向。 同一般的工程应用软件一样，有限元软件的特点是输人数据量大，算法复杂， 它对用户界面的需求与日剧增。一个好的有限元软件，其用户界面应该具有以下 特点： ( 1 ) 使用的简便性。用户在要求软件功能和性能提高的同时，要求使用软件的 手续尽量简便，输入形式简单方便，得到的输出结果形象直观，目了然，而且 自动化程度高。 ( 2 ) 用户界面术语的标准化和一致性。这不单指用户界面中所使用的专业术语 标准化和具有一致性，而且也指交互方式的标准化和一致性。这使得用户不但很 容易懂得输入数据或信息的涵义，而且也容易掌握。 ( 3 ) 拥有高级的在线( o n l i n e ) h e l p 子系统。使得用户在任何状态下，可以通 过它获得指定的规格说明、命令解释、错误信息说明，更高级的h e l p 系统甚至 能判断出错误发生润以及解决问题的方法等一系列具有智能性的辅助咨询活动。 ( 4 ) 算法的可隐可现性。算法对于初学者来说可以是隐藏的，他们可以不考虑 选择算法问题而正常使用；但对于高级的丌发型用户来说，他们有算法选择的权 利，尽管更高级的有限元软件提供了算法的自适应选择功能。 ( 5 ) 数据压缩性高。有限元软件的一个重要特点是输入的信息量大。因此一个 好的用户界面，应该在保证使用简便和易理解的自h 提下，尽量让用户输入较少量 的，即具有较高的数据压缩性。 ( 6 ) 快速的系统响应和低的系统成本。因为好的用户界面在运行时可能要使用 较多的设备，并引入较大的系统开销，因此，软件设计者应该精心设计，以加快 系统响应并减统开销。 第二章f e m 软件系统集成设计 9 目前的w i n d o w s 开发环境为用户界面和系统集成的实现提供了很大的便利。 与以往的d o s 环境相比，现在w i n d o w s 下有更有力的可视化开发软件，如v c + + ， v b ，c + + b u i l d e r 等，本软件的用户界面主要就是在c + + b u i l d e r 的开发环境下完 成的，而且w i n d o s 下的d l l 技术可以方便的实现资源共享和代码重用。 在此基础上，本软件实现了如下的用户接口模型。 图2 3 用户接口模型 2 2 3 可视化技术 科学可视化技术是将人们对自然现象模拟过程中产生的数字信息，转换为形 象直观，以图形图象形式表示，便于进行交互分析的静态和动态画面。它不仅提 供了二维，三维绘图的辅助分析工具，同时又是分析和理解大容量数据的有效手 段。如果把字符信息看作是一维的话，那么可视化系统就将一维的信息量扩展到 二，三维，加上颜色，时间的延续，可达到更高维数。并且可视化技术中的交互 功能可使用户迅速获取反馈信息，及时用图形，图象再现交互变化结果，使原本 抽象的数据空间关系更加易于理解和表达。 工程应用对可视化系统要求有通用的基础部分，也有专用的特殊要求，如医 学上核磁共振的成像，是通过传感器从人体内测量数据，经过傅立叶变换由各层 图像建立起体元模型，在屏幕上真实地显示出来，而工程有限元计算结果的可视 化是通过有限元方法计算出对象应力后，再对应力值在某一范围内的区域用同一 颜色填充，不同应力区域用不同颜色区分，从而直观地展现出机械零部件的应力 分布情况。正是因为各个工程应用领域的具体数据表达形式不同，所以很难有一 个通用的系统满足各种特殊需求，特别是高层次的跟踪和驾驭可视化系统一般都 是面向特定领域实现的。 从另一个角度考虑，各个工程应用系统都是基于与现实世界相接近的一个计 1 0组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 算机图形模型，不管根据自身行业的特性而进行如何的加工和取舍，整个模型的 基本属性都是一样的，即是由若干拥有固定坐标属性的图形要素加以组织而成的 图素集合( 图素：各系统的个体信息要素的抽象定义) 。在此集合中，不同的图 素大都 j 有坐标属性，图形属性等共同属性，同l 时，它们还有各自的不同特殊属 性。从这方面分析，各种系统行业差异仅存在于相对少数的不同属性图素之间。 图2 4 可视化过程的结构 因此如果把可视化系统分成两大块，系统建模和信息造型，那么其粗略结构 如图2 4 示 其中，系统建模随不同应用系统而异，而信息造型则不同系统有许多共同点， 可相对独立开发，这样划分使系统结构清晰。 从操作过程来看，可视化模型可归结为如下的主要执行阶段： a 数据过滤。将原始数据转换为形式化数据，即进行数据变换，加工处理， 格式转换的工作； b 数据映射。将模块数据转换为图形数据，从过滤后的数据中建立与实体 点，线，面等几何要素的对应关系； c 画面绘制，将分类后的几何图元归类，绘制成图象，并加以特征标注， 真实感显示等。 可视化模型中较多地采用数据流模型，即将可视化过程抽象为一种数据流， 如图2 5 所示，数据流模型通过各个模块之间的进程通信来完成相应的功能，每 个模块是相互独立的，用于实现输入数据流的处理功能并输出数据流。可以看出， 数据流通过通信管道传输，而不采用模块间的直接数据传送，因此数据流模型更 加适合驾驭计算等高级控制机制。 随陵匪曩 一形示一啦 隧隧隧紧隧蜃纛l 料；r 一 懒一一场 一 恐 i h一隧隧隧隧黪i套 一 统 模 隰l 剡蕊墨 j 氮到型 第二章f e m 软件系统集成设计 图2 5 可视化数据流程 科学计算可视化就是利用图形形象直观地表示科学计算产生的数据，根据科 学计算程序和可视化结合程度的不同，可视化从层次上可划分为结果( 事后) 可 视化，跟踪式可视化和驾驭式可视化，结果可视化是目前广泛应用的一种可视 化技术，对于该方式来说，科学计算和可视化过程不发生任何耦合作用，即科学 计算过程中无图形显示及改变计算进程的交互控制，而进行可视化时，必需等待 计算过程结束，如图2 6 所示。跟踪式可视化是在计算过程中用图形来显示中间 计算结果，见图2 7 。由于图形直观且信息量大，因此可以尽早发现计算过程中 出现的问题，以及发现新的流动现象。跟踪式可视化中也没有提供控n ；, - i - 算进程 的交互手段。驾驭式可视化是科学计算软件丌发的发展方向，它不仅具有跟踪式 可视化的功能而且可以对计算进程进行交互控制，见图2 8 。由于受到软硬件水 平的限制，目前驾驭式可视化尚处于研究阶段，应用还不广泛。有限元的后处 理主要使用计算结果的可视化，而计算过程可视化则主要体现在优化设计中。 图2 6 结果可视化流程图 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 图2 7 跟踪可视化流程图 图2 8 驾驭式可视化流程图 2 3f e m 软件系统分析与设计 2 3 1f e m 软件系统分析 开发一个软件首先要进行系统分析，其主要工作有确定系统的规模和范围， 确定软件的总体要求，所需要的硬件环境和软件环境，确定待开发软件与外界的 接口，根据用户的情况确定软件对操作的要求，以及待开发软件总体上的约束和 限制，有助于弄清对所开发的软件、支撑软件、硬件环境以及操作人员的要求。 f e m 软件系统的主要任务就是为组合结构分析的有限元分析配备前后处理，方 便用户使用。当前的w i n d o w s 编程环境为生成丰富的图形用户界面提供了有力的 支撑，因此，选择w i n d o w s 作为软件运行的系统环境是一个毋庸质疑的问题。但 首先要解决的一个问题就是原来f o r t r a n 代码在w i n d o w s 下的运行问题，以前曾 雾 一一7 一 k 一亨爵 一 第二章f e m 软件系统集成设计 做过将f o r t r a n 向c 转换的工作，这样做不仅工作量大( 有1 万行源代码) ，而 且容易出错，软件的正确性难以得到保证。因此，我们在f e m 软件设计中抛弃了 这种做法，而是利用f o r t r a n 9 0 的w i n d o w s 编译器f o r t r a np o w e r s t a t i o n ，将原 来的8 3 个子程序编译生成动态连接库d l l ，而仅把原来的主程序改写为c 代码， 这样工作量大为减少，且保证了软件的可靠性、证确性，从而实现了原f o r t r a n 程序在w i n d o w s 下的运行。 对于相应的支撑软件问题，如编州语南，我们决定选择c + + b u i l d e r 这一当 前最为流行了可视化编程环境，其方便+ 陛和快捷性为进行r a d ( r a p i da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t ) 提供了保证。 有限元分析前后处理的工作量是非常巨大的，仅靠一两个人很难完成整个工 作。有限元分析的前处理部分包括几何建模、有限元建模和网格划分等工作。对 于几何建模，其实是一个c a d 软件支撑系统，这本身就是一个工作量巨大的软件 系统，不可能在短时间内完成，因此，我们将目光投向了如何利用现有的c a d 软 件，企图借助于其提供的开发手段，为f e m 软件丌发提供有力的帮助。而国际知 名的计算机辅助设计软件a u t o c a d ，就是个很好的选择，它提供了诸如a u t o l i s p ， v b a ，o b j e c t a r x 等二次丌发手段，其ti - 以o b j e c t a r x 二次开发技术最为先进和强 大，它提供对a u t o c a d 图形文件的直接操作，所以，我们决定在f e m 软件中采用 a u t o c a d 作为支撑软件平台。网格划分是有限元前处理的一个很重要的部分，本 着应用为目的，我们决定采用a n s y s 进行有限元二维、三维实体的网格自动划分， 通过编写文件格式转换程序完成结构的初始网格划分。但该软件为以后的扩充提 供了接口，完全可以利用a r x 技术1 ：发自己的网格划分程序，添加到该软件体 系中。 有限元静力分析会产生大量数据，如节点位移、单元应力等，动力分析还会 有振型信息。将这些信息以图形的方式直观的显示给用户，将有助于用户对结构 设计的合理性做出快速的判断，对不合理的地方加以改进，提高效率，加快产品 开发过程。有限元后处理部分就包括了结构位移、应力、振型等的显示。借助图 形软件包o p e n g l ，f e m 软件完成了对上述结果信息的显示。 在f e m 软件丌发中，一个很重要的问题就是数据的组织和管理。原来的综 合法中是利用数据文件的方法完成信息的交换，缺点是不直观、烦琐、修改不方 便：我们采用关系型数据库a c c e s s ，可以方便的实现数据的显示、修改。 综上所述，f e m 是一个软件集成系统，主要是利用了a u t o c a d 的二次开 发技术完成对组合结构有限元分析的前后处理，在结构的初始网格划分中使用了 a n s y s 。 2 3 2f e m 软件系统设计 在上一节中我们明确了软件的需求，并且对采用的方法和技术进行了可行性 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 研究。这一节的任务是对软件系统进行设计。软件设计分为概要设计和详细设计， 概要设计的任务就是确定软件系统的结构，进行模块划分，确定各个模块的功能、 模块之间的接口以及模块之间的调用关系。详细设计的任务是为每个模块设计实 现的细节。此外，在概要设计阶段还应对全局数据结构进行设计，详细设计阶段 应对局部数据结构进行设计。这罩主要讨论软4 q - n 9 概要设计。 组合结构分析的有限元前后处理要与优化砹汁f 1 9 可视化相结合，是整个软件 平台的一个不可或缺的组成部分。结合以前的- i 作和自己一年来的学习，我们对 有限元及优化设计集成系统的设计如下图所示。 图2 9 有限元及优化可视化集成系统 f e m 软件系统可以分为三个层次，即最上层的刖户界面部分，是用户与软件 交互的途径：中间的软件功能模块，主要是由综合法尘成的d l l 和由a u t o c a d 二次开发而成的结构位移、应力显示模块：最下面的是系统的数据组织和管理模 块。 一个具有友好的人机交互界面的软件系统可以给用户提供极大的方便，反 之，则会给用户带来不必要的麻烦。f e m 软件系统就是要在保证综合法正确运行 的基础上，尽可能的为用户提供交互手段。陔软件的用户界面部分由一个主窗体 和相应的辅助窗体组成。主窗体主要是结构的数据显示，可以通过a c c e s s 数据 库的表格形式显示，并且可以方便的修改和存储。主窗口通过相应菜单控制予窗 第r - = 章f e m 软件系统集成设计 口的显示和应用程序的运行。如下图所示。 图21 0f e m 主控窗体 软件功能模块包括组合结构有限元分析模块( d l l ) ，应力显示模块，丽位移 和模态显示模块则是嵌入到a u t o c a d 环境中的，是独立开发和运行的模块，但 它们之间通过数据库相联系。 最后是软件核一i i , 数据库的设计工作，主要是几何模型和有限元模型的数据库 的建立。针对天线结构的特点和相应的杆件类、板类、和圆抛物面的几何特征， 我们设计了相应的数据表格，完成刑结构几何模型的存储。包括点的坐标、线条 的颜色、粗细、板的厚度、抛物面r i o 熊距等。而有限元模型信息则包括了用于综 合法有限元分析所需要的所有信息，包括材料、载荷、杆、梁截面积、板的厚度 等等。 最后要指出的点是，任何软件的丌发都要为软件以后的扩充提供必要的接 口，软件开发要有可预见性。本软件丌发采用的是关系型p c 数据库格式，数据 以表格的形式存储起来，可以供用户方便的查询、修改。但这并不是最好的选择， 执行效率也不高，信息冗余比较大。随着软件技术的不断发展，基于面向对象技 术的有限元软件开发成为一个新的研究方向。在未来有限元软件开发中，应该采 用面向对象的技术，构造如图2 1 1 所示的结构类，这样开发的程序才具有更好的 扩充性和重用性。由于本软件是基于原来的f o r t r a n 程序而开发的，不可能修 组合结构分析的前后处理与网格自动划分研究 改原来的数据结构，但以后的软件开发应本着上述原则进行。 图2 1 1 单元结构类设计 此外，本软件为其它方法库的调用提供了必婴的接口，可以扩充综合法以外 的算法，为软件的同后扩充提供了方便。 图2 1 2 算法库调川方式 本章小结： 本章主要论述f e m 软件系统的分析和设计。首，琶对有限元软件的发展概况进 行了较为全面的分析，然后给出了本软件丌发所用的体系结构，最后进一步 明确了可视化系统的过程结构，数据流模型和三个层次关系，本软件正是在 此体系结构的基础开发的。 第三章f e m 软件集成的具体实现 第三章f e m 软件集成的具体实现 本文在第一章中就论文的工作情况进行了简要概述，主要内容如下： ( 1 ) 认真学习和研究现有的综合法f o r t r a n 源程序( 约l 万行) ，对原来 程序中某些不适合软件集成的内容进行了改变，并利用m sf o r t r a n p o w e r s t a t i o n 形 成动态链接库d l l 。 ( 2 ) 结合已有的广义优化设计r 俞，在剥其进行深刻理解的同时进行了一些 扩充，明确了今后的软件丌发方向和内窬。 ( 3 ) 利用关系型数据库( r e l a t i o n a l d a t a d a t a b a s e ) 原理和相应软件m s a c c e s s ， 实现了有限元和优化的数据文件管理，舰范了数据文件的组织。 ( 4 ) 利用a u t o c a d 的二次丌发技术v b a ，实现了结构的线框模型、实体模 型的绘制，并实现了相应的位移和振型图的显示。 ( 5 ) 利用a u t o c a d 的二次丌发技术o b j e c t a r x ，实现了针对天线结构的优 化设计变量的选取和归并。 ( 6 ) 利用s g i 公司的图形丌发f 鼠包o p e n g l ，实现了杆、梁和板壳的应力 图的绘制。 ( 7 ) 结合现有的有限元软件a n s y s ，对组合结构的网格划分做了一些探讨， 并将其应用到整个广义优化设计平台i | _ 1 ，在原来程序的基础上增加了网格划分功 能。 本章将对上述工作进行详细介绍。 3 1 综合法f o r t r a n 源程序向d l l 的实现 3 1 1d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 技术的简单介绍 d l l ( d y n a m i c l i n k1 i b r a r y ) 即动态链接库，提供了一种在w i n d o w s 环境 下共享代码和在应用程序间进行通信的方法。在d l l 中，包含了多个应用程序共 用的函数，例如，w i n d o w sa p i 就足以d 】l 的形式提供应用程序与操作系统的接 口。d l l 可以用多种语言编写，只要遵循一个定规范，不同语言编写的d l l 可以 瓦相调用。但有点要注意的是，d l l 足面向过程的，而不是面向对象，它以函 数的形式与调用它的模块链接。 从w i n d o w s 诞生之同起，w i n d o w s 操作系统就使用d l l 来支持公共函 数调用。一般情况下，d l l 就是一个库中的函数的集合。它不使用连接器直接连 入可执行文件，而是通过包含在可执行文件中的信息进行检索而后使用。与普通 的h 头文件不一样，h 文件是通过与源程序的编译连接而形成可执行文件，必须 与主程序所使用的程序语言一致，而d