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FEPG采用元件化思想和有限元语言这一先进的软件设计,是解决各种领域、各方面问题的有限元求解的极其有力的工具。
使用FEPG软件可以由计算机自动产生FORTRAN程序,突破了目前有限元软件系统只适用于特定领域和特定问题的限制。用户只需输入有限元方法所需要描述的偏微分方程表达式,即可由FEPG系统自动产生所需的全部有限元程序。包括前处理程序、单元子程序、算法程序等,免去了大量的繁琐的有限元编程劳动,保证了程序的正确性的统一,为用户节省大量的时间和精力。
本系统适用于固体力学、流体力学、物理学、化学、生物学、地质学等各种领域
能求解各种通用有限元软件难以求解的多学科非线性耦合问题。
方便快捷的几何建模,性能卓越的网格生成,灵活丰富的图形输出。
二、 FEPG分析功能简介
⒈ 静力分析
静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段, 主要用来求解结构在与时间无关 或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中/分布静力、温度载荷、 强制位移、惯性力等)作用下的响应, 并得出所需的节点位移、节点力、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。FEPG可以灵活地添加各种材料模式,包括: 均质各项同性材料,正交各项异性材料, 各项异性材料,随温度变化的材料。在静力分析中除线性外, FEPG还可处理一系列具有非线性属性的静力问题, 主要分为几何非线性, 材料非线性及考虑接触状态的非线性,如塑性、蠕变、大变形、大应变和接触问题等。
2、热传导分析
热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性, 利用FEPG可以计算出结构内的热分布状况,并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。用户可通过改变发热元件的位置、提高散热手段、或绝热处理或用其它方法优化产品的热性能。
FEPG提供广泛的温度相关的热传导分析支持能力。 基于一维、二维、三维热分析单元, FEPG可以解决包括传导、对流、辐射、热控系统在内的热传导现象。
3、电磁场分析
电磁场决定电工设备和电磁物理装置的工作状态和性能,它的分析和计算是这些设备装置设计和优化的重要基础。由于有限元法的通用性和对特殊问题的适应性,最为广泛地被电磁场计算工作者所应用。但由于有限元计算程序的复杂性,使这种方法的普遍应用受到了严重阻碍。例如:
1、任何一个功能完善的有限元软件起码需花好几个人年的劳动才能完成。
2、商品软件在实际推广应用中还存在许多难以解决的问题:
① 通用性强的软件价格昂贵,并难以理解和掌握,需填写的数据也很多。而专用软件所能解决的问题又非常有限;
② 用户不能修改这些软件或加入程序以满足其特殊需要;
③ 这些软件没有统一文本,用户填写的数据对不同软件无通用性。
利用FEPG自动生成技术,用户只需输入有限元法所需的各种表达式和公式,即可自动产生所需的全部有限元程序。其优点是:
1、免除了大量的烦琐的编程工作;
2、并保证了程序的正确性和统一性。
因此,采用FEPG生成电磁场有限元计算程序,将能大大促进有限元法在该领域中的应用。本系统目前提供静电场、磁场、瞬态电磁场、时谐电磁场计算等。
如在基于TOSCA的大型变压器三维混合磁结构,屏蔽及热点模拟技术研究方面,fepg主要可以作以下工作:
① 大型变压器典型结构的三维有限元网格自动剖分。其剖分场域包括变压器三相铁芯,高低压绕组,外壳及屏蔽。FEPG可采用Delaunay方法和波前法,用三维四面体网格剖分计算场域,并可根据需要对其中任意部分自动加密。由于将以上两种方法进行巧妙结合,使网格生成迅速和高质量。
② 大型变压器典型结构的三维静磁场计算。利用矢量磁位计算了在铁芯部分,绕组部分以及油箱中的磁势分布和磁通密度分布。
③ 国际Workshop第二十一基准问题的涡流和损耗计算。FEPG采用组合网格法和复数矢量位计算了场域中的磁场分布,钢板中的涡流和损耗。在计算时采用粗、细两套网格,在最感兴趣的涡流区,在粗网格的基础上,采用细网格进一步计算,使该区域的计算精度大幅度提高。
4、强度分析
强度分析通常用来校验机械结构在应力边界条件或位移下的产品特性, 利用FEPG可以计算出机械结构内的应力分布状况,并直观地看到机械结构内应力、位移、应变分布。计算各点主应力、第三、第四强度强度理论、莫尔强度理论的折算应力结果。用户可以自定义输出应力,为工程设计提供所需的参考值。FEPG可以提供疲劳强度分析。FEPG提供广泛的机械结构相关的强度分析支持能力。材料模式用户可灵活定义;对非线性问题提供步长自动控制的迭代算法;支持几何非线性、物理非线性和接触非线性问题的求解。
以下为FEPG在强度分析方面两个案例的计算结果:
5、耦合场分析
FEPG在解决耦合场分析方面具有突出的优势,是现有有限元软件不可比拟的。FEPG可以快速准确地建立耦合问题的计算方法和计算程序;包括各物理场的耦合、场方程参量的耦合。耦合问题的求解计算方法是关键,FEPG可以根据方程的特点构造相应的计算方法,如处理对流占优问题的算法,处理不连续体接触的算法等。FEPG在流固耦合、热固耦合、电固耦合等方面均有成功应用。
6、接触计算
接触问题在工程和自然界中大量存在,如高速火车的弓网接触问题,带断层或裂缝的拱坝稳定性问题,地震震源破裂和滑坡问题等。其特点和难点是接触边界和接触力事先是未知的,当考虑摩擦滑动时,能量变分原理不再成立
高速火车弓网接触计算,FEPG采用了修正的实验误差法,拟高斯迭代法和修正的 Uzawa 算法求解接触问题。FEPG根据可能接触边界的分布特点,将求解区域分解成不同的子区域,引进拉格朗日乘子表示接触力,保证了各子区域的网格剖分和位移求解是完全独立的。利用区域分解算法大大提高了所求解的问题的规模。
7、流体力学问题
流体力学的计算是工程问题中带有普遍意义的问题。它的控制方程是navier-stokes方程。
使用FEPG系统可以很轻松地把该方程的虚位移形式写出来,并生成二维,三维的计算程序。现在FEPG系统在有限元求解Navier-stokes方程的基础上,增加了有限体积法模块,用于处理对流项。FEPG并行程序生成系统的出现也给大规模的流体计算提供了强有力的武器。 |
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