船舶面向对象有限元的应用研究

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表:2007-06-29 人气:2

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提要：本文在论述了船舶结构有限元软件研究现状的基础上，综述了面向对象有限元方法的特征以及在船舶结构有限元分析软件研究中的应用。最后简要阐述了在VC6.0 环境
下基于MFC 类库应用面向对象方法如何编制船舶结构有限元程序Marifep。
关键词：面向对象有限元船舶结构

0 引言

在工程界有限元法是应用最为广泛的数值分析方法之一。这个方法在本世纪中叶首次应用以来，得到了充分的发展和应用。特别是近十余年来个人计算机的普及使得计算机硬件的费用大大降低；同时，计算机的运算速度也日益提高越来越多的有限元程序可以在个人计算机上解决各种复杂的工程问题。在船舶工程中有限元方法的应用也有很大的发展，大量的有限元软件应用于船舶结构强度稳定性以及振动等方面的分析研究。

传统的船舶有限元分析程序大多采用面向过程的编程方法来设计，编程语言也采用面向过程的计算机语言，如FORTRAN、C等。这类编程语言在有限元应用中着重考虑的是对数学公式
的翻译，所设计的软件系统的可重用性和可移植性都比较差。面向过程的有限元程序往往只有少数专业人员才能读懂和使用，要想重新利用该程序有时会导致程序的全盘改动。对于上万行甚至几十万行的程序，某个很小的改动都有可能造成整个系统的崩溃。另外，在具体应用中若采用新的有限元算法、新型结构元件以及新材料等，必须使原有程序适应当前的数据、函数和物理模型，即要求修改或补充已有的程序，从而增加了程序的复杂性，大大降低了程序的效率，并极大地增加了有限元分析程序维护的难度。

20 世纪80 年代后期兴起了新的面向对象编程技术。面向对象程序设计方法是计算机程序开发方法的一种变革，是利用计算机解决问题的一种新的思维方式，它使程序设计更加贴近现实。随着面向对象程序设计方法的兴起，在科学计算领域内有限元程序的设计开发也迎来了新的发展契机。由于面向对象的程序设计方法正好弥补了传统方法的不足，用面向对象的方法来研究有限元，把面向对象方法和有限元方法相结合，从而产生了面向对象的有限元方法[1]。

因此，针对船舶有限元分析程序本身的复杂性和易错性，以及在程序设计方法上的不足，结合面向对象技术提供的新的、先进的设计方法，采用面向对象技术原理进行船舶有限元分析程序的开发就成为船舶有限元分析程序发展的趋势。在开发船舶结构有限元分析前后处理系统(Marifep)中，我们采用了面向对象技术方法，感觉面向对象技术特别适合于有限元分析软件的开发编制。

1 面向对象有限元方法的特征

面向对象方法的核心思想是将一切客观实体都看成对象。面向对象方法将待解决的问题进行实体分解，实体的选择不是基于计算机本身的能力，而是因为实际中它们确实存在，并具有某些物理或概念性界限。实体在计算机程序中表示为对象，其目的在于实际问题中的实体与程序中的对象具有一一对应的关系。用面向对象的语言进行程序编制意味着将实体对象抽象建立为新的数据类型（称为类Class），以及使这些数据类型能够通过建立仅与类相关的方法（函数）来处理信息，将数据结构和其操作封装在类对象中，达到类对象中数据结构与其操作过程彼此不分离，从而提高了程序的易重用性、易维护性、易扩展性。用户建立类对象的变量，并将信息传送给类对象，实现利用计算机解决实际问题的目的。

有限元方法在按层次分类和聚合方面与面向对象方法有许多相似之处，由于具有了面向对象方法的特点，有限元方法同样具有可重用性和可扩展性，通过运用相同的基类单元，可组合成多种不同类型和不同规模的结构体。面向对象结构有限元分析程序有着更高层次的抽象和分类，因此它的可重用性和可扩展性内容更为广泛和深入，为扩展计算分析功能和增加单元模型带来了方便。

总之面向对象的有限元方法具有如下优点：

1 对象与类概念明确，易于组织程序体系结构；
2 程序模块具有强内聚度和低耦合度，易于维护和修改；

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