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有限元第章有限元法程序设计
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第９章　有限元法程序设计
9．1 引言
在用有限元法进展构造分析时,将会遇到大量的数值计算，因而在实用上是一定要借助于计算机和有限元程序,才能完成这些复杂而繁重的数值计算工作。事实上，有限元程序的设计是有限元研究的一个很重要的局部。它是理论和方法的载体，是理论用于实际必不可少的桥梁，是有限元学术研究与实际应用水平的代表。有好的、高深的理论和算法并不等于有好的程序,还必须有实际的程序开发经历的多年积累、丰富的计算机知识、大量的资金和人力的投入，多年的开发修正与改良才能编制出好的程序来。一些著名的有限元程序开发的开展历史也表达出了这一规律。
设计一个用于构造分析的有限元法程序,要求设计者至少应该掌握以下知识：
(１〕掌握一种程序开发工具,如VC〔Vｉsuａｌ　C++)，CB(Ｃ++Buｉldｅｌ)，Delphi，ＶB(Ｖisual Ｂasic)或ＶＦ(Vｉsｕaｌ Ｆorｔraｎ〕等。在本书中所有程序均用VC写出。
(2〕数值方法，如线性和非线性代数方程的求解，矩阵特征值的求解以及数值积分等。
(３)构造分析的根本理论,特别是用有限元法对构造进展分析的原理、方法和步骤。
由于一般的软件工程师不懂构造分析原理，因此，构造分析程序的开发任务主要应由构造工程师来承当。掌握构造分析程序设计方法，是以计算机辅助设计为主要标志的现代工程设计方法对构造工程师的要求。作为构造工程师,应该具有对构造分析程序的使用、阅读、修改和编制的根底知识和技术素质。
有限元程序的总体组成可分为三个局部:前处理局部，有限元分析本体局部以及后处理局部。有限元分析本体局部是有限元分析程序的核心。它根据离散模型的数据文件进展有限元分析,有限元分析的原理和采用的数值方法集中于此。因此，这一局部程序是有限元分析是否准确可靠的关键局部。
有限元分析所使用的离散模型的数据文件主要包括：模型的节点数、节点坐标与节点编码,单元数据与单元编码；材料和载荷信息等。实际工程问题的离散模型数据文件十分庞大。一般情况下,用人工方法来生成工作量太大,并且容易出错，有时甚至是不可能的。为解决这一问题，有限元
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程序必须有前处理程序。前处理程序根据使用者提供的对计算模型外形及网格要求的简单数据描述,能自动地或半自动地生成离散模型的数据文件,并能绘制构造计算简图和网格图,供用户检查修改。前处理程序的功能在很大程度上决定了有限元程序使用的方便性。
有限元分析程序的计算结果是由离散模型而得到的,输出的数据量往往很大，不易整理，也不易获得分析对象的全貌。所以,一个使用方便的有限元分析程序还应具有较强的后处理功能。能够按照用户的需要提供给力分级图、等值线图,构造变形图或振型图等图形显示功能,以及按照一定的要求对计算成果进展列表显示或打印。因此，这局部程序设计的好坏，对整个有限元程序使用起来是否方便，具有举足轻重的作用。
程序设计工作经历了纯技巧阶段,已经形成了一门被称为软件工程的学科。对于程序的质量评价也逐渐形成了一套客观标准。一个质量较高的程序应该具有较好的可管理性和较高的运行可靠性。可管理性要求程序的可读性好，易于调试、修改和开展，使用方便且效率高等。可靠性要求程序能正确无误地完成规定的功能，当出现不正常情况时,能中止无价值的运行并输出有关的信息。
程序开发的过程大致可分为下述三个阶段:(１)程序功能的规定;〔2〕程序构造的设计,源程序及其说明的编写;〔3)调试和纠错。
目前在实际的程序开发中,流行着两种截然不同的方法,即面向过程的方法和面向对象的方法。大量的资料说明，在开发大型应用软件时，面向对象的方法与传统的过程化程序设计方法相比，显示出很大的优越性。