自主开发有限元计算软件SIPESC介绍
几款常用有限元软件的比较
[转载]几款常用有限元软件的比较经常有朋友问到常用几款有限元软件的优劣问题，笔者也很关注，也用过一些常用软件，下面首先转发网上一些朋友对于常用有限元软件的评价，最后表明自己的观点。
下面是网上一些朋友的评价。
-----------------------------------------------------------------------------------------------目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。
以下为对这些常用的软件进行的比较和评价：LSTC公司的LS-DYNA系列软件。
LSDYNA长于冲击、接触等非线性动力分析。
LS-DYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。
虽然该软件声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题，但实际上它在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其欧拉混合单元中目前最多只能容许三种物质，边界处理很粗糙，在拉格朗日——欧拉结合方面不如DYTRAN灵活。
MSC.software公司的DYTRAN软件在同类软件中，DYTRAN在高度非线性、流固耦合方面有独特之处。
MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES;INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法发展而来的。
但是，由于MSC.DYTRAN是一个混合物，在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，也继承了其不足。
首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法上远不如当前版的LS-DYNA3D全面。
6通用集成优化软件SiPESC_OPT的设计与实现_杨春峰
http ：//www．chinacae．cn第20卷第4期2011年12月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol．20No．4Dec．2011文章编号：1006－0871（2011）04-0042-07通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现杨春峰，陈飙松，张盛，李云鹏，张洪武（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室运载工程与力学学部工程力学系，辽宁大连116024）摘要：为实现针对复杂工程设计的具有通用设计目标和开放性的优化软件的自主研发，设计并实现面向通用优化计算需求的SiPESC．OPT 软件．讨论优化软件开发在优化算法、试验设计和替代模型等方面的需求；设计具有应用层、中间层和核心层的SiPESC．OPT 软件架构；根据该软件架构将SiPESC．OPT 的功能模块划分为优化任务设计模块、试验设计与近似模型模块、求解器模块、后处理模块和子系统集成模块等．引入优化模型状态类以解耦优化模型类与优化算法类之间密切的依赖关系．风力发电机叶片优化算例和水轮机模型替代算例表明，SiPESC．OPT 具有操作简单、功能全面和可扩展性强等特点，可用于复杂优化问题的求解．关键词：优化软件；SiPESC．OPT ；优化方法；可扩展性中图分类号：TB115文献标志码：B收稿日期：2011-03-18修回日期：2011-04-30基金项目：国家自然科学基金（90715037，11072050，10872041，91015003，51021140004）；国家基础性发展规划项目（2010CB832704）；国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2009AA044501）作者简介：杨春峰（1972—），男，山东邹城人，博士研究生，研究方向为计算力学软件系统研发，（E-mail ）yangchunfeng@mail．dlut．edu．cn ；陈飙松（1972—），男，广东佛山人，教授，博导，博士，研究方向为计算力学软件系统研发，（E-mail ）bschen@dlut．edu．cn Design and implementation of general integrated optimization design software SiPESC．OPTYANG Chunfeng ，CHEN Biaosong ，ZHANG Sheng ，LI Yunpeng ，ZHANG Hongwu（Department of Engineering Mechanics ，Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics ，State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，Liaoning ，China ）Abstract ：To research and develop an optimization software with general purpose and openness for complex engineering design independently ，SiPESC．OPT is designed and implemented ，which can meet the general optimization computation requirements．The requirements about optimization software development ，such as optimization algorithms ，experiment design ，and surrogate model ，are discussed ；the software architecture of SiPESC．OPT is constructed with three layers ：application layer ，middle layer and core layer ；according to the architecture ，SiPESC．OPT contains optimization task design module ，experiment design and approximation surrogate module ，solver module ，post-process module ，sub-system integration module ，and so on．By introducing optimization model state class ，the close dependent relationship between optimization model class and optimization algorithm class is decoupled．Wind turbine blade optimization example and hydraulic turbine surrogate model example demonstrate the capability ofSiPESC．OPT for solving complex optimization problems and its characteristics，including simple-operation，full-feature and high-extensibility．Key words：optimization software；SiPESC．OPT；optimization method；extensibility0引言最优化方法在自然科学、社会科学、国防、经济、金融、工程设计和现代化管理等许多领域有着广泛应用．［1］近几十年来，最优化方法在优化算法、优化问题和应用领域等方面发展迅速．优化算法由以梯度为基础的传统优化算法发展到智能优化算法，如遗传算法、模拟退火算法、人工神经网络算法、蚁群算法以及禁忌搜索算法等，并且在优化算法的基础上发展到优化策略的研究．软件是对客观世界中问题空间与求解空间的具体描述，是客观事物的一种反映，是知识的提炼和固化．［2］优化软件是最优化方法与优化设计实践之间的桥梁，是最优化方法在计算机中的具体实现．国际上已经出现很多专业优化软件以及包含优化功能的软件包，如iSight和DOT等；ANSYS与MSC Nastran等专业分析软件中也包含优化功能模块．针对日益复杂的工程设计问题，仍然需要研发具有通用设计目标、开放性的优化软件．［3］1优化软件系统的需求分析最优化方法是在一定的求解域内，在满足某些约束条件下寻找指定目标的最优解．优化软件是最优化方法与计算机科学结合的产物．优化软件的最终目的就是解决工程实践中的优化问题：首先将实际的工程问题抽象成包含一组数学解析表达式的优化模型，根据其特点选择合适的优化算法；然后优化计算，查看结果，如果对优化结果不满意，则调整优化模型进行新一轮计算，直至得到满意的结果．然而，工程实践中遇到的问题大部分是多学科、非线性、多准则、不可微的复杂系统优化问题，有时无法抽象出显式的数学解析表达式，这时需借助试验设计等方法培养出替代模型，进而生成优化模型，再对其进行优化求解．1．1优化模型一般的最优化问题是在满足约束条件gi（x）≤0，i=1，2，…，mh i （x）=0，i=m+1，…，{p求向量x，使函数f（x）取极小值（或极大值）．其中，f（x）为目标函数，gi （x）≤0为不等式约束条件，hi（x）为等式约束条件．x=（x1，x2，…，xn）T为设计变量或决策变量，是n维实欧拉空间内的一点，称满足约束条件的点为可行点，称所有可行点的集合为可行域．f（x），g i（x）（i=1，2，…，m）和h i（x）（i=m+1，…，p）为给定n元函数［4］．最优化问题一般写成min f（x）s．t．g（x）≤0，i=1，2，…，mh（x）=0，i=m+1，…，{p优化模型是从工程实践中抽象出的最优化问题，是从可行域到其目标函数值域的映射．对于复杂的实际工程问题，目标函数、约束的数量大，没有解析表达式且具有高度非线性、不连续和不可微等特性，不仅求解困难，计算量大，而且建立优化模型的难度也很大，最优化问题的一般形式难以涵盖全部特征信息．这要求优化软件应能提供完备的建模能力：不仅要有基本的函数定义功能，而且要提供方程求解、第三方软件启动、数据处理以及文本文件解析等功能．1．2优化算法优化算法是在优化模型的可行域内寻找使优化模型满足最优条件的可行点．针对不同类型的优化问题，人们提出多种优化算法，如对于线性规划问题，最常用的方法是单纯形法和对偶单纯形法；对于单目标、无约束的优化问题，BFGS法行之有效；对于单目标、有约束的优化问题，序列线性规划法和序列二次规划法比较流行．近年来又出现模拟生物进化、退火等自然机理的遗传算法．每种优化算法都有其优点及其应用范围的局限性，到目前为止，还没有一种对非线性优化问题普遍适用的有效算法．对于实际工程问题，需要将多种优化算法对比、组合使用，才能得到满意的结果．优化软件的主要任务之一是为用户提供丰富的优化算法，使用户有充分的选择余地，通过对比不同的算法，选择最合适的．近年来，最优化方法发展迅速，新的优化算法不断出现，优化软件应具有开放的、可扩展的软件架构和软件组件接口以及具有动态、无缝添加新优化算法的能力，从而丰富软件的算法库．1．3试验设计和替代模型在工程实践中遇到的问题大多属于复杂系统的34第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT的设计与实现http：//www．chinacae．cn优化问题，有时无法抽象出显式的数学解析表达式，需借助试验设计等方法培养出替代模型，进而生成优化模型，然后进行优化求解．替代模型指在不降低精度的情况下构造的一个计算量小、计算周期短但计算结果与数值分析或物理试验结果相近的数学模型．构造替代模型一般需要3个步骤．（1）通过试验设计方法在设计空间中确定构造模型所用的样本点．（2）利用分析软件或试验方法确定各样本点处的响应值．（3）根据样本点数据选择一种近似方法，构造合适的代理模型，并取设计空间内的一些点对模型进行检验，以便调整某些参数．构造替代模型的逼近精度很大程度上取决于试验点在设计空间中的位置分布，因此试验点的选择应当遵循一定的准则，以便只取较少的点就能达到较高的精度，这就是试验设计（Design of Experiment）所研究的内容．常用的试验设计方法有正交试验设计、均匀试验设计、析因试验设计和中心复合试验设计等．2SiPESC．OPT系统设计SiPESC．OPT是由大连理工大学与中国空间技术研究院自主研发的开放的通用优化问题求解软件，用于求解单目标或多目标、连续设计变量或离散设计变量、线性或非线性的大规模复杂优化问题．［5］SiPESC．OPT包含试验设计、近似模型模拟、灵敏度分析、子系统集成和文本文件解析等多种先进功能模块；BFGS，SLP，SQP和GA等多种成熟优化算法；提供均匀试验设计、正交试验设计、中心复合试验设计和析因试验设计等试验设计方法；响应面法、多二次径向基函数、高斯径向基函数和逆多二次径向基函数等近似模型拟合方法．SiPESC．OPT具有良好的可扩展性，基于开放式的软件架构，可将其优化算法等功能模块动态添加到软件中，使用户可以按照实际问题的特性定制自己的优化算法．同时，SiPESC．OPT也是一款简单易用的优化问题求解器，支持MD Nastran，ANSYS和Abaqus等多款主流分析软件．SiPESC．OPT具有友好的图形用户界面和灵活的脚本语言界面：通过图形用户界面，用户可方便、快捷地构建优化模型，制定优化任务，设计试验方案，生成近似模型，运行脚本语言文件和查看计算结果，完成复杂结构的设计优化流程；通过脚本语言界面，用户可将结构分析、优化计算、子系统集成和计算结果提取等功能灵活组合，实现复杂结构的设计分析、优化计算工作流程自动运行，同时能在集成优化软件系统运行时修改工作流程，不但提高计算效率，而且可减少人工操作出错的可能性．2．1软件架构SiPESC．OPT优化软件的软件架构分为应用层、中间层和核心层等3层．如图1所示，应用层提供优化建模的工具和界面，用户利用该层进行系统建模；中间层以JavaScript为软件的脚本语言界面，使用脚本语言的变量、函数、逻辑及扩展功能等模块定义复杂的优化模型和优化任务；核心层实现脚本语言解析、优化模型计算及任务管理等扩展功能模块．图1软件架构Fig．1Software architecture3SiPESC．OPT系统实现3．1SiPESC．OPT软件结构软件系统结构见图2，软件系统的主程序是Optimization．exe，根据文件config．xml中的内容配置软件系统参数，如系统图形界面参数和版本号等．projects．xml中保存用户设计的优化模型以及与优化模型相对应的优化算法．软件系统将优化项目转换为project．js脚本文件输入到优化器solver．exe，优化器根据脚本文件中的语言命令调用优化算法库（如Dot．dll）完成优化迭代计算，并将迭代过程的中间结果保存到优化数据库OptimizationDB中．主程序调用OptimizationDB中存放的迭代过程数据，根据需要转换为图表形式供用户查看．在系统运行过程中，主程序将用户的重要操作、系统的重要活动以及警告、出错信息记录到日志文件log．txt中．44计算机辅助工程2011年http：//www．chinacae．cnhttp ：//www．chinacae．cn图2软件系统结构Fig．2Software structure3．1SiPESC．OPT 软件功能模块根据软件架构设计，将软件系统划分为优化任务设计、试验设计与近似模型、求解器、后处理和子系统集成等5个主要功能模块，见图3．图3功能模块Fig．3Functional modules优化任务设计模块提供程序的主窗口以及定义优化任务的图形界面，分为优化任务配置、优化模型数据和解析器、软件系统图形界面、数据模型管理、脚本语言预处理和寄存器等6个子功能模块．（1）优化任务配置模块提供配置优化任务的图形界面并将优化任务数据通过数据模型管理模块保存到优化模型数据和解析器模块中．（2）优化模型数据和解析器模块的主要功能是将优化任务保存为XML 格式的文本文件以及解析XML 格式的文本文件，从中提取优化任务并转换为软件系统内部的数据格式，供软件系统其他功能模块使用．（3）软件系统图形界面模块主要实现软件系统用户界面的框架．（4）数据模型管理模块管理软件系统的优化任务数据．（5）脚本语言预处理模块是在优化任务转换成脚本语言文件前，将优化任务转换成相应的脚本语言格式．（6）寄存器模块保存软件系统运行时所需的全局变量．后处理模块实现数据管理的可视化功能，对优化迭代计算过程中的数据用曲线的方式进行描述，包括曲线的多种定义方式（颜色、实线、虚线和点划线等），并提供数据的格式化输出功能（自定义文本格式和Excel 表格）．后处理模块主要用图表的形式展示优化迭代历史．子系统集成模块是操作数值模型分析软件（如ANSYS ）的输入输出文件，定义设计变量、模型参数及响应和指标（包括约束条件或目标函数）的函数关系，完成模型修改、分析与分析结果的提取．对难以给出显式函数的复杂模型，提供基于多项式响应面法的复杂系统替代模型（近似方法）计算方法：使用与设计方案相对应的数值模型分析结果或试验结果构造模型的替代模型，供用户使用．求解器模块解析执行脚本语言文件，并将优化迭代结果保存到数据库中，供后处理模块使用．求解器模块主要解析JavaScript 脚本文件，并执行脚本文件中的命令．3．2SiPESC．OPT 软件技术根据优化软件系统需求分析，可从最优化方法中提取出2个基本概念：优化模型和优化算法．优化模型的实质是从其可行域到其目标函数值域的映射，构造优化模型的主要方式是定义其设计变量的类型和上下限，目标函数的解析表达式，约束的解析表达式以及相关梯度的解析表达式．优化算法的主要功能是根据优化模型的设计变量、目标函数和约束函数的当前值等信息，寻找新的迭代点以更新优化模型，完成迭代计算流程．可以把一个优化模型和一个优化算法组合成一个优化任务．使用面向对象方法将优化模型集合、优化算法集合和优化任务集合分别抽象成优化模型类（Model ）、优化算法类（Algorithm ）和优化任务（OptProject ）类，进而以这几个类为核心数据结构构建集成优化软件系统，见图4．一个优化模型类包括一个优化模型名，一个或多个目标函数，多个约束函数（无约束优化模型则不包含约束函数）以及一个或多个设计变量．一个优化算法类包括一个优化算法名，一个或多个优化算法参数．优化任务类通过优化模型名与优化模型相联系，通过优化算法名与优化算法相联系．54第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现http ：//www．chinacae．cn图4核心数据结构Fig．4Core data structures最优化方法发展至今，优化模型概念的内涵和外延已经很稳定，因此可以设计一个接口比较完备的优化模型类；但不同优化算法的差别较大，而接口变化不大．使用面向对象方法的继承机制，可构造一个抽象优化算法类，具体的优化算法可由抽象算法类派生而来．然而，继承机制将抽象类接口与派生类接口强制关联，派生类的接口难以重用、扩展和修改抽象类接口，新优化算法类也难以通过继承抽象优化算法类进行扩展，限制软件的可扩展性．在寻找新迭代点过程中，优化算法需提取优化模型的设计变量值、优化目标值和约束值等，有的算法会需要优化模型在当前迭代点的梯度值．目前，难以预测新优化算法对优化模型提出的新要求．优化模型与优化算法之间紧密联系，使二者之间存在紧密依赖关系，新优化算法类（New Algorithm ）的扩展和修改会引起优化模型类的修改，这种紧密联系限制软件的可扩展性．解除这种依赖关系是保证集成优化软件系统可扩展性的关键．在优化计算中，单就一个具体的优化算法而言，在迭代寻优过程中所需的输入信息不是目标函数的解析表达式和约束的解析表达式，而是优化模型的设计变量值、目标函数值和约束值等信息，即优化模型状态．它的输出也是优化模型状态．使用面向对象方法抽象出一个优化模型状态类（ModelState ），其主要功能就是维护一个管理标志符与数值的简单映射表．优化模型状态类的功能简单、接口单一，其扩展性较强．优化模型状态类切断优化模型类与优化算法类之间的紧密依赖关系．图5为集成优化软件系统核心类图，可知优化算法类、优化模型状态类和优化模型类之间的关系，优化算法类依赖于优化模型状态类，不再与优化模型类有联系，因此优化算法可不使用继承机制，而是自由扩展．图5核心类Fig．5Core classes3．3SiPESC．OPT 用户图形界面软件的图形用户界面包括菜单栏、工具栏、优化任务栏、运行结果栏、状态栏和优化任务浏览器等．优化任务栏使用树状图显示优化任务文件中优化任务的主要内容；运行结果栏显示优化任务的运行结果以及运行过程中的状态信息等；状态栏显示当前软件的状态信息；优化任务浏览器显示优化任务的详细内容．点击系统初始界面左上角的新建图标进入优化任务配置界面，用户可分别设置任务名称、优化模型名称和算法名称，并选择算法类型．试验设计和替代模型窗口用于设计试验方案并生成替代模型，用户通过此窗口可进行选择试验方法、设定设计变量水平值、选择替代模型方案以及读入试验数据等操作．3．4系统使用样例三杆桁架优化问题是结构优化设计中的经典样例，三杆桁架尺寸见图6．优化目标是使所有杆件的体积最小．设计变量x 1和x 2分别为杆1（与杆3相同）和2的截面积，约束条件是在载荷P 1作用下，杆1和2的拉伸应力小于许用应力2MPa．优化结果为：x 1=0．7867mm 2，x 2=0．41375mm 2．优化流程见图7．图6三杆桁架Fig．6Three-bar truss64计算机辅助工程2011年http ：//www．chinacae．cn（a ）配置优化任务（b ）浏览优化任务（c ）优化（d ）查看优化结果图7三杆桁架优化流程Fig．7Three-bar truss optimization solution flow4工程优化算例4．1风力发电机叶片优化算例大型风力发电机叶片基本采用蒙皮和主梁的构造形式，本文研究的风力发电机叶片主梁为12层玻璃钢复合材料，有限元模型见图8，主梁从叶片根部图8风力发电机叶片有限元模型Fig．8Finite element model of wind turbine blade到叶端分为2段，铺层纤维分布角度均为［0/0/0/0/45/45/－45/－45/0/0/0/0］T．叶片蒙皮铺层数为12层玻璃钢复合材料，如图8所示，从叶片根部到叶端共分为5段，铺层角度分布为［ʃ45/0/0/0/90/0/90/0/0/ʃ45］T．如果将主梁和蒙皮均分为上、下两侧，为减少计算时间，可假设上、下两侧层合板中纤维角度和铺层厚度相同，各铺层厚度的上、下限均为0 0．2mm．基于SiPESC．OPT 优化软件，编写用于风力发电机优化分析的JavaScript 脚本语言文件．风力发电机优化流程为：首先创建发电机叶片优化模型；使用SiPESC．OPT 文本文件解析模块更新输入文件中的设计变量值，调用计算程序（如Abaqus ）计算叶片有限元模型；解析计算结果文件，提取叶片端部挠度值和叶片质量，统计叶片有限元模型中破坏单元数量，计算优化目标；SiPESC．OPT 的遗传优化算法模块根据设计变量值和目标函数值判断是否达到优化终止条件，如果满足条件，则优化结束，如果不是，则寻找新的设计点，更新输入文件，进行下一个优化迭代步．具体脚本语言代码如下：//创建风力发电机叶片优化模型var theModel =new OptModel ；．．．//设置风力发电机叶片优化模型的设计变量theModel．setVariable （"cl_1_0"，0．09）；theModel．setVariable （"cl_1_0"，Array （0．01，0．02，0．03，0．04，0．05，0．06，0．07，0．08，0．09，0．10，0．11，0．12，0．13，0．14，0．15，0．16，0．17，0．18，0．19，0．20））；．．．//设置优化算法参数DGA．setMINMAX （－1）；DGA．setGENERATION （100）；DGA．setPOPULATIONSIZE （30）；DGA．setMUTATIONPROBABILITY （0．1）；DGA．setCROSSOVERPROBABILITY （0．8）；var Solver =DGA ；//初始化优化算法对象Solver．initialize （theModel ）；//开始优化迭代计算do ｛eval （）；ModelSaver．save （theModel ）；Solver．renewModel （theModel ）；｝while （！Solver．isComplete （））使用DELL T5500型工作站，双CPU ，8核，6GB 内存，1．5TB 硬盘，使用8进程并行计算，经过1005次迭代，优化方案比初始方案的叶片质量减少7kg ，叶片端部挠度降低29mm ，达到减轻叶片质量、提高叶片刚度的优化目标．4．2水轮机替代模型算例水轮机的水力和运行参数直接影响水轮机组的运行安全和经济效益．水轮机的力矩和流量等特性是一个多输入、多输出的非线性系统，目前难以用数学解析表达式进行完整描述．在水电站设计中，水轮机选型以及确定其基本参数和运行条件时，都需要分析水轮机性能．水轮机特性资料大多以特性曲线形式给出，目前国内外普遍采用出厂模型试验，然后依据相似性理论确定原型水轮机的水力性能并计算出水轮机特性．但是，这种方法得到的水轮机特性误差较大．对水轮机做现场能量特性试验，可得到在有限个试验水头条件下水轮机的输出功率和流量等参数，并绘制出特性曲线．水轮机特性曲线传统的绘制方法是根据获得的试验数据手工绘制，使用传统方74第4期杨春峰，等：通用集成优化软件SiPESC．OPT 的设计与实现法手工绘制误差大、效率低；根据水轮机试验的实测数据，利用计算机技术建立水轮机能量特性的近似模型，可大大提高处理效率和精度．基于径向基函数，使用SiPESC．OPT软件，根据水轮机现场能量试验数据［6］，建立水轮机综合特性的近似模型．多种近似模型的平均误差见表1．表1多种近似模型平均误差Tab．1Surrogate models’mean errors多种模型万家寨水电站3号机组能量特性万家寨水电站2号机组振动特性3阶响应面近似模型1．43034．600多二次径向基函数近似模型0．0375．70E－3高斯径向基函数近似模型5．78E－51．25E－4逆二次径向基函数近似模型3．02E－48．27E－6水轮机特性的径向基函数近似模型能真实表达水轮机的特性，计算简便且可以得到近似模型的解析表达式，为进一步利用优化算法优化水轮机的水力参数和运行参数，提高水轮机组的安全性能和经济效益提供良好基础．5结束语（1）具有通用性和开放性的优化软件可广泛应用于复杂的实际问题．（2）通用优化软件SiPESC．OPT具有操作简单、功能全面、可扩展性强等特点，可用于复杂优化问题的求解．（本文获计算机辅助工程及其理论研讨会2011（CAETS2011）优秀论文奖．）参考文献：［1］袁亚湘．最优化理论与方法［M］．北京：科学出版社，1997：1-2．［2］杨芙清．软件工程技术发展思索［J］．软件学报，2005，16（1）：1-7．YANG Fuqing．Thinking on the development of software engineering technology［J］．J Software，2005，16（1）：1-7．［3］MAROS I，KHALIQ M H．Advances in design and implementation of optimization software［J］．Eur J Operational Res，2002，140（2）：322-337．［4］唐焕文．实用最优化方法［M］．大连：大连理工大学出版社，2000：8-9．［5］张洪武，陈飙松，李云鹏，等．面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展［J］．计算机辅助工程，2011，20（2）：39-49．ZHANG Hongwu，CHEN Biaosong，LI Yunpeng，et al．Advancement of design and implementation of SiPESC for development of integrated CAE software systems［J］．Comput Aided Eng，2011，20（2）：39-49．［6］张文玉．基于运行数据的水轮机建模及应用［D］．邯郸：河北工程大学，2008．（编辑陈锋杰檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿）中国商飞引进COMSOL Multiphysics助力我国航空工业CAE发展2011年11月30日，中仿科技公司与中国商用飞机有限责任公司（以下简称中国商飞）达成工程仿真解决方案合作项目协议：中仿科技公司为中国商飞提供包括COMSOL Multiphysics在内的多物理场耦合分析解决方案，加速中国商飞在飞机计算结构力学、气动计算、闪电模拟、雷击仿真、空气动力学、材料力学和电磁学等航空工程应用领域的发展．随着国内航空业的发展，自主研制的飞机将越来越多，对CAE软件的需求也将会越来越旺盛，中国商飞与中仿科技公司的本次合作加深COMSOL Multiphysics在中国航空领域的应用．近年来，随着用户对多物理场耦合分析需求的增强，COMSOL Multiphysics在各个行业内的应用越来越广泛．84计算机辅助工程2011年http：//www．chinacae．cn。
工程与科学计算软件集成系统SiPESC
研发团队与联系方式： SiPESC 研发团队以大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系力学一级国家重 点学科长期以来在计算力学领域所取得的丰硕成果为基础，钟万勰院士、程耿东院士等 是团队研发顾问，目前的主要成员有张洪武、陈飙松、李云鹏、张盛等。 联系人：陈飙松、张盛 电话/传真：0411-84706574/84458797 Email：chenbs@, zhangs@ 通信地址：辽宁 大连 大连理工大学工程力学系，邮编：116024
流程图提供了一种较为直观的执行方式。打开平台后，首先在“安装路径/bin/filter” 中打开 fems.sipgraph，如图 1.2。
图 1.2
−3−
开放式结构有限元子系统（FEMS）操作手册
其中，
为有限元分析外部程序 fems.exe。默认设置在 C:/SiPESC_Platform/bin”
本软件平台提供两种方式进行有限元结构分析： • 控制台
– 通过命令行输出参数执行； – 打开方式：开始菜单 →SiPESC 集成平台 → 命令行，按提示输入命令。 • 项目管理 – 提供更人性化的操作方式； – 后期将补充该操作手册。 • 流程图 (不推荐) – 提供较为直观的操作方式，后台仍为命令行执行； – 打开方式：打开平台后，文件 → 打开，打开“安装目录/bin/filter/fems.sipgraph”
自主开发有限元计算软件SIPESC介绍
系统功能
平台资源管理 (子系统及模块的协同工作)
工作空间、项目、文件、路径、界面、任务、动作、配置信息等管理
脚本语言支持 (灵活的功能定制及数值算法设计)
平台插件的脚本语言封装、各级别扩展功能的脚本语言驱动
跨平台及64位版本
Windows类(xp、Windows7)、Linux及64位操作系统
1.5E+05 1.0
SiPESC软件平台-集成应用
集成4：地震响应集成化分析
1
ELEMENTS NOV 8 2010 13:53:01
Ansys – SiPESC集成分析
Y Z X
高层建筑地震响应分析嵌套流程
动力响应SX最大值曲线
SiPESC软件平台-集成应用
集成5:控制系统设计与仿真、可视化
结构重量迭代历史
theModel.setVariable( "C" , 3.68574 ) ; theModel.setVariableLowerLimit( " C" , 0.001 ) ;
# define parameters d = 9.53 t = 0.4……
var Solver = GA ;
SiPESC软件平台-集成应用
SiPESC平台脚本语言-Python
108行拓扑优化脚本
优化计算与实时显示脚本
SiPESC软件平台-集成应用
SiPESC平台脚本语言
C语言调用
插件封装
脚本语言调用
Lapack算法封装实例：方程组求解 Ax=b
SiPESC.OPT集成优化计算系统 设计目标：
通用性
Ansys-SiPESC.FEMS-JIFEX/后处理
solidworks有限元分析使用方法
solidworks有限元分析使用方法solidworks有限元分析应用于机械、汽车、家电、电子产品、家具、建筑、医学骨科等产品设计及研发。
其作用是：确保产品设计的安全合理性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本; 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费; 是产品设计研发的核心技术。
看板网根据超过十年的项目经验和培训经验，提醒各位朋友，有限元分析，不同于绘图。
以下是看板网总结的solidworks有限元分析使用方法，希望对大家有用。
一、软件形式：（一）solidworks的内置形式：SimulationXpress——只有对一些具有简单载荷和支撑类型的零件的静态分析。
（二）SolidWorks的插件形式：SimulationWorksDesigner——对零件或装配体的静态分析。
SimulationWorksProfessional——对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析。
SimulationWorksAdvancedProfessional——在SimulationWorksProfessional的所有功能上增加了非线性和高级动力学分析。
（三）单独发行形式：Simulation DesignSTAR——功能与SimulationWorks Advanced Professional相同。
二、使用FEA的一般步骤：FEA=Finite Element Analysis——是一种工程数值分析工具，但不是唯一的数值分析工具！其它的数值分析工具还有：有限差分法、边界元法、有限体积法等等。
（一）建立数学模型有时，需要修改CAD几何模型以满足网格划分的需要，（即从CAD几何体→FEA几何体），共有下列三法：1、特征消隐：指合并和消除在分析中认为不重要的几何特征，如外圆角、圆边、标志等。
2、理想化：理想化是更具有积极意义的工作，如将一个薄壁模型用一个平面来代理（注：如果选中了“使用中面的壳网格”做为“网格类型”，SimulationWorks 会自动地创建曲面几何体）。
“天河一号”工业设计仿真云平台中间件研究
“天河一号”工业设计仿真云平台中间件研究邓子云;章兢;刘杨兵;肖久如【摘要】在“天河一号”超级计算机上搭建了工业设计仿真云平台，研发了该平台的核心部件———工业设计仿真云平台中间件，该中间件软件集成了多款大型CAE 软件、SLURM 作业调度软件、License 管理软件、计算资源管理功能软件。
提出了工业设计仿真云平台的总体架构，以及工业设计仿真云平台中间件的设计思想、体系架构，解决了作业状态转换、作业提交等关键技术问题。
使用工业设计仿真云平台对火星着陆气囊的碰撞分析进行了仿真实验，结果表明利用工业设计仿真云平台中间件软件可以简便地使用“天河一号”超级计算机的计算资源。
%A cloud middleware was developed as a core component of the cloud platform for indus-trial design and simulation which was built on the “Tianhe No.1”super computer.The middleware in-tegrated a large number of CAE software,including SLURM job scheduling software,License manage-ment software,and computing resource management function,etc.The whole framework of the cloud platform for industrial design and simulation,and the architecture of the middleware software were de-signed.Key technical problems including operational state transition,job submission etc,were investi-gated and solved,the cloud platform and the middleware software were developed for applications on the statics analysis of the shield machine.An experiment for the collision analysis of the Mars landing airbag was carried out on the cloud platform by using the middleware.The results show that,it is con-venient to use“Tianhe No.1”super computing resources by way of the middleware in the cloud plat-form for industrial design and simulation.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】8页(P766-772,798)【关键词】“天河一号”超级计算机;工业设计仿真云中间件;体系架构;设计思想;关键技术;仿真实验【作者】邓子云;章兢;刘杨兵;肖久如【作者单位】湖南大学，长沙，410082; 国家超级计算长沙中心，长沙，410082;湖南大学，长沙，410082; 国家超级计算长沙中心，长沙，410082;湖南大学，长沙，410082; 国家超级计算长沙中心，长沙，410082;湖南大学，长沙，410082【正文语种】中文【中图分类】TP311.52工业设计领域主要使用CAD、CAE软件来进行模拟仿真,以缩短产品研发周期,提升产品质量。
《有限元软件应用》课件
化学反应器
燃料电池
水处理厂
通过有限元分析，确定反应器的 结构和尺寸，以及承受高温和高 压的能力。
通过有限元分析，优化燃料电池 的设计，提高其输出能力和稳定 性。
通过有限元分析，考虑反应槽的 加热和冷却、搅拌和流动等因素， 优化水处理设施的设计和运行。
有限元分析在化学工程领域，有助于提高化学反应器、燃料电池和水处理设施等设施的安全性和效率性。
Abaqus
用于研究结构和复杂系统的完整响应。
LS-Dyna
用于分析动态和非线性问题。
有限元软件的选择要基于具体问题的需求和程序特点进行综合考虑。
有限元模型的建立方法
绘图模型
三维建模
三维扫描
以手绘图或CAD软件绘制模型， 再转为有限元模型。
直接利用三维建模软件建立模型， 再导入有限元软件进行分析。
模拟火箭的发射过程，评估架子 的承载能力和稳定性。
模拟卫星在发射、运输、维护过 程中的各种受力情况，评估其结 构的安全性和可靠性。
有限元分析在航空航天领域的结构设计、可靠性评估等方面有着重要应用。
有限元分析在电子电气中的应用举例
手机
变电器
电路板
模拟手机的载荷、震动和温度等 情况，评估手机的结构和性能。
后处理结果的分析方法
位移和应力云图
通过生成图示来显示结构的位移和应力分布。
变形和应力云图
通过对比不同加载情况下的结构变形和应力输出云图。
位移、应变和应力的量化结果
包括最大值、最小值、平均值和范围等。 有限元分析结果的后处理需要根据具体需要进行分析和展示，包括图表输出等多种形式。
有限元分析在机械制造中的应用举例
通过有限元分析，评估管道在不
基于SiPESC平台用户材料子程序的UMAT实现
基于SiPESC平台用户材料子程序的UMAT实现周英杰;陆旭泽;张盛;陈玉震;陈飙松【摘要】针对复杂环境和加载条件下的材料本构模型,参照Abaqus所提供的用户材料子程序UMAT接口,实现基于SiPESC平台弹塑性分析功能的UMAT本构模型插件封装及调用.采用C++面向对象程序设计方法编制inp文件读取功能插件,实现Abaqus计算模型向SiPESC平台数据库的导入.将不同UMAT单独编译成动态库,同时利用工厂设计模式,实现不同材料本构模型的动态替换和调用.该设计模式可方便添加本构模型,具有一定的通用性、开放性和可扩展性.数值算例的验证表明基于SiPESC平台的UMAT的有效性.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2016(025)003【总页数】8页(P5-12)【关键词】UMAT;SiPESC;本构模型;动态链接库;工厂模式【作者】周英杰;陆旭泽;张盛;陈玉震;陈飙松【作者单位】大连理工大学工程力学系,辽宁大连 116023;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116023【正文语种】中文【中图分类】TB115随着计算机和数值仿真方法的快速发展，有限元软件的功能和计算效率也得到快速发展.目前主流的通用有限元商业软件有ANSYS，Abaqus和MSC等.很多有限元软件都提供二次开发接口，以帮助用户实现针对特定问题的求解.随着对复杂环境和加载条件下材料性能研究的深入，通用有限元软件中已存在的材料模型已经无法满足研究者对问题的求解需要.针对这一问题，Abaqus提供用户材料子程序UMAT，帮助用户定义特定的材料本构模型和算法.因此，开发一些特定本构或计算问题的UMAT子程序成为实现数值模拟的途径之一.杨曼娟[1]采用基于Rankine准则的Mohr-Coulomb模型UMAT，改进原模型的解决对材料抗拉强度过高估计的问题.韩丁等[2]通过实验提出土工格栅本构模型，利用UMAT模拟长期蠕变变形趋势.唐菁菁[3]开发织物细观本构模型的UMAT，模拟不同载荷下织物的非线性变形.贾善坡等[4]考虑最大拉应力修正Mohr-Coulomb本构模型，采用向后欧拉隐式积分编写UMAT，模拟单轴拉伸试验和三轴压缩试验.上述工作主要基于Abaqus平台开发UMAT.由于Abaqus对UMAT格式要求比较严格，其提供的接口也有一定限制，例如运行状态信息只能在限定的通道内输出，多个用户自定义材料只能定义在一个UMAT中.本文主要基于开放式有限元平台SiPESC集成UMAT，实现更加通用的接口和灵活的材料子程序调用.SiPESC软件平台的特点是开放性和可扩展性，不仅可以让用户使用和配置平台系统，还可以在平台的基础上开发新的功能模块.[5]利用UMAT相对于Abaqus主程序的独立性，可将UMAT集成于SiPESC系统.SiPESC系统集成UMAT有如下优势：(1)动态集成已有UMAT程序，在不增加工作量的前提下，大大丰富SiPESC平台的材料库；(2)熟悉UMAT编程的用户，无须再学习SiPESC平台的插件编程即可参与平台材料本构的开发工作；(3)与Abaqus相比，SiPESC平台的动态性和开放性使其可以更加灵活地运用UMAT进行分析，实现多种材料、多个UMAT库的同时集成.将UMAT编译成动态库，利用inp导入插件将模型文件导入SiPESC数据库中，通过UMAT封装插件实现子程序动态库函数利用传入的应力增量更新应力增量、状态变量和雅可比矩阵，供平台有限元求解.1.1 Abaqus及其UMATAbaqus可以解决从相对简单的线性分析到复杂的非线性模拟等各种问题.[6]Abaqus的丰富材料库和单元库可以模拟绝大多数的形状和大多数工程材料.对于某些材料本构模型，研究者对其进行修正，例如周凤玺等[7]提出广义Drucker-Prager强度准则，该模型在数值分析中有相对较好的收敛性，而Abaqus的现有材料库无法实现.为满足类似上述情况的需求，Abaqus不仅提供标准的有限元计算程序，其还提供UMAT接口.Abaqus允许用户通过UMAT来扩展主程序的功能.在Abaqus6.13.4中，Standard共支持57个UMAT接口，Explicit共支持23个UMAT.除UMAT之外，Abaqus 6.13.4还提供22个实用程序，通过在UMAT中调用这些应用程序，可以实现诸如获取模型的参数、求应力和应变的不变量等功能.通过UMAT，可以定义任何材料模型，任意数量的材料常数均可被程序读取，而且对任意数量的与解相关的状态变量的每一个计数点，Abaqus都提供存储功能，供子程序使用.UMAT一般使用FORTRAN语言编写，也支持C和C++语言.在一个算例中，用户可以采用多个UMAT，但必须编写在一个for文件中，可扩展性和灵活性受很大限制.ANSYS等其他商用软件也提供用户材料自定义接口，但是特定软件对UMAT的格式有特定的限定.关云飞等[8]基于ANSYS开发修正剑桥模型.ANSYS提供用户自定义材料本构的接口USERMAT，该接口的输入和输出数据与Abaqus的UMAT类似，输入量为开始时的总应力、总应变、等效塑性应变和应变增量等基本信息，输出量为载荷步结束时高斯积分点的总应力和等效塑性应变的刚度矩阵等.但是，ANSYS自定义材料程序中的参数和变量名必须与标准的ANSYS程序源代码一致，因此理论上讲经过修改过后的UMAT可用于ANSYS的用户材料定义. UMAT的作用是更新应力和刚度矩阵，与通用CAE软件中材料模型的作用相同.本文所做的工作是将这部分功能通过子程序的方式集成到SiPESC平台上，可独立于平台开发，并利用工厂模式实现对子程序的动态调用，降低CAE软件开发的耦合度.1.2 SiPESC平台SiPESC是由大连理工大学运载工程学部/工业装备结构分析国家重点实验室研究开发的软件系统，是面向大规模工程计算、采用开放式软件构架构建的通用软件平台. SiPESC基于“平台(微核心)+插件”的设计模式，所有功能均由插件实现，具有可扩展，可维护，可重用以及动态加载和卸载灵活等优点.其软件体系见图1.2.1 inp文件及其格式Abaqus整个分析流程主要分为3部分：前处理、有限元计算和后处理.前处理与有限元计算之间利用inp文件连接.inp文件中包含数值计算所需要的全部数据. inp由模型数据和历史数据组成，文件数据结构见图2.几何数据和材料定义是必要模型数据，其他数据根据有限元分析的需求添加，为可选数据模型，其中包括：部件和组合、初始条件、边界条件、运动约束、相互作用、振幅定义、输出控制、环境特性和UMAT等.历史数据用于定义分析类型、载荷以及输出要求等.2.2 inp导入插件设计和实现inp文件通过关键字定义数据，必要的模型数据关键字已完成导入，可选数据模型应根据用户需求创建，因此导入插件的设计必须是动态的、可扩展的.插件首先需要实现对必要数据的导入，搭建起整体框架，在此基础上可根据用户需求扩展特定功能.读取文件的流程见图3.整个流程中最重要的是流程总控DataImport，文件读取EntryReader和关键字段处理EntryHandler这3部分.DataImport控制整个流程，包括创建EntryReader，文件初始化，数据库文件定义及后处理.EntryReader主要实现对文件的读取，根据文件格式实现关键字读取、换行操作和获取有效信息等.EntryHandler对有效信息进行处理并保存.每个EntryHandler只处理特定关键字信息，通过关键字利用工厂模式[9-10]实现动态创建，方便后期添加新关键字，即无须对已有代码进行修改，只需实现相应的工厂和EntryHandler即可.在读取到该关键字时，程序自动判断是否已存在该关键字的处理Entryhandler，若已经存在，则利用工厂模式创建，体现灵活性和可扩展性.通过inp文件导入插件的InpDataImport类，InpEntryReader类和EntryHandler基类.InpDataImport类主要接口有2个，见图4.initialize用于初始化； import用于传入文件名，开始导入流程.InpEntryReader主要接口有6个，见图5.initialize用于初始化inp文本文件，初始化成功将返回True；readEntry用于判断是否为关键字行，若是则提取关键字；isEntry返回布尔值用以判断该行数据是否为有效行；getKeyword返回QString类型关键字； getText获取整行QString数据；readNextLine用于移动读取位置至下一有效行.InpEntryHandler基类主要接口有4个，见图6.initialize用于初始化和转入数据；returnReader返回InpEntryReader；handleEntry是有效行处理接口；Reader中带有有效行数据信息；logStream保存数据导入日志.对于Abaqus中一些特定的数据格式，可增加参数以传递信息.例如在材料数据处理中，需要增加密度信息作为参数.利用以上文件读取模式可以实现大多数文件的处理，例如ANSYS的cdb文件，Patran的bdf文件等.cdb和bdf等文件的格式与inp文件有所不同，在换行控制、关键字读取、有效信息处理以及后处理方面需要根据不同文件进行相应修改.3.1 UMAT子程序的通用格式作为Abaqus用户子程序，UMAT具有通用的书写格式，并通过固定的接口与Abaqus主程序进行数据传递以及变量共享，其常用的变量通常在文件开头进行定义，具体格式如下.1 RPL,DDSDDT,DRPLDE,DRPLDT,2 STRAN,DSTRAN,TIME,DTIME,TEMP,DTEMP,PREDEF,DPRED,CMNAME,3 NDI,NSHR,NTENS,NSTATV,PROPS,NPROPS,COORDS,DROT,PNEWDT,4 CELENT,DFGRD0,DFGRD1,NOEL,NPT,LAYER,KSPT,KSTEP,KINC) INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'CHARACTER*80 CMNAMEDIMENSION STRESS(NTENS),STATEV(NSTATV),1 DDSDDE(NTENS,NTENS),DDSDDT(NTENS),DRPLDE(NTENS),2 STRAN(NTENS),DSTRAN(NTENS),TIME(2),PREDEF(1),DPRED(1),3 PROPS(NPROPS),COORDS(3),DROT(3,3),DFGRD0(3,3),DFGRD1(3,3)user coding to define DDSDDE, STRESS, STATEV, SSE, SPD, SCDand, if necessary, RPL, DDSDDT, DRPLDE, DRPLDT, PNEWDTRETURNEND对于一般的静力弹塑性问题，常用的变量有STRESS，STATEV，DDSDDE，STRAN，DSTRAN，CNAME，NDI，NSHR，NTENS，NSTATV，PROPS和NPROPS等.这些变量又可以分为3类：需要定义的变量、可以更新的变量和信息传递变量.UMAT中的主要变量说明如下.DDSDDE：雅可比矩阵(∂σ/∂ε)，也称一致切线模量.一般是对称矩阵，除非在“*USER MATERIAL”语句中加入“UNSYMM”参数.STRESS：应力张量数组，为柯西应力.STRAN：应变张量数组，其中剪应变按工程剪应变存储.DSTRAN：应变增量张量数组.PROPS：材料常数数组，用于描述材料的行为.STATEV：与解相关的状态变量数组，用于存储等效塑性应变、背应力等. STRESS，STATEV和DDSDDE均属于需要定义的变量，必须在每次调用UMAT子程序时更新.3.2 UMAT封装插件的设计在SiPESC平台的程序结构中，不同的材料需要不同的材料解析器实现，对于UMAT也是如此，其解析器的作用主要为：(1)实现与UMAT代码编译生成的动态链接库[11]的链接；(2)实现SiPESC平台与UMAT之间的数据解析与互传；(3)返回更新后的状态变量和切线刚度阵.由于UMAT的接口固定，Parser中的大多数代码是可以复用的，不会额外增加过多的工作量.为实现UMAT的封装，需要实现相应的材料解析器以及用于创建该解析器的工厂.这样，可以在分析时根据材料名称找到相应的材料解析器工厂，进而创建出该材料的解析器.采用这种工厂设计模式，可以更灵活地处理多种UMAT材料的问题.对于这样的问题，Abaqus提供的策略是将多个UMAT子函数写在一个UMAT文件中，通过不同材料名称调用.这种方式可扩展性较差，对于新的本构模型需要重新修改UMAT代码，比较繁琐.在SiPESC平台中，采用工厂模式将不同的UMAT用工厂管理器进行管理与创建，可解决原有的弊端，新的材料本构只需注册就能使用，见图7.3.3 UMAT封装插件的实现SiPESC平台需要通过实现UMAT材料解析器MSolid3DIsoUMATParser来封装UMAT，实现相应的功能，其类图见图8.材料解析器主要需要实现5个方法，其相应的接口功能如下：initialize用于初始化材料解析器；getProgressMonitor 用于获取程序运行状态监视器；setState将用户自定义材料的属性以及上一步迭代结束时的历史状态赋给解析器；getState获取通过调用UMAT更新的当前迭代步的状态变量；getTangentD获取通过调用UMAT更新的当前迭代步的切线刚度阵.由于调用一次UMAT即可同时获得当前迭代步的状态变量和切线刚度矩阵，为避免重复调用造成的错误，可以将调用UMAT的步骤放在setState方法的实现中，并将更新后的各种数据存储在工程数据库中，再由getState和getTangentD取出.通过材料解析器调用UMAT程序，实际是通过Linux中动态加载库的API调用已经编译为动态链接库的UMAT程序接口.需要用到的API及其功能如下.材料解析器加载UMAT接口的代码如下.材料解析器将由setState方法传入的材料属性和状态变量(SiPESC工程数据格式)转化成相应的指针形式并通过pfunc函数传递给UMAT；经过计算之后，UMAT 将更新后的结果以相同的数据格式传回，此时需要材料解析器将指针格式的数据转化为工程数据格式并存储.通过材料解析器与UMAT动态链接库的数据互传，实现UMAT的封装.为验证UMAT集成SiPESC平台，以及inp文件导入插件的正确性，对比Abaqus和SiPESC平台计算的正确性，考虑到UMAT的特殊性，对比项加入Abaqus自身的弹塑性分析.带有空腔的块体模型见图9.在底部施加全约束，在顶部空腔对应上表面施加面力载荷.该模型结构简单，可验证程序的正确性.利用Abaqus塑性分析，Abaqus UMAT分析和SiPESC UMAT分析得到的y方向的位移结果见图10，三者整体趋势一致，结果一致.y方向最大位移见表1.由此可知：利用SiPESC集成UMAT结果和Abaqus UMAT或者Abaqus 塑性分析结果一致，证明程序正确.考虑更复杂的应用算例，如齿轮模型，见图11.该模型采用8节点六面体单元(C3D8)，共有28 856个节点，22 603个单元.材料刚度为2.0×106，泊松比为0.3，von Mises等效应力与塑性应变的关系见表2.简化模拟齿轮受力状态，齿轮内圈约束全部自由度，齿面加载面载荷，见图12.计算结果见图13和14.利用UMAT计算的等效塑性应变是通过依赖于解的状态变量(Solution-Depended Variable，SDV)存储的.从以上齿轮算例的位移和塑性应变可知，SiPESC平台集成UMAT计算与Abaqus集成UMAT计算结果一致.算例结果表明SiPESC平台集成UMAT是正确和有效的.本文提出的基于SiPESC 平台集成UMAT方法，相对于Abaqus更加灵活，特别是对于多用户材料算例，新的UMAT的加入无须改动已存在的UMAT，因此可以节省开发成本.目前，平台已实现通用有限元弹塑性分析计算功能，下一步的工作主要是扩展用户材料子程序库，以满足不同计算的需求.HAN D, ZHAN B G, MA T. Development and verification of the creep constitutive model for the geogrid by UMAT[J]. Industrial Construction, 2012, 42(S1): 398-400.JIA S P, CHEN W Z, YANG J P, et al. An elastoplastic constitutive model based on modified Mohr-Coulomb criterion and its numerical implementation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(7): 2051-2058. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.07.007.ZHANG H W, CHEN B S, LI Y P, et al. Advancement of design and implementation of SiPESC for development of integrated CAE softwaresystems[J]. Computer Aided Engineering, 2011, 20(2): 39-49. DOI:10.3969/j.issn.1006-0871.2011.02.009.ZHOU F X, LI S R. Generalized Drucker-Prager strength criterion[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(3): 747-751. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2008.03.032.GUAN Y F, GAO F, ZHAO W B, et al. Secondary development of modified Cambridge model in ANSYS software[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(3): 976-980. DOI: 10.3969/j.issn.1000-7598.2010.03.053.CHEN Y Z, ZHANG S, CHEN B S, et al. Algorithm framework for time-history analysis based on open finite element system SiPESC. FEMS[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2014, 31(2): 217-222. DOI:10.7511/jslx201402013.ZHANG S, YANG D S, YIN J, et al Design pattern of element computation module of SiPESC.FEMS [J]. Computer Aided Engineering, 2011, 20(3): 49-54.XIONG H Q. Research and application of DLL in Linux[J]. Science Mosaic, 2006(4): 76-77.。
simetrix_simplis仿真软件入门简介
2010-08-18 22:232010-08-18 22:301旅长不过本人也是只懂皮毛，就发个贴做一些简单的介绍。
希望有高手能来补充。
2旅长对非线性器件采用分段线性建模，将一个完整的系统定义为线性电路拓扑的循环序列，以描述开关电源系统中半导体器件的开关特性。
因此可以取得很高的速度，同样硬件配置下，其仿真速度比3旅长放大字体 缩小字体 默认4旅长5旅长6旅长34连长我都不会画地的符号，每次出来都是系统默认的那种，原副边地不能一样的哈。
这个怎么办？回复35旅长在仿真软件里面，原副边的地，可以一样的。
37连长谢谢，我又看了一下原理图发现原副边是用的一个地。
7旅长8旅长然后会出现下面对话框。
9旅长12营长 13旅长 吃完中饭回来慢慢看14旅长 多谢17旅长 请版主继续讲解怎么建库，我现在想做变压器，不知如何下手回复10旅长 要是能搞到完整版的软件就好了。
11营长不错的帖啊，顶一下15旅长 顶！16旅长18旅长19工兵 学习回复20工兵 真的不错，浅显易懂，希望继续深入，我跟着老师学习了。
谢谢！21营长 不错，学习一下22旅长 23旅长24旅长25工兵 不知可否上传你上面仿真的这个例子的文件，谢谢26旅长 Intersil_iSimPE_ISL6741回复27营长 老师上传的这个是安装文件吗？还是例题呢？28旅长 是例题，安装文件看最前面几贴。
29营长 太好了，呵呵……30班长 只会用，没太搞懂。
31班长 电脑慢，回覆重了32旅长会出现如下对话33旅长36连长不知道斑竹是否有postmenow01@38旅长 这个我也没有呢39连长 非常感谢回复40工兵 我一直在为41旅长 个人感觉42排长 报到先回复43帖 旅长44工兵学习了，谢谢回复。
有限元软件介绍13资料讲解
MSC/PATRAN
MSC/PATRAN是一个最著名的前后 处理系统，它诞生于1980年, 是在美国国 家宇航局(NASA)的资助下，随着计算机 及其交互技术的发展, 而产生的新一代计 算机辅助工程分析前后处理系统, 它率先 把工程分析人员从繁重的数据准备工作中 摆脱出来, 并提供漂亮的计算结果仿真。 目前,己广泛应用于航空航天, 汽车, 造船, 海洋石油开采和国防等各工业技术领域。
现在的有限元分析系统不但能分析
固体力学问题，而且也能分析其他方面 的问题，例：电磁场分析，机械系统的 动力分析(刚体动力学分析)，流体动力 分析，声学分析，空气弹性分析等。
3.后处理
求解得到的结果可以用后处理模块进
行结果的显示或数据的输出。结果显示一 般包括用图形显示五种结果：
a. 应力、应变、位移和温度等物理量 的等值线图或彩色云图；
ABAQUS
• ABAQUS 是由Hibbitt, Karlsson, Sorensen三人合作开发的有限元分 析系统，因此，公司的名字就称为 HKS公司，在1978年推出。
ANSYS
• ANSYS是美国Swanson Analysis System Inc.(SASI)研究和开发的有限 元分析系统。该公司是John Swanson 于1970年创立的。
有限元系统之间的接口
此外有的有限元系统可读入其他 的有限元系统的数据文件来进行前处 理，求解和后处理。例NASTRAN可 以读入ANSYS和ABAQUS的输入文 件进行前处理，然后求解和后处理。
有限元基本理论及软件介绍
276.7
276.7
点编号
9
10
11
12
13
14
15
16
17
X
102.5
102.5
237.5
237.5
135
243.85
243.85
229.2
162.5
Z
263
248.7
273.8
264.1
248.7
273.8
254.8
254.8
264.1
ANSYS练习—实体
由NordriDesign提供
ANSYS/ Multiphysics
ANSYS/LS-DYNAä
ANSYS/Mechanicalä
ANSYS/Thermalä
ANSYS简单应用
ANSYS/Emagä
ANSYS/ FLOTRANä
演讲人姓名
有限元分析实例
A380飞机有限元模型
有限元分析实例
重型燃气轮机转子模型
问题描述
求解在均布载荷作用下正方形截面梁的变形，已知条件如下：
梁截面边长0.1mAC=BC=10mq= 4000 N/mE = 2.1×1011 pa泊松比= 0.3
q=4000N/m
扩展：焊接、铰接的实现
ANSYS分析实例—梁
问题描述
求解在两侧均布载荷作用下长方形平板的变形，已知条件如下：薄板厚度0.01mp= 05MPaE =69GPa泊松比= 0.3
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工程有限元软件介绍
工程有限元软件介绍目录一、简介------------------------------------------------------3二、有限元软件介绍——ANSYS----------------------------------31.ANSYS软件基本功能介绍-----------------------------------32. ANSYS软件分析过程--------------------------------------43.ANSYS软件单元类型---------------------------------------43.1线单元-----------------------------------------------43.2管单元-----------------------------------------------53.3实体单元---------------------------------------------53.4壳单元-----------------------------------------------73.5接触单元---------------------------------------------83.6特殊单元---------------------------------------------84.ANSYS软件优缺点-----------------------------------------95.ANSYS软件应用领域---------------------------------------9三、有限元软件介绍————ABAQUS------------------------------91.ABAQUS软件基本功能介绍----------------------------------92.ABAQUS软件分析过程-------------------------------------103.ABAQUS软件单元类型-------------------------------------103.1 线性完全积分单元------------------------------------113.2 二次完全积分单元------------------------------------113.3 线性减缩积分单元------------------------------------113.4 二次减缩积分单元------------------------------------123.5 非协调模式单元（imcompatible modes）----------------123.6 使用Tri 或Tet 单元要注意---------------------------123.7 杂交单元--------------------------------------------123.8混合使用不同类型的单元-------------------------------134.ABAQUS优缺点-------------------------------------------135.ABAQUS应用领域-----------------------------------------13四、有限元软件介绍----LS-DYNA--------------------------------131.LS-DYNA基本功能介绍-------------------------------------132.LS-DYNA分析过程-----------------------------------------143.LS-DYNA单元类型-----------------------------------------143.1概述-- ---------------------------------------------14 3.2单元库----------------------------------------------144.LS-DYNA优缺点-------------------------------------------175.LS-DYNA应用领域-----------------------------------------17一、简介有限元分析（FEA）是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。
第6章--Simulation有限元分析精选全文
可编辑修改精选全文完整版目录第六章 Simulation有限元分析 (2)6.1 Simulation基础知识 (2)6.1.1 有限元法概述 (2)6.1.2 Simulation概述 (2)6.1.3 Simulation使用指导 (4)6.1.4 Simulation有限元分析的一般步骤 (8)6.2 SimulationXPress应力分析 (10)6.3 Simulation结构有限元分析 (16)6.3.1 轴静态分析 (16)6.3.2 夹钳装配体静态分析 (36)6.4 Simulation优化分析 (50)6.4.1 优化设计概述 (50)6.4.2 优化设计基础知识 (51)6.4.3 轴的优化分析 (51)6.5 小结 (59)第六章 Simulation有限元分析在制造业中，为了缩短产品设计周期，提高产品质量，广泛采用计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE），机械设计已逐渐实现了由静态、线性分析向动态、非线性分析的过渡，由经验类比向最优设计的过渡。
CAE在产品开发研制中显示出了无与伦比的优越性，使其成为现代企业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件，因而越来越受到科技界和工程界的重视。
在CAE技术中，有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是应用最为广泛、最为成功的一种数值分析方法。
SolidWorks Simulation即是一款基于有限元（即FEA数值）技术的分析软件，通过与SolidWorks的无缝集成，在工程实践中发挥了愈来愈大的作用。
6.1 Simulation基础知识6.1.1 有限元法概述有限元法（Finite Element Method，FEM）是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法。
有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
现代力学进展导论3 计算力学概述
工程科学计算的发展及其重要意义
计算机硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应 用提供了有力保证
Moore定律（1965）：
计算机的CPU速度每 1.5年增加一倍。
工程科学计算的发展及其重要意义
科学计算已经是继理论科学、实验科学之后， 人类认识与征服自然的第三种科学方法
计算力学概况
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本科培养方案
若干专业方向 工程力学-研究类
特色：本科与硕士研究生连读，课程设置及毕业论文均与硕
士培养计划衔接，培养力学研究型人才。
工程力学-建工类
特色：优秀毕业生可免试推荐攻读硕士学位，培养力学与建 筑结构工程结合的复合型人才。
工程力学-工程科学计算类
特色：优秀毕业生可免试推荐攻读硕士学位，培养力学与工 程科学计算结合的复合型人才。
……
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20世纪力学进展
2001年，《力学进展》举行了“世纪理论和 应用力学十大进展”评选活动，评出了20世 纪理论与应用力学十大进展：
有限元法
塑性力学和位错理论断裂力学流统计理论生物力学的创立
奇异摄动理论
稳定性、分岔和混沌理论 力学的公理化体系
边界层理论
克服声障、热障的力学理论
计算力学基本概念
定义。计算力学是计算机科学、计算数学与力学学科相结合 的产物，是根据力学中的理论，利用现代电子计算机和各种 数值方法，解决力学中的实际问题的一门新兴学科。它横贯 力学的各个分支，不断扩大各个领域中力学的研究和应用范 围，同时也在逐渐发展自己的理论和方法。
研究范围。随着理论研究的不断深入和工程应用的不断普及, 计算力学已经渗透到固体力学、流体力学、热力学、岩土力 学、塑性力学、建筑结构、空间结构、航空航天、船舶、核 电等诸多领域。
SiPESC.FEMS的单元计算模块设计模式
证指 针 使 用 的 安 全 性 、 高 数 据 使 用 效 率 及 利 用 提 Ｃ＋ ＋动 态类 型转 换机 制 ． 能指 针 是 指存 储 指 向动 智
放式 有 限元 汁算平 台 ， 个 重 要 的 功 能是 开 发 者 可 一
以 根 据 自 的 需 求 方 便 地 添 加 单 元． 文 基 于 本
ＳＰ Ｓ ．Ｅ 的单元 计 算 模 块 设 计 模 式 ｉＥ ＣＦ ＭＳ
张 盛 ， 杨 东 生 ， 尹 进 ， 李 云鹏 ， 陈飙 松 ， 张 洪武
（ 连 理 工 大 学 工 业装 备 结构 分析 国 家重 点 实验 室 运 载 工程 与 力 学 学 部 工 程 力 学 系 ， 宁 大连 大 辽 １６ ２ ） １０４
ｆ ｘｂｌｙｉ ｂｅｔ ｒ ｎ ｄｆ ｉ ｌｍ ｎ ｐｏ ａ ｉｇ ｌ ｉｉｔ ｎｏｊｃ－ ｉ ｔ ｎｔ ｅ ｅ ｔ ｒｇ ｍｍ ｎ ． ｅ ｉ ｏｅ ｅ ｉ ｅ ｅ ｒ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｏ ｎ ｆｎｔ ｌ ｍｅ ｔｓ ｓｅ ；Ｓ Ｐ Ｃ． ＥＭＳ；ｅｅ ｎ ｏ ｕ ａ ｉｎ ｍｏ ｕ ｅ；ｐ ｕ —ｎ；ｄ ｓｇ ｐｅ ｉｅ ｅｅ ｎ ｙ ｔｍ ｉ ｉ ＥＳ Ｆ ｌ ｍｅ ｔｃ ｍｐ ｔ ｔｏ ｄ ｌ ｌｇｉ ｅ ｉｎ
处反 映研 究 人员对 面 向对 象 有 限元 的共 识 ． 随着 该 研究 领域 的 日趋 成 熟 ， 序 设计 中 的 面 向对 象 有 限 程 最 优 设计 方法将 被 实 现． ’ 、 结构 的多样性 导 致有 限元 分析 过 程 中的单 元种 类繁 多 ， 一些 通用 的 有 限 元 商业 软 件甚 至有 上 百 种 无 ，Ⅱ ｆ 往往 仍不 能 满足 开发 者 的需 要 ， 以对 于开 所
ｆ ｃｏ ｙ ｐ ｔ ｒ ａ ｔｒ ａ ｔ ｎ，ｂｕｌ ｒｐ ｔｅ ｎ ａ Ｏ ｏ ｅ ｉ ｄｅ ａ ｔｒ ｎｄ Ｓ ｎ． Ｔ ｅ ｄ ｓｇ ａｔｒ ｓ ｇ ｏ ｃ ｌ ｂ ｌｔ ｎ ｅ ｓ ｂ ｌ ｙ Ｔｈ ｈ ｅ ｉｎ ｐ ｔｅ ｎ ｈａ ｏ ｄ ｓ ａ ａ ｉｉ ａ ｄ ｒ ｕ ａ ｉｉ ｙ ｔ ｅ
有限元软件介绍和比较
有限元软件介绍和比较有限元软件介绍和比较一、msc/patran+nastran, ansys, abaqus 三者的比较俺最喜欢的是msc/patran+nastran，因为当年国内飞机公司最先引进的就是nastran，其菜单式的操作，比用手写有限元程序，爽多了！！特别是建立飞机这类巨大型结构，可以说，只有patran的建模最强！！（有人在仿真说abaqus能建整个飞机模型，哈哈，吹牛不上税，就凭其目前功能，要花一百年！！）另外，msc财大气粗，其教程是手把手式，航空上最常用的有限元分析，都有现成的例题，step by step，傻瓜都会很快地入门！！由于其广泛应用于航空航天/汽车工业，所以，至今为止，如果要学CAE 软件，俺认为应首选msc/patran+nastran。
与patran+nastran相比，ansys的界面就低了一些，操作也没有patran舒服。
不过，差别不是很大。
ansys据俺的体会，唯一的强项就是多场耦合。
其他的功能，msc/patran+nastran都有。
不过，ansys的apdl语言比较高级，是其最大优势，或者说，msc 应向这一方向发展！！不过，apdl最开始学也很费事，得一条一条查，一条一条记，这个过程没有两三个月下不来。
由此，ansys的清爽度比msc差一些。
abaqus，如果自己用手编写过有限元程序的，入门应该不难。
其命令格式，跟自己用手编程序一个套路。
abaqus的强项是其分析功能很全面，特别是非线性部分，基本上都包含了。
abaqus最大的缺点是上手慢，其教程太差，除了几本手册，基本上等于没有教程。
要学abaqus，其时间要比msc, ansys长多了！！现在看，学abaqus实在没什么省时间的方法（比如它的training lecture，一本250$，买来一看，气晕俺，还没手册说得详细！！），所以唯一的笨方法就是要看手册啦。
(如果说msc是windows点鼠标时代的水平，abaqus就是敲dos命令的原始时代。
面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展
面向集成化CAE软件开发的SiPESC研发工作进展作者：张洪武陈飙松李云鹏张盛彭海军来源：《计算机辅助工程》2011年第02期收稿日期： 2011-03-24 修回日期： 2011-04-14基金项目：国家自然科学基金（90715037, 11072050, 10872041, 91015003, 51021140004）；国家基础性发展规划项目（2010CB832704）；国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）（2009AA044501）；教育部新世纪人才支持计划（NCET-07-0128）作者简介：张洪武（1964—），辽宁庄河人，教授，博导，博士，研究方向为计算力学与工程科学计算等，（E-mail）zhanghw@文章编号：1006-0871（2011）02-0039-11摘要：针对我国自主CAE软件发展缓慢的事实，根据现代工程领域的科学研究和产品研发对CAE建模、分析和设计能力提出的需求，研发自主的面向CAE工程与科学计算集成化软件平台SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation）. SiPESC以开放性、大规模计算和集成性为发展目标，主要采用面向对象方法与UML技术、跨平台编程环境、XML语言以及基于面向组件和插件的软件设计技术等实现，其集成化功能模块包括面向核心任务管理的集成开发环境、面向系统集成的活动流程图定制工具、面向大规模计算的工程数据库管理系统以及通用数值算法库设计框架等.介绍基于SiPESC的CAE软件系统研发，包括开放式结构有限元分析系统及集成化结构分析与优化设计系统，并给出针对高速列车、风力发电机、火箭、桥梁与坝体等的典型工程分析示例. SiPESC现已具备计算集成的多项基本功能和子系统，为未来的发展奠定良好的基础.关键词： SiPESC； CAE软件系统；集成化软件系统中图分类号： TB115 文献标志码： AAdvancement of design and implementation of SiPESC fordevelopment of integrated CAE software systemsZHANG Hongwu, CHEN Biaosong, LI Yunpeng, ZHANG Sheng, PENG Haijun（Department of Engineering Mechanics, Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, DalianUniversity of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China）Abstract：Due to the slow development of China’s CAE software and increasing demand for the CAE modeling, analysis and design, it is of utmost importance to develop independent computational software platform for CAE engineering and for engineering and scientific computation. An integrated software platform SiPESC（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation） is developed whose objectives are to develop an open, large-scale computational and integrated platform. The implementation of SiPESC employs object-oriented method, UML technology, cross-platform programming environment, XML languages,components and plug-in-based technology. The core modules consist of tasks-oriented development environment, visual active flowchart customized tools for software integration, engineering database management system for large scale computation and the framework design for numerical algorithms library. Based on SiPESC, an open style finite element system and an integrated design optimization system are developed. Several typical engineering applications including high-speed train, wind turbine, rocket, bridge and dam are presented which demonstrate that SiPESC has built core functions for high performance computation and has the capability to integrate multiple computational systems, and therefore has laid a solid foundation for the future development.Key words： SiPESC; CAE software system; integrated software system0 引言工程与科学计算在现代科技和经济发展中的地位日益重要. 2005年，美国总统信息技术咨询委员会［1］指出：计算科学已成为科学领导地位、经济竞争力和国家安全的关键之一；并发出美国政府还没有充分认识到计算科学潜力的警示. 2006年，美国国家科学基金会［2］发表基于模拟的工程科学（Simulation-Based Engineering Science, SBES）报告，明确提出：SBES应成为工程与科学领域中国家的优先发展项目. 2010年，美国竞争力委员会［3］针对制造业发布白皮书，指出：如果美国不发展基于高性能计算技术的建模、模拟和分析，则其制造业领导地位将受到威胁.在美国科学基金会、能源部、国防部、国立卫生研究院和航空航天研究院等的联合支持下，世纪技术评估中心［4-5］于2009年和2010年发表报告强调，美国在SBES的领导地位受到威胁，需要新的科研项目、发展策略和基金资助机制等，以维持美国竞争力和重振其在该领域的繁荣.钟万勰等［6］在中国科学院咨询报告中指出：CAE技术是我国装备制造业核心竞争力之一，也是保证国家安全所必须掌握的关键技术之一. 第339次香山科学会议（）也针对此问题展开研讨.CAE主要指以计算机为工具，通过数值计算手段对各类装备和工程结构的设计、制造以及服役过程进行分析、模拟、预测、评价、优化和控制，在重大装备和结构数字化设计与制造中占据核心地位，是装备和工程结构创新设计的核心技术，对降低成本、提高设计与制造水平、缩短设计与生产周期、延长产品寿命、提高产品质量与竞争力以及催生新的设计思想与理念等都具有重要意义.作为科学与工程计算的重要组成部分，CAE研究与软件系统对科学研究与国民经济发展起重要作用，各类重大工程的成功无不得益于CAE理论与软件系统的重要支撑.CAE理论研究与软件系统研发有深厚的学科背景和研究内涵，呈现多学科交叉特征，包括计算力学、计算数学、软件工程学和计算机图形学等，计算力学的发展一直是其发展的重要学科支撑.CAE研究内涵包含多个方面，包括发展可准确描述装备与结构工程中各类问题与现象的数学物理方法和计算模型，构造解决工程中关键问题的先进计算方法，研发先进工程问题数值分析的数字化工具与软件系统，以CAE为工具在计算机上实现对各类工程问题的数值试验，对CAE数值结果进行分析与评价，通过数值模拟发现各类工程问题的内在规律和特征以及进行装备和结构的优化与创新设计等.目前，动力学与控制在CAE领域具有非常重要的地位，其研究涉及众多交叉学科，如控制理论、数值算法和软件开发等，是控制理论通向工程应用的桥梁.随着动力学系统复杂度的提升，人们对控制性能的要求也越来越高.发展高效、可靠的优秀控制软件一直是学术界和工程技术领域的迫切需求，尤其在处理大规模复杂问题方面.在现代各类工程领域的装备与结构中，大量分析和设计问题的高端与前沿需求一直是推动CAE理论和软件不断发展的动力.诸多现代工程领域的科学研究和产品开发所面临的科学问题日趋复杂，对CAE的建模、分析与设计能力提出越来越高的要求.大规模、强动力、非线性、多尺度、多相耦合、多物理场耦合、不确定性以及极端环境与服役工况等是现代装备与结构设计、制造与服役过程评估面临的共性基础问题，在进行正分析的同时往往还需要进行反分析、优化和控制设计等.为方便、灵活地实现这些功能，共享计算软件的资源，集成先进的研究成果，为新理论、新模型与新算法研究提供性能优异的数值工具及校核新理论，以解决工程问题，有必要研发自主的，具有良好开放性、动态扩展性，可持续开发条件优良与用户界面友好的工程与科学计算软件平台，促进理论研究与工程应用工作的可持续发展.崔俊芝［7］指出，CAE软件既然是一种集多种科学与工程技术于一体的综合性、知识密集型产品，就应当随着科学技术的迅速发展、知识经济的到来、互联网技术的普及和全球信息化，有个新的大发展.①②我国自主CAE软件研发在20世纪70年代后曾经有过一段良好的发展历程：一系列有特色的结构有限元软件系统被研发出来，解决一大批重大工程中的关键问题，创造了重要的社会和经济效益，为国民经济的发展作出了贡献.但是，近年来我国自主CAE软件的发展缓慢已成为不争的事实.目前，在国内占主导地位的主要CAE软件系统大多由国外公司研发.加大并推进自主CAE软件研发，已成为意义十分重大但任务又非常艰巨的课题.钟万勰和程耿东［8］在1999年发表的“跨世纪的中国计算力学”一文中指出：特别需要强调的是大型计算力学软件的开发.大型计算力学软件的开发往往需要几十乃至上百人年的高智力的劳动和巧妙的设计思想，既是一项高难度的科学研究，也是一项大规模的工程.随着软、硬件条件与环境的改善以及工程需求的不断提升，自主CAE软件在发展过程中面临一系列关键问题和瓶颈问题需要解决.软件技术方面包括：（1）大规模数值模型的数据管理.目前，百万甚至千万自由度规模的结构有限元建模与分析工作已成为常态，如4.5亿自由度的大规模结构有限元模型“Model of the day after tomorrow”［9］在求解过程中耗费2.27 TB磁盘空间.（2）高性能计算.多核技术是个人计算机（笔记本、台式机和工作站）发展的主流，多线程计算（如OpenMP）已逐步得到推广；随着集群技术的发展，分布式计算（如MPI）也成为趋势；随着计算机技术的发展，网格计算和云计算也逐步在数值仿真领域实施.据高性能计算机排行榜报道，我国研发的“天河-1A”和“曙光星云”分列第一和第三名①，但发展与高性能计算机相匹配的应用数值计算软件仍是十分重要的课题之一.（3）系统开放性.动态库、模块接口、脚本语言和数据格式兼容等已成为众多商业CAE 软件实现开放性的技术途径.系统开放性可分为几个层面，一是软件系统本身所采用的理论体系开放性，如结构有限元设计理论是否适用于组合单元、多点（主从）约束等；二是软件体系结构的开放性，如计算流程动态控制、模块装配和替换及数值算法模块通用性设计等；三是系统对用户的开放接口，即指目前商业软件采用的方式等.（4）多物理场、多尺度、多系统集成.多物理场、多尺度、多系统集成已成为科学与工程计算的发展需求，需针对多个子系统和模块、应用程序和软件进行软件集成技术研究.目前，商业软件公司已推出多个针对公司内部系统的集成平台，也有针对外部系统通过流程构建实现的系统集成计算.SiPESC②（Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation）的研发任务是在上述背景和需求条件下提出来的，其总体目的是为满足现代装备与结构工程中日趋复杂的科学与工程计算需求，研发性能优良的软件开发平台，并进而研发具有自主产权的集成化CAE软件系统，为解决重大装备与结构工程中的科学问题服务.1 SiPESC的研发思路SiPESC的研发工作面临技术挑战，研发任务难度大.同时，SiPESC的研发也具备以下机遇：（1）研发团队在钟万勰院士等的领导下30余年系列自主CAE软件（JIGFEX，DDJ，JIFEX，MCADS，DASTAB和DIASS等）研发的经历，为进行SiPESC系统研发提供丰富的经验积累，并建立良好的CAE程序开发基础；（2）计算机软、硬件技术的进步为新软件研发提供发展空间，特别是面向对象、构件、服务、软件体系结构及软件设计模式等软件工程技术的新思想、新方法，为新系统在核心框架设计方面实现跨越式发展提供可能；（3）近年来的计算力学（计算固体力学）新理论、新方法和新框架［10］的发展，为构建SiPESC系统提供新思路.SiPESC研发的工作思路是核心突破、逐步推进，即通过在软件系统核心框架和体系结构设计方面取得的突破，构建核心的任务和数据统一管理功能，并在此基础上建立结构有限元分析系统，再逐步研发各类其他应用子系统和功能模块，实现集成平台上的建模、计算、优化及可视化等.在软件技术方面，SiPESC核心功能需实现的主要目标为：（1）开放性.建立通用任务和模块开放、统一的管理功能；实现模块间的动态装配与替换；建立开放接口的统一管理模式；支持多人、多组织的协同开发；支持主流二次开发技术（动态库、模块接口、脚本语言、数据格式兼容）等.只要具备开放性，已有的任务和模块就可实现动态扩展或替换，因此SiPESC的开放性本质上是整个研发任务的根本，是系统持续发展的关键.（2）大规模计算能力.建立统一的、通用的、面向大规模计算的工程数据库管理系统，以实现大规模数值模型的数据管理，构建大规模计算能力；工程数据库需为各计算系统和模块提供统一接口，其内部模块可动态替换或组装以适应单机、局域网和集群等硬件存储设备，满足多类计算需求.（3）集成性.集成性是上述两个特性的综合体现，包括子系统和模块集成以及数据集成；另外，SiPESC需构建包括各类外部CAE系统的集成计算环境，以满足包括建模、分析、优化和可视化等的多物理场、多尺度、多系统集成计算；需提供基于面向服务和网格计算等面向异构系统（Windows和Linux）的集成技术.SiPESC的研发采用软件工程的方法开展工作，实行项目规划和管理、开发文档管理、软件系统分析与设计、软件测试及软件质量管理，形成稳定的软件系统维护队伍.研发采用的主要方法和技术有：（1）面向对象方法与UML（Unifed Modeling Language，统一建模语言）技术，采用面向对象方法，应用适当的设计模式，完成系统框架和相关类库设计，解决系统的开放性和可扩展性问题.研究中采用UML及相关软件工具，可有效管理结构有限元软件设计过程，形成标准化文档，提高质量管理水平.研发采用C++语言.（2）跨平台编程环境.采用Eclipse与Qt建立的编程环境可实现SiPESC的跨平台特性，利用该环境设计的软件可以在多个主流操作系统（Windows，Mac OS X，Linux及各种UNIX 环境）上编译运行，为实现软件系统的跨平台运行提供保证.（3）XML已成为Web上标准的结构化和半结构化数据表示，逐步成为通用信息交换标准格式，是实现数据和接口的规范化技术途径.（4）基于面向组件（component）和插件（plug-in）的软件设计技术.面向服务和组件设计技术是软件研发的有效途径，有利于软件复用和系统集成；插件设计是基于动态链接库的软件设计，已被广泛应用，有利于系统应用功能的动态扩展和系统核心功能的维护.2 SiPESC的集成化功能目前已完成的SiPESC集成化功能模块包括面向核心任务管理的集成开发环境、面向系统集成的活动流程图定制工具、面向大规模计算的工程数据库管理系统以及通用数值算法库设计框架等.2.1 集成开发环境SiPESC是基于“平台（微核心）+插件”的计算软件系统，其核心系统实现插件的管理及调度功能，所有实际功能均采用插件实现.软件体系结构的设计目的是实现系统的开放性和集成性.SiPESC软件体系结构见图1.图 1 SiPESC软件体系结构Fig.1 Software architecture of SiPESC插件的接口采用XML描述，故该平台系统的插件接口是开放的，插件开发者可定义接口，基于接口进行扩展，并提供给其他插件使用.因此，系统可以满足各种不同的需求，只要在使用时安装相应的插件即可.SiPESC主界面见图2.图 2 SiPESC主界面Fig.2 Main interface of SiPESCSiPESC提供工作空间、工作台、资源、界面管理工具和扩展接口等，用户基于此可方便地进行二次开发和利用已有插件配置应用系统；可以利用SiPESC进行有限元前处理、计算和可视化等开发，也可进一步扩展为专用的计算系统或工程数据库管理系统.SiPESC设计一套完整的插件开放接口规则.为方便用户进行插件开发，SiPESC提供插件设计器工具，用户可按向导式的操作定义插件和扩展接口，并可直接生成C++工程的代码；在此工具辅助下用户只需关注接口及其代码的实现.插件设计器界面见图3.图 3 插件设计器界面Fig.3 Interface of plug-in designer插件式体系结构的独特优势在于可按组件方式灵活构建应用软件系统.SiPESC为用户提供管理各类插件的工具，通过加载和卸载操作该工具可动态地为特定系统配置插件；查询功能包括插件信息、扩展接口和扩展分类信息等；代码生成功能可生成特定扩展的接口头文件，方便二次开发调用特定扩展.插件管理器界面见图4.插件管理器实现特定系统组件化的动态配置，可为科研与工程计算构建专用的计算系统和环境；每个计算软件启动时加载最适度的插件，保证计算效率；管理器也同时为多开发人员或多组织协同开发的插件提供动态集成支持.图 4 插件管理器界面Fig.4 Interface of plug-in manager2.2 活动流程图定制工具活动流程图定制工具利用插件技术，通过制定调用流程图（见图5）实现外部应用程序及插件扩展的可视化、流程定制化、流程可控制化及串、并行化的集成调用.可视化集成调用功能具有良好的扩展性，对于已有的应用程序，通过应用程序调用对象实现其流程化集成调用；对于已有的源代码或开发包，可通过实现调用对象相关的接口，将其制作成符合相关要求的插件添加到流程中.（a）应用流程1（b）应用流程2图 5 活动流程图定制工具Fig.5 Customization tool of visual activity flowchart定制工具的操作包括调用对象、流程线、流程图和用户动作等；用户可构建特定的流程图，调用专用的计算软件（各类商用软件和自主研发软件），在流程图中设置用户交互动作或根据系统的扩展接口研发新的调用模块（如局域网或互联网的远程调用、任务管理和调度等）.定制工具为实现工程与科学中的多学科计算、跨尺度计算、复杂任务的大规模计算提供可行的解决方案.2.3 工程数据库管理系统大规模计算的一个显著特点是数据密集.对大规模数据进行有效的管理直接关系到计算系统的效率和通用性，因此一个强有力的数据管理系统十分重要.目前，面向大规模计算的商业软件都内嵌数据管理系统，但大部分内部专用、不对外开放.SiPESC面向大规模计算的数据管理的设计需求为：数据类型多、密集型数据（TB以上）、动态数据、大数据块管理、并发访问；大规模计算的数据管理过程一般具有特定的模式，不需要类似于商业数据库提供的检索、交互查询等复杂管理功能.因此，针对上述需求研发专用工程数据库非常必要.工程数据库管理系统设计框架见图6.图 6 工程数据库管理系统设计框架每个层次完成不同的功能.其中，管理层将数据库内的数据按统一的接口和管理方式组织起来，使用统一的接口访问数据.层次化的框架设计方案有利于功能扩展，基于插件技术的设计方案可实现系统维护过程中每层的动态替换，为数据库进一步实现跨文件、跨分区、跨磁盘和跨节点等扩展方案提供条件.用户在管理层基础上可构建专用的计算数据库以及计算系统，按照路径管理数据，以方便实施多物理场和多尺度等的集成计算.在工程数据库管理系统支持下，用户可构建面向大规模计算的软件，完成TB以上数据量的数值模型计算任务.2.4 通用算法库设计传统的算法和算法库设计遵循“算法+数据”方法，但由此引发的问题是算法与数据紧密关联，同样的算法针对不同数据结构的数值模型须重新编写. GAMMA等［11］受建筑设计的方法启发，针对软件设计中普遍存在、反复出现的问题提出软件设计模式；归纳软件设计中经常采用的23种设计模式，设计模式的应用能实现可重用代码，并使代码具有良好的可读性和高可靠性.设计模式提供一种共享经验的方式，可以使软件开发人员受益及避免重复设计.目前，设计模式广泛应用于事务管理软件的研发过程中，成为软件设计理论的研究方向，众多设计模式相继被提出.数值计算中也普遍存在、反复出现程序设计问题，但缺乏有关设计模式的探讨，如PRESS等［12］编写的数值算法名著出版过FORTRAN版、C语言版及C++版，但并未论及设计模式问题，其他算法著作情况与此类似.在计算力学软件设计中也存在设计模式的问题，如面向结构动力学方程的NewMark算法Mu ¨+Cu ·+KuR K ～K+a0M+a1Ct+Δt R ～Rk+1+Ma0t u+a2t u ·+a3t u ¨+Ca1t u+a4t u ·+a5t u ¨K ～t+Δt u t+Δt R ～（1）式中：M，C，K和u分别为质量矩阵、阻尼阵、刚度矩阵和位移向量；a0～a5为算法参数；t和Δt分别为时间和时间步.非线性代数方程的Newton-Raphson迭代算法为F（X）0F′（X k）ΔX k－F（X k）, k0,1,…X k+1X k+ΔX k（2）式中：F为非线性函数向量；X为待求向量.上述算法在数学上的表述具有共性，与数值模型、矩阵性质、数据存储方式无关，但用具体代码实现时却千差万别；将一个系统的算法模块移植到另一个系统，要耗费大量的精力进行代码维护或数据转换.类似NewMark和Newton-Raphson这类算法具有层次性，应针对层次性算法设计统一的解决方案.CAE软件平台的研究中涉及大量相似的软件设计问题（如有限元的单元刚度阵集成、非线性方程求解、特征值计算和约束条件处理等），需寻求这些问题的统一解决方案和软件实现途径以及设计模式.SiPESC在数值算法库设计方面提出基于接口的“算法+模式”的设计方案，见图7. MSolver （求解器）类是算法实现部分，从MParameter（参数）类获取算法参数，通过MModel（模型）类提供的统一接口对数据进行操作，完成算法计算过程.MModel类通过接口继承可派生出不同的数值模型（如结构有限元、热传导和流体分析等）.该设计的优点是：（1）基于SiPESC的插件技术，上述算法、模型可实现动态装配，不同数值模型通过统一接口可实现与同一算法的拼装，同一数值模型通过统一接口也可对接不同的算法；（2）便于算法实施与调试，基于统一接口，可独立进行算法和模型的编程，分别调试.图 7 通用算法库设计Fig.7 General algorithmic library design基于上述设计思想，SiPESC已完成时程积分、特征值分析和非线性代数方程组求解等算法模块.典型模块已应用于结构有限元分析，并完成数十万自由度算例的测试.3 基于SiPESC的CAE软件系统研发在SiPESC提供的核心任务和数据统一管理功能支撑下，首先对结构有限元分析和通用集成优化计算等开展具体的CAE系统研发，计划通过应用系统的实施建立核心功能系统，进而逐步推进相关子系统的研发.3.1 开放式结构有限元分析系统结合有限元分析问题，设计开放式结构有限元分析系统，建立有限元分析系统各层次的开放接口和管理机制.（1）有限元数据库.完成节点、单元、材料、坐标转换阵、约束数据、节点控制阵、单元控制阵和载荷等几十种数据类.这些数据类都与工程数据库系统结合.完成大数据量的测试，均可实现GB数量级存储；具备TB数量级有限元模型的数据管理能力.（2）动态开发接口.系统设计中完成结构有限元线弹性静力分析功能，具备大规模计算数据管理能力.基于插件管理系统，将有限元分析过程中的任务逐一分解，形成各个子任务，并形成任务的统一管理模式，提出开放接口的设计方案.目前已完成节点排序、自由度排序、节点主从控制、单元主从控制、单元刚度阵管理、总刚集成与分解和位移求解等主要模块开发.上述模块均有标准扩展接口和动态替换机制；新的功能模块可通过管理机制对原有模块进行动态更新或替换.该系统的所有计算模块和计算数据对二次开发完全开放，用户可通过接口访问以及调用数据及模块.（3）单元库动态集成方案.根据结构有限元单元刚度计算的标准过程，实现单元刚度阵计算的动态集成框架，并提出标准接口.在此框架下，短时间内已集成三维偏心梁、精化板单元、旋转自由度膜、六自由度改进DKT壳单元等实用、新型单元.目前，单元库已具备17种各类型单元，可面向工程问题的组合结构开展分析任务.（4）已有代码的集成案例.基于插件的研发，强调的是接口编程，为集成已有的有限元计算模块提供可能；通过动态链接库和接口设计，已实现基于Lapack算法的稀疏矩阵求解模块的集成.。
工业装备结构数值仿真与优化软件SiPESC
工业装备结构数值仿真与优化软件SiPESC
数值仿真与优化/计算机辅助工程分析(CAE)事关国家战略安全，是企业核心技术创新的关键工具，被称为智能化软装备。
大连理工大学运载工程与力学学部/工业装备结构分析国家重点实验室在自主CAE软件方面已坚持了四十余年的研发历程，目前已自主研发了工程与科学计算集成化软件平台SiPESC，具备结构分析、最优控制、集成优化、结构拓扑优化等数值仿真应用功能。
SiPESC在航天飞行器、高速列车、机床装备、透平机械等装备制造业的产品设计与优化中得到了广泛应用，极大提升和改善了产品的力学和物理性能。
SiPESC目前的发展计划是面向工程领域，开展工程咨询、合作研究及定制软件开发。
基于SIPESC平台的单元插件开发指南
基于 SiPESC 平台的单元插件开发指南
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4.3.2 单元应变计算工厂实现类 MHexaBrickStrainMatrixFactoryImpl ........................ 26 4.4 积分格式的添加 ........................................................................................................... 26 4.4.1 积分格式实现类 MGau3D2IntegFormImpl........................................................... 26 4.4.2 积分格式工厂实现类 MGau3D2IntegFormFactoryImpl....................................... 28 4.5 单元本构矩阵的计算 ................................................................................................... 28 4.5.1 单元本构解析实现类 MbrickEleConstiDParserImpl ............................................. 28 4.5.2 单元本构解析工厂实现类 MBrickEleConstiDParserFactoryImpl ......................... 29 4.6 组装单元刚度矩阵 ....................................................................................................... 29 4.6.1 单元刚度计算工厂实现类 MHexaBrickEleStiffCalculatorFactoryImpl................. 29 5. 有限元后处理计算和数据导出。 ................................................................................. 31 5.1 节点应力计算（外推计算）的理论基础 ................................................................... 31 5.2 节点应力计算的平台实现。 ....................................................................................... 32 5.2.1 单元应变计算工厂实现类 MHexaBrickEleStrainCalculatorFactoryImpl.............. 32 5.2.2 单元应力计算工厂实现类 MHexaBrickEleStressCalculatorFactoryImpl ............. 33 5.2.3 节点应力计算实现类 MHexaBrickNodeStressCalculatorImpl.............................. 33 5.2.4 节点应力计算工厂实现类 MhexaBrickNodeStressCalculatorFactoryImpl .......... 37 5.3 数据导出 ....................................................................................................................... 37 5.3.1 结果数据导出实现类 MUnvHexaBrickEleDataExportorImpl ............................... 37 5.3.2 结果数据导出工厂实现类 MUnvHexaBrickEleDataExportorFactoryImpl .......... 38 6. 单元插件的编译，注册方式。 ..................................................................................... 38 6.1 修改单元插件源文件 org.sipesc.fems.example.cxx 和 cmakelist.txt 文件。 ............ 38 6.2 插件的编译和注册。 ................................................................................................... 38 7. 8. 单元计算模块插件开发步骤总结 ................................................................................. 39 附录 ................................................................................................................................. 40 8.1 平台有限元文件配置方法。 ....................................................................................... 40 8.2 平台有限元静力分析流程。 ....................................................................................... 40
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SiPESC门户设计工具
SiPESC 软件平台门户示例-高铁CAE集成系统
SiPESC.VISAIT面向集成计算的子系统
集成方案
活动流程图定制工具 运行程序集成的统一实现 并发任务管理，网格计算 复杂流程管理，子流程嵌套 多学科/多场耦合/多尺度分析集成计算
SiPESC软件平台-集成应用
集成1：开放性集成化有限元分析系统
3.5E+05
3.0E+05
2.5E+05
2.0E+05
经典模型（1386） Cosserat模型l=0.1mm(1386) Cosserat模型l=0.3mm(1386) Cosserat模型l=0.5mm(1386) 经典模型（2132） Cosserat模型l=0.1mm(2132) Cosserat模型l=0.3mm(2132) Cosserat模型l=0.5mm(2132) 1.2 1.4 1.6 1.8 垂直位移 v (cm) 2.0 2.2
SiPESC软件平台-集成应用
SiPESC平台脚本语言-Python
108行拓扑优化脚本
优化计算与实时显示脚本
SiPESC软件平台-集成应用
SiPESC平台脚本语言
C语言调用
插件封装
脚本语言调用
Lapack算法封装实例：方程组求解 Ax=b
SiPESC.OPT集成优化计算系统 设计目标：
通用性
优化建模界面
算法配置界面
实验设计/近似模型界面
计算结果绘图界面
SiPESC.OPT集成优化计算系统
8.60E-05 8.40E-05 8.20E-05 8.00E-05 7.80E-05 7.60E-05 7.40E-05 7.20E-05 7.00E-05 6.80E-05 6.60E-05 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96
Software Integration Platform for Engineering and Scientific Computation
设计思想
“平台/微核心+插件” 软件体系结构
OSGI
(Open Service Gateay Initialtive)
Eclipse
(IBM, 2001/11, 40Million US$)
优化设计:
尺寸、边界形状、布局优化设计 复合材料层合板与夹层结构的铺层优化设计 重量优化、强度和刚度优化、固有频率优化、 谐振响应优化、屈曲稳定性优化、多目标优化 温度场优化设计、结构热传导与热应力耦合优化
研发背景-自主CAE软件研发的机遇
新计算体系、理论框架和方法
辛体系、多尺度分析、数值算法、材料本构…
GA.setGENERATION( 100 ); GA.setPOPULATIONSIZE( 20 ); 优化计算的JavaScript脚本
s.Line(point1=(d/-2.0, t/2.0), point2=(d/2.0, t/2.0))
ABAQUS参数化Python脚本
集成ABAQUS的形状优化算例
SiPESC软件平台-集成应用
SiPESC平台脚本语言
Extension Extension Extension Extension
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Extension
Extension
Plug‐in
Plug‐in
Plug‐in
SiPESC
Python Wrapper Python Engine JavaScript Wrapper JavaScript Engine … Wrapper …. Engine
插件设计器
SiPESC.IDE集成开发环境
结构分析 流体分析 热传导分析 声场分析 电磁场分析 ….分析
三维实体分析
钢结构分析
复合材料分析
建筑结构分析
桥梁结构分析
….分析
插件管理器
(加卸载、扩展接口管理)
物理问题
动态配置，定制组装
工程对象
SiPESC门户设计工具
门户管理功能：动态定制、灵活编辑
工程与科学计算集成软件平台 SiPESC
计算力学软件研究所 运载工程与力学学部 大 连 理 工 大学
汇报内容
1.研发背景与思路 2. 软件集成功能 3. 结构分析功能与扩展 4. 自主特色算法 5. 数值软件设计方法探讨
CAE软件
2005
2006
2009
2010
2011
Ensuring American’s Competitiveness Computational science –– has become critical to scientific leadership, economic competitiveness, and national security. Revolutionize Engineering Science through Simulation To out-compete is to out-compute Ensuring American Leadership in Advanced Manufacturing
工程应用
结构随机振动虚拟激励算法集成、结构接触弹塑性分析集成、 网格计算、风力发电机叶片优化、卫星结构优化等应用
SiPESC.PLUGINS
平台/微核心+插件 (C++实现)
SiPESC.IDE集成开发环境
SiPESC 软件平台 (统一接口管理和实现模式)
SiPESC.IDE集成开发环境
1 定义插件 2 定义扩展接口 3 生成接口代码
面向多模型/问题(力、热、动力学、耦合场等)的优化建模及求解
开放性
统一接口集成多种优化求解算法、实验设计方法、近似模型模块
集成性
集成多种计算分析软件、脚本语言支持
界面友好
操作方便、灵活组合(模型算法组合、目标约束函数灵活设置)
SiPESC.OPT集成优化计算系统
软件设计框架
显示模型管理
Granger BE, Hunter JD. Computing in Science & Engineering, 13(2): 13-21,2011
SymPy,符号推导 Chaco/M]atplotli b，2D绘图 Mayavi2 ， 3D 可视 化工具 OpenCV ，图像处 理，计算机视觉
集成2：结构随机振动分析集成化系统SiPESC.HiPEM
虚拟激励方法
算法流程
集成分析流程
苏通大桥
小湾拱坝
机车结构
SiPESC软件平台-集成应用
集成3：弹塑性接触集成化分析系统SiPESC.JIGFEX
Ansys – JIGFEX - SiPESC 弹塑性接触集成分析
4.5E+05
4.0E+05
垂直荷载 P (N)
结构重量迭代历史
theModel.setVariable( "C" , 3.68574 ) ; theModel.setVariableLowerLimit( " C" , 0.001 ) ;
# define parameters d = 9.53 t = 0.4……
var Solver = GA ;
日地系统Halo轨道族
SiPESC软件平台-集成应用
集成6: 基于WebService技术的网格计算集成化分析
实现远程的结构有限元分析计算（上海交大合作）
SiPESC软件平台-集成应用
集成7: 基于Corba技术的分布式计算集成化分析
丹东桥动力响应
发电站动力响应
Corba分布式计算(湖南大学合作)
• 钟万勰院士等研发了PIMCSD控制算法工具箱，LQG和H控制系统设计 与仿真;特色算法：时变控制器/滤波器设计功能、非线性最优控制的保辛/
多层次/自适应数值求解算法
航天器姿态机动过程
近地轨道航天器编队重构过程
航天器探测小行星过程
SiPESC软件平台-集成应用
集成5:控制系统设计与仿真、可视化
耦合/集成计算问题
方法耦合、物理场耦合、尺度耦合、多学科优化…
软件设计新理论、新方法、新技术
软件体系结构、设计模式、面向服务/构件/对象、脚本语言、插件
高性能计算机
多核、分布式计算、集群、网格计算
行业软件、工程定制软件
建筑、航天航空、管道、压力容器、地下工程、桥梁发背景
JIFEX－V1.0~5.0
前/后处理系统:
实体曲面的网格生成 空间杆系及组合结构的模型交互式生成 模型操作：包括平移、旋转、拷贝、镜像、阵列、更新、删除 计算可视化：模型、变形图、消隐图、光照图、体绘制、 剖面图、等值线图、彩色云图、动态显示
计算分析:
弹性静力分析、自振分析、谐振响应分析 瞬态响应分析、屈曲稳定性分析 热传导分析、接触分析、弹塑性非线性分析
Ansys-SiPESC.FEMS-JIFEX/后处理
Ansys数据转换器接口设计
1
ELEMENTS U F NOV 22 2010 10:57:11
Y X Z
SiPESC软件平台-集成应用
集成1：开放性集成化有限元分析系统
Patran-SiPESC.FEMS-JIFEX/后处理
SiPESC软件平台-集成应用
集成DOT,遗传算法库…
近似模型管理
实验设计\近似模型
优化算法集成 ：BFGS、SLP、SQP、遗传… 实验设计/近似方法集成 ：均匀实验、正交实验、响应面、径向基函数… 测试与验证 ：系列标准考题验证、航天工程结构优化、水轮机优化、 动力子结构频率匹配、多体动力学、复合材料机翼……