研发的有限元分析与优化设计软件系统

ＣＡＥ自主创新发展战略＼软件产业状况

６）研究开发了三维有限元数据场的体绘制可视化、矢量场可视化以及体绘制剖切技术，提供了先进的ＣＡＥ计算可视化功能。

图１、三维复杂实体网格生成图２、位移、应力云图

３．２高性能有限元计算方法

１）缝捡左堂皇撞剑理论笪攫拟理论。指出它们的数学基础是相同的，即均对应对偶变量体系。将对偶变量体系应用于弹性力学，就改变了传统求解思路，而导向理性求解方法。如将平面弹性的辛求解体系直接引入到板弯曲问题，形成了板弯曲的辛求解体系。采用平面弹性元的方法与列式，可构造高效实用的板单元。

２）基壬丛查窒阊变量笪揸绥瞪猩麴佥洼。既可用于初值问题，又可用于两端边值问题的积分。对于动力方程以及控制理论中的Ｒｉｃｃａｔｉ方程，精细积分法都给出了几乎是计算机上的精确解。在ＪＩＦＥＸ程序系统中，对于振型叠加法中形成的解耦的动力学方程以及瞬态热传导方程均采用精细时程积分法进行求解，取得了良好的效果。其中，对结构的瞬态分析，提出了动力分析增维精细积分方法，避免了复杂的矩阵求逆运算，具有计算精度和数值稳定性高的优点。在热辐射边界条件和材料物性参数与温度相关的非线性瞬态热传导问题中，将精细积分方法扩展到瞬态热传导问题求解，提出了精细积分结合预测一校正的高精度求解算法。

３）虚拟激励算法。随机振动理论框架已建立半个多世纪，但在工程中却始终难以推广。虚拟激励算法对平稳／非平稳，完全相干／部分相干，均匀调制／非均匀调制激励下各种随机分析方法进行了系统更新。在获得精确解的同时，对复杂问题计算速度比传统方法显著提高。该方法和相应程序已经在南京长江二桥、洞庭湖斜拉桥、东

海大桥、新疆石门子拱坝、小湾拱坝、瀑布沟拱坝等国家级工程上成功地进行了抗震

④

软件产业状况／ＣＡＥ自主创新发展战略分析。

４）垫登塑挂接熊筮逝友洼。考虑传热一接触耦合作用的热力学分析是富有挑战性的课题，难点是必须考虑传热与可移动接触边界间的耦合作用。为此建立两类变分方程：一类是热力学变分泛函，其考虑了接触区域对结构热传导的影响；另一类是二维热弹性接触分析的参数变分原理，可以方便地对接触问题进行求解。在导出有限元分析的离散公式的基础上，提出基于时域的逐步温度增量分析与参变量变分原理的二次规划算法分别进行传热与接触两类问题的求解，通过两类问题的交替迭代求解达至！Ｊ耦合分析目的ｊ在热传导分析中建立了接触面热交换与温度关系模型，较已有文献的模型更为灵活，可以模拟间隙内介质的导热特性。参数二次规划算法导出的接触刚度阵中的惩罚因子，在热接触分析中同样可以消除，从而保证了求解精度。实际计算验证了算法具有很好的精度和收敛特性。

图３、三维弹塑性接触分析图４、青马大桥随机振动分析一虚拟激励算法３．３先进实用的结构优化方法

ＣＡＥ主要包括产品性能的分析仿真与优化设计，其高端技术是优化设计，是工业装备和产品数字化创新设计与精细化设计的核心技术，是提高企业核心竞争力的关键技术，是国防和军工装备研制的战略技术。

１）丞筮廑佥堑堂鲤堑簋洼。结构优化算法的效率依赖于结构响应灵敏度分析。因此，研究灵敏度分析半解析算法的计算格式和精度问题具有重要意义。半解析算法中，将灵敏度分析问题转化为拟荷载下的结构有限元分析问题，其中可以利用直接分析中，已经完成分解的刚度阵进行求解，因而具有较高效率。周时，该方法在单元级刚

度阵导数计算中采用差分法，可以适用于不同类型的设计变量。目前，半解析算法已

④

软件产业状况／ＣＡＥ自主创新发展战略热以及相变传热的温度场优化设计模型和数值求解方法，适合于多种设计变量，并可处理热控和参数反演问题。

５）提出了结构瞬态动力响应灵敏度计算的精细积分方法、结构随机响应的灵敏度计算方法、机械荷载与热载荷的屈曲灵敏度耦合计算方法、复合材料层合板的分层优化方法等系列新算法，实现了结构动力响应、随机振动响应、屈曲稳定性等多种，｜生能指标和约束的组合结构优化设计。

６）三缝叁麴丝堑丛垡丝友洼！目前有限元模型描述方法一般为静态的或准动态的，不能很好地适应现代产品设计的动态特性，如修改与重分析的要求，严重地削弓马了设计的自动化程度和设计效率的提高。特别地，在结构形状优化设计领域，已有的各种建模方法对于三维实体结构都十分困难以至于无法实际应用。参数化ＣＡＤ／ＣＡＥ软件集成，是当前ＣＡＥ领域的一项新技术，它将ＣＡＤ的参数化设计技术扩展到ＣＡＥ计算，可以实现基于几何特征的快速动态参数化计算。ＪＩＦＥＸ５．０中运用了参数化ＣＡＤ／ＣＡＥ集成技术和高效可靠的有限元网格剖分建模技术，基于参数化ＣＡＤ几何造型平台及其与ＣＡＥ集成，建立了设计参数、几何模型、有限元模型、优化模型之间的高效参数联动，提出了参数化动态有限元模型描述和自动更新方法，从而实现了三维实体和曲面结构的参数化形状优化设计方法。这一方法解决了形状优化建模困难、与ＣＡＤ设计模型不一致的关键问题，为产品设计提供了通用的、高效率的优化设计技术。

在优化设计技术方面，ＪＩＦＥＸ软件系统中实现了结构与装备的动力响应性能优化设计、热结构耦合系统的热传导性能优化设计、热力力学性能（热应力、热变形、

热屈曲、热振动）优化设计功能，并达到国际先进水平。

图５、三维参数化形状优化方法

④

软件产业状）．，９．／ＣＡＥ自主创新发展战略?）【）【实验室舱体选型结构优化设计，上海航天局８０５研究所

?）（）（飞机机翼结构分析与优化设计，南昌飞机公司

?飞机钛合金波形梁结构优化设计，航空工业总公司６０１所

?复合材料层合板分层优化设计，航空工业总公司６２３所

图６、离心压缩机结构分析与优化（２００５）?图７、３０万吨油轮上甲板吊运方案（２００１）

图８、电除尘设备结构分析与优化（２００５）图９、卧式车床结构优化（２００４）

图１０、大连国际贸易大厦分析（２００３）图１１、新型铁道双层集装箱平车的车体结构优化设计（２００２）

④

Ｃ．Ａ．Ｅ自主创新发展战略＼软件产业状况

图１２、神舟×号飞船返回舱整体与部件结构分析与优化设计（２００４—２００５）

１３、通讯卫星中心承力筒与整体结构优化设计（２００２吨００３）图１４、××实验舱结构分析与优化设计（２００６）

图１５、对接机构：对接框（左）与对接环（右）结构分析与优化设计（２００６）

图１６、飞船法兰盘与丝杠的三维参数化形状优化设计（２００６）

函函

＼、——／