面向对象的有限元程序设计.doc

有限元程序设计与图形处理 课程论文 学院：学号：0姓名： 面向对象的有限元程序设计 [摘 要] 介绍了面向对象的程序设计方法和它与有限元程序相结合的原理和优点,运用C++语言,以单元类为例,描述了面向对象的有限元程序设计过程。并与传统的过程化FORTRAN语言的程序设计方法进行了分析比较,说明面向对象方法改善了有限元程序的维护性和扩充性,为开发工程计算程序提供了一种新途径。 关键词 面向对象 有限元 程序设计 C++ 1 引言 在工程设计和研究中,有限元法作为结构分析的一种有效方法己经被广泛采用。随着计算机技术的发展,有限元方法的理论和应用都得到了迅速的、持续不断的发展。目前,有限元方法和有限元软件都已经成为许多高新科学和技术的基本工具和有效手段。 许多有限元分析工具,大都是从70年代通过使用FORTRAN语言和结构化设计发展起来的,如著名的ADINA、ANSYS、NASTRAN等有限元软件,其功能比较完善,通用性比较强。有限元程序设计的基本内容如图1所示： 图1 面向过程有限元程序的主要内容 传统有限元程序采用结构化程序设计方法。结构化程序设计的思路是:自顶向下,逐步求精;其程序结构是按功能划分为若干个基本模块,这些模块形成一个树状结构;各模块之间的关系尽可能简单,在功能上相对独立;每一模块内部均是由顺序、选择、和循环三种基本结构组成;其模块化实现的具体方法是使用子程序。但是,采用结构化程序设计方法编制的传统的有限元程序,由于其程序结构模块化的特点,执行流程是各程序段根据给定的算法依次对数据进行处理,大量的各种类型数据与其相应的处理过程联系紧密却又完全分高,任何数据的添加或形式的改变都会导致一系列相关过程的变化,特别是数据结构的变化将产生贯穿整个程序代码的变动,因而其程序扩展能力有限,不易维护,调试复杂且代码的重复利用率低。 面向对象的程序设计(Object-Oriented Programming) 方法能有效克服面向过程编程方法的上述弊端。 2 面向对象的方法 面向对象程序设计方法是将数据及对数据的操作方法放在一起,作为一个相互依存、不可分离的整体——对象。对类型对象抽象出其共性,形成类。类中大多数数据,只能用本类的方法进行处理。类通过一个简单的外部接口与外界发生关系,对象与对象之间通过消息进行通信。这样,程序模块间的关系更为简单,程序模块的独立性、数据的安全性就有了更良好的保障。通过类的继承与多态可以很方便的实现代码的重用,大大缩短软件开发的周期,并使得软件风格统一。因此面向对象的编程语言使程序能够比较直接地反映问题的本来面目,软件开发人员能够利用人类认识事物所采用的一般的思维方法来进行软件开发。 面向对象的基本概念和特征是:对象是系统中用来描述客观事物的一个实体,它是用来构成系统的一个基本单位。对象由一组属性和一组行为构成。属性是用来描述对象静态特征的数据项,行为是用来描述对象动态特征的操作序列。类是具有相同属性和服务的一组对象的集合。它为属于该类的全部对象提供了抽象的描述,其内部包括属性和行为两个主要部分。一个属于某类的对象称为该类的一个实例。方法是为一个类而定义的所有操作。对象与对象之间的相互作用是通过消息传递来实现的。面向对象方法用消息将对象动态连接在一起。封装是面向对象方法的一个重要原则,就是把对象的属性和服务结合成一个独立的系统单位,并尽可能隐蔽对象的内部细节。一方面是把对象的全部属性和全部服务结合在一起,形成一个不可分割的独立单位。另一方面,尽可能地隐蔽对象的内部细节,对外形成一个边界,只保留有限的对外接口使之与外部发生关系。特殊类的对象拥有其一般类的全部属性与服务,称作特殊类对一般类的继承。继承对于软件重复用具有重要意义,使特殊类继承一般类,本身就是软件复用,而且不仅如此,如果将开发好的类作为构件放到构件库中,在开发新系统时可以直接使用或继承使用。多态是指在一般类中定义的属性或行为,被特殊类继承之后,可以具有不同的数据类型或表现不同的行为。当相同消息被发送到同一个类和它的子类里面的所有对象,每个对象知道如何响应这个消息,也允许用与其它子类对象的不同方式响应。因而增加了程序设计的灵活性和可理解性。 3 结构对象分析 平面桁架矩阵分析模型是最简单的有限元分析模型,结构矩阵分析的基本步骤是:按单元将结点离散化,并对单元和结点进行编号;建立各单元的刚度矩阵;根据单元和结点编号,将各单元刚度矩阵组装成总刚度矩阵;根据荷载情况形成结点荷载向量;解方程,求得结点位移;由结点位移和单元刚度矩阵计算各单元内力。 根据结构有限元分析方法,在具体的结构分析过程中,可以将整个结构作为一个对象,称作整体结构对象。整体结构