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MSCNastran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
2、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
3、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；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。
4、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IIAbstractWith the rapid development of computer technology and science,the finiteelement method which based on the computer technology has been developed greatlyAs a result，the finite element analysis software is applied more
5、 and more extensivelyin various fields in scientific research and enterprisesChina began its own research and development work about the finite elementanalysis software since 1 970s and then introduced advanced FEM software such asMSCNastran from about 1 0 years laterAs ANSYS and other famous FEM so
6、ftwareoccupied the first place in civil market rapidly since 1 990s with their advantage oflow price,fine quality of product and strong ability of market expansion,largequantities of small manufacturing enterprises faced great difficulties during theexchange from the traditional design to contempora
7、ry design under the monopolyenvironment of foreign products in the domestic marketOn the other hand，commercial software companies have no time to take accountof the special needs of individual scientific research because of meir exclusiveobsession with profit and the competitive challenge they faced
8、 in the world marketIn response to the application needs from the scientific research and theconstruction practice：1)In this paper,investigation about the needs of FEM software using ofengineers in the field of engineering and scientific researchers has beenconducted by questionnaires and interviews
9、Additionally,the requirementshave been analyzed on the basis of investigation2)ms paper reviewed the theory of multiphysical coupling field and analyzedthe algorithm and data structure of the large FEM software first；Thenconstructed the architecture of the large FEM software using theobjectoriented
10、method and incremental evolution development model whichis an type of life cycle model based on the present architecture of open sourcenamed OOFEM and numerous base classes and codes of other 0pell丘IliteIIIelement analysis softwareThe main achievements in this paper：1)The architecture of all large e
11、xtensible FEM software for multi-physicalcoupling field and multi-scale problems based on matrix has been build；2)Base class of the general FEM software whose central class is matrix classhave been constructed；3)The successful prediction of the thermodynamic property of composites intwo scales on th
12、e basis of the Uniform field theoryThe innovations of this paper：1)It is the first time that the architecture of an large extensible FEM softwarefor multiphysical coupling field and multi-scale problems based on matrixhave been raised；2)It is the first time that the idea that large general FEM softw
13、are should becombined with middle 01“small FEM software for special al ga has been putforwardKey words：Finite element analysis software，Object-Oriented，Matrix analysis，Software Architecture，Multi-physical Coupling FieldW武汉理工大学博士学位论文11研究背景第1章绪论有限单元法从本质上讲，就是求解场问题的分片函数逼近法【l21，其基本思想可以追溯到1943年著名数学家Couran
14、t的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合来求解StVenant扭转问题。此后，一些应用数学家、物理学家和工程师分别从不同角度对有限元法的离散理论、方法以及应用进行了研究，但真正应用有限元法解决科学以及工程中的实际问题，则是在计算机得到了极大的发展以后才有可能。随着计算机技术以及数值方法理论的进展，同时，由于航空航天工程以及土木工程的强烈需求，一批教学研究型有限元分析程序纷纷问世，如1960年代，UC Berkeley的Ed Wilson发布了他的第一个有限元程序，在此基础上开发的第二代程序即著名的SAP(Structural Analysis Progra
15、m)。由Berkeley的工作发展起来的第一个非线性程序使NONSAP，它具有隐式积分进行平衡求解和瞬时问题求解的功能。时gyris(1965)，Marcal和King(1967)发表了第一批非线性有限元方法文章，同时软件随之诞生。当时在Brown大学任教的PMarcal开发了第一个非线性商业有限元程序MARC。大约在同期，JSwanson在Westinghouse发展了一个非线性有限元程序一ANSYS程序。DHibbitt和Klaus与其它人合作建立了HKS公司，使ABAQUS商业软件进入市场。JBathe在Ed Wilson的指导下在Berkeley获得博士学位之后不久开始在MIT任教，发
16、表了他的程序，即NONSAP软件的派生品ADINA。显式有限元程序发展的里程碑来自于Lawrence Livermore实验室的JHallquist的工作。1975年，John开始他的工作。1976年，他首先发表DYNA程序。1980年代，DYNA程序首先被法国ESI公司商业化，命名为PAMCRASH。1989年，JHallquist离开了Livermore，开始经营他自己的公司，扩展LSDYDA商业版的DYNA程序。而美国宇航局则在1964年根据其结构动力学研究的需要，决定开发一套分析软件，计算机科学公司(csc)获得了名为NASTRAN(NASATRANslation)的软件开发合同，并于
17、1968年正式交付美国宇航局，1960s年代后期，由麦克尼尔施文德勒公司(MSC)开始推向市场，其商业版称为MSCNASTRAN软武汉理工大学博士学位论文件(由于com的影响而成为MSCNasn孤)。目前NaS仃觚软件超过100万行代码，除少量汇编语言代码外，其余均为FORTRAN语言代码。NASTRAN的设计从一开始就由若干模块组成，每一个模块完成一个特定具体的分析任务，如几何建模，装配矩阵，施加约束，求解方程，打印输出量，等等。 而要完成一个实际问题的求解则是通过执行一段完整的DMAP(DirectMatrix Abstraction Program)程序来实现。N嬲咖1被广泛使用在航空航
18、天，汽车和航运业。几乎可以说Nas仃觚是为航空航天结构分析、汽车等行业的行业标准。由于有限单元法的下述优点使得有限单元法得到了飞速的发展，几乎成了计算力学的代名词：建立于严格理论基础上的可靠性因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上已经证明是相应微分方程和边界条件的等效积分形式，因此，只要原问题的数学模型是正确的，同时，用来求解有限元方程的算法是稳定可靠的，则随着单元数目的增加，或单元阶次的提高，有限元解的近似程度将不断地被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后将收敛于原数学模型的精确解。对于复杂几何构型的适应性由于单元在空间可以是一维、二维、或三维的，而且每一种单元可以有不
19、同的形状，同时各种单元之间可以采用不同的联结方式(如两个面之间可以是场函数保持连续、也可以同时要求场函数的导数也保持连续等)，因此，工程实际中遇到的非常复杂的结构够可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。适合计算机实现的高效性由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导出的求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，因此，特别适合于计算机编程和执行。对于各种物理问题的可应用性由于单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所应满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式，所以尽管有限元法开始是针对线弹性应力分析问题而提出的，便很快发展到(粘)弹塑性问题、
20、动力问题、屈曲问题等，并进一步应用于流体力学问题、热传导问题、海洋工程、电磁场、地质力学、生物力学以及多物理现象等领域；它几乎可以应用于求解所有的场问题。古人云，万事有一利必有一弊，有限单元法作为一种计算方法也不例外，由于计算机软件工程理论相对于硬件发展的滞后，尤其是软件设计方法以及计2武汉理工大学博士学位论文算机语言的滞后，造成了几乎现在流行的所有商业化有限元分析软件全部是由FORTRAN语言写成，也几乎全部是结构化设计。同时，在有限元法发展的早期，CAD技术严重滞后于以有限元法为核心的CAE技术的发展，其后果就是，作为有限元分析工作的三大块之中的两大块前处理(建立有限元分析模型)与后处理(
21、审查并分析计算结果)耗时甚巨，且极易出错；随着CAD技术的发展，有限元分析的前后处理软件也得到了相应的发展，从而将分析工程师从繁重的体力型的前后处理工作中解放出来，但却导致了另一个问题，那就是CAD与CAE的脱节，正是缘于此，有限元分析软件一方面受需求驱动和市场压力，不断推出新的功能，另一方面又背着沉重的历史负担而难以轻装前行。与此相对应，则是科学研究与工程实际对有限元分析软件的强劲需求。21世纪制造业面临更加激烈的市场竞争，要求制造商持续缩短产品开发周期并持续降低产品开发成本。因此，在整个产品生存周期内，尤其是在设计制造过程中，引入数字化技术势在必行，这一点在我国显得尤为迫切。下图显示了一个
22、典型的机电产品的设计制造流程：图11机电产品设计与制造过程Figl一1 Design&Manufactrue Flowchart of MecharficalElectrical Product在传统设计过程中，详细设计阶段的设计计算主要是凭借材料力学理论和武汉理工大学博士学位论文经验公式，而产品是否满足性能要求往往纯粹靠实验来验证，这样必然导致新产品开发周期长，成本高，极大地削弱了企业的市场竞争力。因此，在现代设计过程中，引入了包括有限元分析在内的各种数值模拟技术，应用于设计与制造的多个阶段，如概念设计阶段的拓扑优化设计、概念与详细设计阶段的设计计算、评价以及试制和运用中的Troublesh
23、ooting，以期缩短产品开发周期，降低产品开发成本。计算机技术的高速发展以及大量先进高效的数值算法的发明又使得数值模拟技术在现代设计以及现代制造中的应用成为可能。西方发达国家在上个世纪九十年代就已经基本上完成了从传统设计到现代设计的转型，而我国则大部分制造业企业仍停留在传统设计阶段。更为严重的是，国内目前应用的有限元分析软件基本上都是从国外引进的，如常规有限元分析用MSCNastran、一般非线性分析用HKSAbaqus、MSCMarc，全领域分析软件ANSYS，动力学分析软件LSDYNA，疲劳分析用Fatigue，多体动力学用MSCAdams等等，绝大部分专用软件也几乎被国外公司所垄断。尤
24、为恶劣的是，这些外国软件公司一旦进入中国，并占领了市场后，迅即抬高软件价格。无形中提高了国内制造业的产品开发成本，削弱了其市场竞争力。另一方面，以美国为首的西方发达国家实施对我国军工行业的采购限制。为此，国家为改变这种现状出台了一系列政策，如国务院办公厅2002年发布的振兴软件产业行动纲要指出：“国家科技经费向软件产业倾斜，重点支持面向产业化的基础性、战略性、前瞻性和重大关键共性软件技术研究的开发“。再者，从科学研究这个视角来看，由于商业软件无法完全满足科学研究创新的需要，首先，现有商业化有限元分析软件公司几乎全部都是上市公司，受到市场的压力和利益驱动，商业化软件提供的分析功能必然是大众化的，
25、而不是为了满足特殊的个性化的需求，即便是少数非上市公司如HKS公司也必然服从于利益驱动和来自上市公司的竞争压力而采取与上市公司类同的策略；其次，尽管商业化有限元分析软件也提供了一定的二次开发能力，但由于代码的非公开性和数据的非公开性而使得二次开发受得极大的限制，而科学研究的创新性特点由必然导致分析功能的特殊化和个性化。最后，项目组承担的国家973项目的专题的核心内容之一便是复合材料性能预测问题，也迫切需要一款可自由扩展的有限元分析程序。因此，无论是从提升国内制造业的自主创新能力，促进其由传统设计模式向现代设计模式的转变，以及维护国家安全的视角看，还是从科学研究的需求这个视角看，研发拥有自主知识
26、产权的有限元分析软件势在必行。4武汉理工大学博七学位论文12研究现状121有限元分析软件的现状现有有限元分析软件按商业化模式，可分为商业化软件、自行开发专有软件、自由软件等，按源代码是否公开可分为开源软件和非开源软件，按应用领域来分，可分为通用软件和专用软件；按软件规模来分，则有大型软件和中小型软件之别。尽管理论上来说，这些不同的分类可以存在交叉的情形，实际上，对有限元分析软件而言，商业化软件都是非开源软件，也都是大型软件，而自由软件(Free Software)则大多是开源软件(Open Source Software)，而且除了极少的例子，也多数是中小型软件。表11给出了目前市场上主流通用
27、有限元分析软件的清单，而表12则给出了目前市场上流行的专用有限元分析软件的清单，这里需要说明的是，这个清单里没有将行业专用软件列入其中，如发动机气道分析软件Geomagic等。表11常用主流商业化通用有限元分析软件Tablel一1Dominating Commercial FEM Software for Gemeral Purpose武汉理工大学博士学位论文表12常用主流商业化专用有限元分析软件Tablel2 Dominating Commercial FEM Software for Specific Purpose从以上两表不难看出，无论是通用有限元分析软件，还是专用有限元分析软件，几乎
28、是由美国公司垄断。国内在有限元分析软件的开发起步于上个世纪70年代，经过大专院校和科研院所众多学者的努力，开发出一批结构分析与优化设计等有限元分析软件，单就功能来说，其中的某些分析能力已接近国际先进水平甚至在某些方面领先于国际水平，如航空业的结构分析软件HAJIFp,4】，复合材料设计软件COMPASSE51，大连理工大学开发的DDJ61，但一个软件项目的成功与否，影响因素较多，功能上的先进性仅仅是其中的一个方面，还有诸如用户界面是否友好?商业化策略是否有效等等，应该说，早期国内开发的有限元分析软件在这两个方面与国外软件都有比较大的差距，尤其是市场化推广方面。另外一个不可忽略的因素就是，上个世
29、纪80年代后美国放松了对我国高端有限元分析软件的出口管制，以及90年代开始对我国的有限元分析软件的低价倾销，造成了国产有限元分析软件的退市。还有一个值得关注的现象就是，国外一大批软件工程师开发出了大量的有限元分析开源程序，规模大小不等，功能上也差异较大，据不完全统计，大约有上百种之多，不过，大量的有限元分析程序规模普遍较小，功能单一，且不再继续更新，下表给出了一个仍在更新且规模较大的分析程序清单。6武汉理工大学博士学位论文表1-3开源有限元分析程序【7】Table 1-3 Open Source FEM Codes在上表所列的10个分析程序中，warp以及codeaster已经可以列入大规模有
30、限元分析软件的行列，其代码均超过1 00万行，DealII和oofem程序规模较大，前者23万余行源码，而后者有约26万行源码，而且文档资料较为丰富。有限元网格剖分类库libmesh本身含有近22万行源码，如果计入非libmesh项目的相关源码，则达近41万行，同时，该类库也提供了丰富的文档资料。122有限元分析软件研究现状有限元分析软件的研究大致可以分软件系统的研究和方面技术的研究，前者主要是指有限元分析软件的架构以及框架的研究，而后者则是关于有限元分析各个方面的技术的研究，如新的单元模式、新的材料模式、新的更高效的算法、有限元超收敛性等等。由于原有结构化分析、设计技术随着软件规模的不断扩大
31、越来越显示出其局限性，同时更适应大规模软件开发、具有更好的可重用性、可维护性的面向7武汉理工大学博士学位论文对象技术的飞速发展，导致针对有限元分析软件系统的研究工作主要集中在面向对象技术在有限元分析软件开发中的应用上。而由于历史的原因，大量商业化有限元分析软件均为Fortran代码，因此，有限元分析具体技术的研究则一方面维持着其原有的结构化设计的研究方向，同时，也大量应用面向对象技术。考虑到本文的目的在于构筑一个全新的有限元分析软件的架构，因此，这里主要关心其面向对象技术的应用研究方面。国外学者的研究工作主要集中在以下几个方面：有限元分析软件的面向对象编程技术：如面向对象的有限元程序架构【10
32、J 81、多体系统的模拟【1 91、数据管理【20211、大型有限元分析程序的代码设计【22261、图形开发环境【27，29】、自适应有限元分析【30,32】、基于知识的有限元分析系统【331、有限元分析代码生成的专家系统【34舯】、数据挖掘【4143】、等等。网格剖分：复杂几何构形的网格剖分一直都是有限元分析软件的一个瓶颈，因此网格剖分的研究也一直研究热点。这方面的研究主要有有限元基本构件如结点、单元、材料、约束等的对象化【州6】；面向对象的2维以及3维有限元网格自动生成【4748】；自适应网格的自动生成【49，50】等。并行，分布式处理。主要包括面向对象的分布式处理有限元分析软件架构sl-
33、s6】，针对共享内存的分布式系统的数据类的构造【571等等。有限元分析软件工具箱。除前述开源有限元分析程序外，针对面向对象的有限元分析，大量学者开发出了一批用于有限元分析的面向对象的工具箱【5蹦31，如KASKADE，FEMSTER，FERSubDomain，SIFFEA，MEF,FrameView,MODIFY,osw,Deside-X，MUIApp，FEMLIB，ALAMODE，FEView。国内在面向对象有限元分析软件的研究起步于上个世纪90年代，比外国起步要晚，但随着面向对象技术的普及，也得到了极大的发展，从文献来看，研究现状与国外类似，大致也集中在以下几个方面：有限元分析软件的面向对
34、象技术64-751，可视化技术【76791，优化设训80嘲以及其它各个方面的应用【831051。研究工作主要集中在大连理工、重庆大学等高校。目前，面向对象的有限元分析软件的研究的特点是全面而不系统，这应该是与这个领域的特点有关。大型软件的研发往往都是花费上百人年，因此，通常只有软件公司才能承受这一巨大的负担，学术研究机构则更倾向于研究新技术，因此更多的是在点上的突破，而不是系统性的整体推进。而关于有限元分析软件的架构则研究甚少，部分作者虽然使用架构一词来表达其研究内容，实武汉理工大学博士学位论文则研究的是软件框架。13研究内容与研究方法131大型有限元分析软件的基本特征一个成功的大型有限元分析
35、软件应具备以下几个基本特征：第一、方便易用的用户界面。ANSYS在国内取得重大成功，除了价格因素、盗版软件的泛滥等，另外一个重要因素就是其用户界面友好，使用户更容易上手。与此相对照，国产软件之所以衰败，固然有很多因素，但没有好的用户界面无疑是关键因素之一。第二、功能完善的建模方法。第三、丰富的单元种类库和材料库。必须提供足够丰富的单元种类库以覆盖科学研究和工程实践中所常见的复杂的几何构型，提供丰富的材料库以刻画科学研究和工程实践中所常见的物理现象。第四、易学易用的二次开发手段。一方面，任何一个有限元分析软件都不可能提供足够的单元库和材料库来涵盖千差万别的用户所可能面对的物理现象，另一方面，也不
36、可能覆盖所有的求解策略，更不用说问题类型了，这对于科学研究用户更是如此，因此，提供便捷易用的统一的二次开发手段便显得极为重要。第五、具有数据挖掘、知识驱动的能力。知识驱动自动化能力可以帮助发现和重用设计生产过程中人和过程的知识问题。这里所说的知识包括：专业领域标准知识和企业特有的知识，而后者更是企业的核心竞争力之关键要素。132研究内容综上所述，面向对象的有限元程序设计方法正成为国外的一个研究热点，而且取得相当进展。但总体来看，此方面的研究还不成熟，一方面，已如前述，研究工作缺乏系统性，主要表现在大量的学者的研究主要追求学术上的创新性，而不是以构筑一个可以应用的大型有限元分析关键为目的：另一方
37、面，对于二次开发能力大多未予考虑。本论文针对科学研究与工程实践的需要，运用面向对象的设计方法较为系9武汉理1二大学博士学位论文统地研究了大型有限元分析软件的架构，提出了基于矩阵的可扩展多场、多尺度有限元分析软件的架构，作为示例，本论文给出了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。主要研究内容如下：11在第2章，就从事科学研究与工程实践两个方面的大型有限元分析软件的用户群做了一个抽样调查，并依据调查结果进行了初步分析；对多物理场问题的有限元格式做了一个简单回顾；在此基础上从分析了大型有限元分析软件的数据和算法；在此基础上给出了需求分析。2)在第3章，详细研究了一个目标程序oof
38、cm，结合oofcm项目的文档并通过逆向工程手段分析了该程序的基本架构，并与第二章给出的需求对照，分析这个架构的不足之处。3)在前两章的基础上，提出了本论文构建的大型有限元分析软件的架构。并实现了以矩阵类为核心的大型有限元分析软件的核心框架。4)在第5章，作为实例，本文给出了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。133研究方法1)本文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需求分析。2)本文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
39、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oofcra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。14预期结果、创新点与研究意义141预期结果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。lO武汉理工大学博士学位论文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核心框架；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。142创新点本文的创新点主要有以下几点：
40、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。1A3研究意义研发大型有限元分析软件的意义和必要性主要体现在下面几个方面：11制造业的需求首先，随着国家培育自主创新能力战略的推进，国内制造业正在面临着从传统设计到现代设计，从传统制造到现代制造的转型，因此，国内制造业对大型有限元分析软件有着大量的需求，而购买国外有限元分析软件费用巨大，国外厂商在打开市场抑制了国产软件的开发后往往就会大幅度提高价格；同时，中小型往往无力承担高价有限元分析软件所带来的成本增加。因此，自主研发大型有限元分析等核心软件，
41、不仅为国家节省大量经费，而且能平衡软件市场，大大抑制软件市场价格，打破国外软件的垄断单靠购买国外软件难以取得满意的应用效果。其次，就大型制造企业而言，其有限元分析工作则往往必须面对一些行业甚至是本企业的个性化需求，因此必然需要进行二次开发，甚至研发针对行业以及企业的专用软件，尽管现行商业化流行软件也提供一些二次开发功能，但往往不能满足用户的需求。2)学术界的需求科学研究的探索往往要面对一些个性化的前瞻性的需求，这些需求往往又是商业化软件所不能满足的。因此，研发大型有限元分析软件是一件有着紧迫的现实意义的工作，也可以为科学研究提供一个强有力的工具。显然，本文无力承担研发一个完整的大型有限元分析软
42、件的任务，为此，武汉理工大学博士学位论文本文的研究主要集中在大型有限元分析软件的软件架构(Software Architecture)设计，这种研究工作的意义主要体现在【106】：第一，软件架构对软件项目的成败起到了决定性的作用。软件架构为软件提供了可以保证概念完整性的相互协调的思想，决定了整个软件的众多模块的划分以及各模块之间的协调，因此，没有一个好的软件架构，就无法保证软件项目的成功实施；第二，软件架构决定了软件质量以及软件的关键属性，如，伸缩性、可扩展性以及可重用性等等。本文所论及的大型有限元分析软件与商业化有限元分析软件还有一个极大的不同点，这就是按照本文提出的设计思路，一方面兼顾通用
43、软件与专用软件的开发，即在开发大型有限元分析软件的同时，考虑到通过抽出其部分模块并通过扩充少量的专用模块而形成行业或企业专用软件；另一方面则通过软件的伸缩性而根据用户的具体情况而提供相应规模的分析软件，如针对中小型企业通过裁剪大型有限元分析软件中的部分模块提供中型规模的分析软件。还有一个关键的不同点在于，本文提出的大型有限元分析软件更强调学术界用户的需求，因此，要求具有更大的可扩展性，其软件架构也更加复杂。12武汉理工大学博士学位论文第2章需求分析按照软件工程的理论，系统分析的第一步就是确定软件需求，一般而言，确定需求有所谓的传统方法和现代方法之分【107】。考虑到本文提出的大型有限元分析软件
44、架构设计项目的特殊性：1)对于任何一个问题的整个有限元分析过程，都是由三部分组成：一、前处理建模；二、计算求解；三后处理分析结果，而本文所提出的大型有限元分析软件的架构设计采取的思路是以第二部分的分析计算为主，兼顾前后处理部分，而分析计算部分本质上仍然是流程式的；2)本文作者一方面是从事计算力学领域的教学与研究的科研工作者，同时又有着丰富的有限元分析软件开发经验以及汽车行业的有限元分析经验，更值得提及的是，本文作者拥有在有限元分析软件界处于领先地位的MSCSoftware公司从事软件开发的宝贵的经历。因此，本文仅仅采用传统方法进行需求分析本章主要分两部分，首先为了解用户对有限元分析软件的需求，
45、本文针对制造业界的用户采取问卷调查形式、而对科学研究用户则采取访谈的形式进行了抽样调查。其次，作为用例描述，本文简单回顾了多物理场问题以及多物理场耦合问题的有限元分析格式。21需求调查为了解用户对有限元分析软件的需求，本文针对以汽车行业为主的机械制造业界的用户采取问卷调查形式、而对科学研究用户则采取访谈的形式进行了抽样调查。211调查对象问卷调查的调查对象主要以机械制造业为主，包括从事相关管理工作的技术管理人员以及在一线从事有限元分析的工程师；而访谈对象则以大学内力学、机械、土木以及材料等学科的从事教学和研究的教师为主。武汉理工大学博士学位论文212有限元分析软件需求调查问卷设计根据有限元分析
46、技术的特点、现有主流商业化有限元分析软件的功能、与部分制造业从事有限元分析工作的工程师的交流以及本文作者的工作经验，从用户使用的目的、所使用的功能、使用中遇到的困难以及最关注的功能等共6个方面考虑，设计有限元分析软件需求调查问卷如下：l、贵单位产品研发过程中必须考虑哪些性能因素：刚度、强度要求产品减重以及结构优化安全性、可靠性(振动冲击耐久性)EMC(电磁兼容)标准噪声散热效果其他：2、贵单位常用的有限元分析软件是用于分析哪些内容?结构分析热分析流体分析电磁场分析其他：3、您在使用有限元分析软件时最大的问题是哪些?软件操作复杂，不易掌握CAD模型在分析环境中需要修补技术支持不足其他：4、选择有
47、限元分析软件您更看重其哪项功能?前后处理功能分析功能材料模型库单元库14武汉理工大学博士学位论文载荷以及约束处理行业专用模块其他：5、您认为影响有限元分析软件应用效果最重要的因素是：用户界面计算效率CAE知识积累与CAD软件的接口人才问题其他：6、您认为目前流行的有限元分析软件最大的缺点是?软件功能繁杂，不容易学习掌握与CAD软件的接口功能不能满足要求缺乏二次开发工具其他：213问卷调查结果及初步分析本次问卷调查共发出问卷120份，收回有效问卷102份，经统计，调查结果如下列图表所示。表21产品研发过程中必须考虑的性能因素：Table 21 Focus Performences in Prod
48、uct Development15武汉理工大学博士学位论文表2-2常用的物理场类型Table 2-2 Focus Physical Field Types in Product Development表2-4选择有限元分析软件最为关注的功能Table 2-1 Focus Functionalities of FEA Software16武汉理工大学博士学位论文表25影响有限元分析软件应用效果的主要因素Table 21 Focus Performences in Product Developmentl_lll_l_l_l-I_-l_l_l_l_序三一 堕旦 苤鎏垫 丝-_-_-_I-_-_-_
49、-_一。一用户界面计算效率CAE知识积累与CAD软件的接口人才问题其他：表2-6目前流行的有限元分析软件最大的缺点Table 26 Focus Functionalities of FEA Software序号 项目 关注数 1 软件功能繁杂，不容易学习掌握2 与CAD软件的接121功能不能满足要求3 缺乏二次开发工具4 其他：调查结果见下图所示。图中右侧图例所标注数字为相应的问题下所对应的选项序号。a)分析内容囝l2口3口4j图67b1分析场类型囹l2口3口qj武汉理工大学博士学位论文囹l2口3口4C)存在的主要问题d)用户关注的功能口l2口3口45囝6e)主要影响因素 f)现有软件缺点团l一2口3口4j囹67囹12口3口4图21问卷调查结果Fig 21 Results of Questionna
