空间弹性体有限单元计算的面向对象方法研究

摘要

有限元方法是求解数理方程的一种数值计算方法.是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具.它在经典的力学理论基础上,以计算机为工具,通过有限元软件来具体实现其应用.有限元软件的应用领域非常广泛,为了满足它多方面的功能和性能的要求,必须采用一种合适的软件开发方法来研制大量的高质量的有限元软件.有限元自身的模块性特点又使得有限元软件非常适合采用面向对象的程序设计方法来开发.与传统的有限元程序(通常采用Fortran)相比,面向对象有限元程序更加结构化、更易于编写、更易于维护与扩充、程序代码的可重用成分更大,它为开发大型有限元分析软件提供了一条新的途径.该文在静态线性有限元系统中引入了面向对象的程序设计方法,介绍了面向对象方法的基本概念及特征,并通过有限元的面向对象分析和设计,确定了一套基本的有限元对象类及有限元的面向对象模型,该文设计的所有类均采用C++编程语言进行了实现,最终形成了一套FEM类库,它们以动态连接库的形式存在.C++语言作为C语言的扩展,既具有灵活高效的特点,又具有面向对象的特征,因而被广泛用于软件设计.动态连接库是适应Windows多任务应用程序的出现而产生的一种代码和数据共享技术.动态连接库加载后,多个应用程序可以共享它在内存中的一份拷贝,从而减小了可执行文件的大小并提高了代码的共享程度.在设计面向对象有限元程序中运用了基于ANSI/ISO C++标准模板库(STL)的技术,以向量模板类的特化继承对象为变容量数据容器,实现了可按计算实例的离散结点数量动态存取数据的机制和数据容器的零容量启动,从而避免了运算时系统对静态内存空间的超量占用.

目录

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第一章绪论

1.1引言

1.2面向对象有限元程序设计方法的国内外研究现状

1.3本文的研究工作

第二章有限元法及面向对象程序设计方法中的重要概念

2.1有限元法及其发展简史

2.1.1有限元法程序的内容

2.1.2建立有限元列式的变分格式和加权残数格式

2.1.3有限元软件技术

2.2面向对象的程序设计方法概述

2.2.1引言

2.2.2面向对象的程序设计方法的基本思想

2.2.3面向对象程序设计方法的基本概念和主要特征

2.2.4软件开发模式

2.2.5面向对象的程序设计的基本过程

2.2.6面向对象程序编程和开发工具

第三章有限元的面向对象分析与设计

3.1面向对象分析与设计概述

3.2面向对象分析和设计的步骤与原则

3.2.1面向对象的分析与设计步骤

3.2.2面向对象的分析与设计原则

3.3面向对象分析

3.3.1静态行为分析

3.3.2动态行为分析

3.4面向对象设计

3.5有限元面向对象分析

3.6有限元面向对象设计

第四章有限元面向对象的实现

4.1引言

4.2编程语言的选择

4.2.1程序设计语言的设计原则

4.2.2 C++语言介绍

4.2.3 OOPFE编程语言的选择

4.3编程环境的选择

4.3.1 Borland C++Builder开发环境

4.3.2 Visual C++开发环境

4.4标准模板库(Standard Template Libray)

4.4.1简介

4.4.2基于STL的有限元程序设计

4.5类的实现

4.5.1结点类的实现

4.5.2材料类的实现

4.5.3结构类的实现

4.5.4单元类的实现

4.5.5矩阵类的实现

4.5.6杆单元类的实现

4.5.7梁单元类的实现

4.5.8平面单元类的实现

4.5.9常应变三角形单元类的实现

4.5.10四节点单元类的实现

4.5.11高斯勒让德积分点类

4.5.12稀疏矩阵类和总刚度矩阵

第五章面向对象有限元程序的测试维护与扩充

5.1面向对象有限元程序的测试

5.1.1矩阵类

5.1.2悬臂梁计算

5.1.3简支梁计算

5.2面向对象有限元程序的维护

5.3面向对象有限元程序的扩充

第六章结论及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附录(部分类定义代码)