一个可以辅助编写有限元程序与开发有限元软件的工具

有限元程序自动生成系统FEPG(FiniteElementProgramGenerator)为有限元分析和计算机辅助工程分析（CAE）软件平台，FEPG软件创始人梁国平先生是中国科学院数学研究所的计算数学专家，于1990年研制成功“有限元程序自动生成系统”，并于1995年获国家科技进步二等奖。用户只需输入有限元方法所需的各种表达式和公式，即可由FEPG自动产生所需的全部有限元计算的源程序，包括单元子程序，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和统一性。FEPG的开发思想是采用元件化的程序设计方法和人工智能技术，根据有限元方法统一的数学原理及其内在规律，以类似于数学公式推理的方式，由微分方程表达式和算法表达式自动产生有限元源程序。FEPG适用于求解各种领域的各种工程与科学的有限元问题，突破了目前通用有限元程序只用于特定领域和特定问题的限制。广泛应用于石油化工，机械制造，能源，汽车交通，铁道，国防军工，电子，土木工程，造船，生物医学，轻工，地矿，水利，航空航天，日用家电等工业部门，尤其适合于各类学科的科学研究，也非常适合于高校进行有限元教学。软件界面软件功能介绍：单元子程序自动生成系统自动产生计算单元刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵和单元荷载向量的单元子程序。本系统允许有任意多个未知函数、任意多个广义位移、任意阶插值多项式、任意维数空间、任意阶（不超过四阶）偏微分方程组（包括非对称）。用户只需输入变分（虚功）表达式，坐标变换表达式即可得到单元子程序。全部名字（如：未知函数、广义位移、坐标变量等）皆可按用户习惯自行规定。除此之外，本系统还提供了常用的公式库，用户可直接调用这些公式。对库中没有的公式还可利用本系统提供的公式生成程序自动产生。算法程序自动生成系统按照用户给出的对应于线性化和时间离散化后的代数方程组的矩阵表达式及右端项表达式自动产生算法主程序；按照后处理表达式自动产生算法后处理计算程序，为计算非稳态和非线性耦合问题提供了强有力的工具。耦合场程序自动生成系统对于各种不同类型的偏微方程、任意的耦合方式，都可自动生成其全部有限元程序，可由用户设计耦合场的计算流程。有限元图形交互系统（FEPG.GID）FEPG的前后处理器FEPG.GID采用类似于CAD的操作模式，用户在使用FEPG.GID创建复杂模型问题时，会感受到前所未有的方便和轻松。它易于操作、方便灵活、直观便捷。FEPG.GID是一个通用、方便、友好的在科学和工程领域进行计算分析的前后处理系统，我们的有限元软件系统整合了FEPG.GID后，前后处理功能得到了很大的加强。有限元软件系统与FEPG.GID之间相互传递数据，产生FEPG.GID的前处理菜单及数据存储格式，FEPG.GID可以生成有限元软件分析计算所需的模型数据文件，有限元软件系统计算后所生成的结果文件即为后处理文件，由FEPG.GID读入后进行数据结果的图形显示和操作。FEPG.GID具有图形交互的可操作性，并且可以处理及可视化数值模拟的前后处理数据。它包括几何模型的建立，边界条件的施加，有限元网格划分，以及其他的一些参数的输入。并且可以进行数值计算结果数据可视化的后处理操作。丰富的数值模型库目前，有限元程序自动生成系统提供八种数值模型库，包括结构、强度、刚度、模态、传热、疲劳等八种公式库模块，基本覆盖了固体、结构、流体、传热、电磁学及多物理场耦合等领域研究的主要问题。界面操作简洁，算例丰富，支持用户添加、编辑自定义公式方程，满足企业用户直接使用，为企业的科研创新助力。最本质的多物理场仿真平台FEPG问题求解环境的特点决定了它在求解领域上不受限制的优势。一般说来，只要是有限元方法的应用领域，就可以应用FEPG。目前，在固体力学、传热传质学、电磁学、CFD等学科领域都有FEPG的成功应用案例。由于FEPG系统对于并行计算和高性能计算的支持，目前它已经成为最灵活、功能最强大的多物理场耦合仿真平台。FEPG认为，求解多物理场耦合的本质就是求解偏微分方程组。但是由于各个物理场的物理属性的本质差异，一般情况，每个PDE所对应的数值求解方法往往存在实质的差异。FEPG的多场耦合功能最大限度地发挥了各种算法的优势，并在以下几个方面形成了完美耦合——面向偏微分方程编写有限元文件，每个方程对应其唯一的算法——程序统一，计算模拟环境统一——便捷的数据耦合描述——组件间有简单、统一的数据接口软件应用领域固体力学固体力学是研究可变形固体在载荷、温度、湿度等外界因素作用下，其内部质点的位移、运动、应力、应变和破坏等规律的学科。其研究内容包括线性和非钱性的弹性问题、塑性问题和弹塑性问题。当然固体力学研究并不限于宏现力学分析，也对物质微观钻构及其运动规律的研究同材料的宏观性质联系起来。流体力学流体力学主要研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律，在航空航天、船舶、汽车、水文地质、环保、生物工程等科学技术及工程中目有重要的应用价值。传热学传热学研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间的热量传递规律。传热不仅是常见的自然现象，而目广泛存在于工程技术领域。软件在解决电子工业、热处理过程、铸造加工、材料的热处理和生物等工程中遇到的实际问题中发挥了很大的作用。电磁学电磁学以力学为基础，以实捡事实为依据，以场的观点，采用适量代数和矢量分析方法去研究电磁场与带电粒子的相互作用基本规律和在生产实践中的一些应用。目前电磁学的应用和发展主要有两个方面：一是在解决工程技术应用方面；二是在理论基础研究方面。石油工程随着现代社会对石油资源需求的快速增长，国际石油资源日益紧缺，采用新的技术发现石油资源、如何高效开发和利用石油资源是人们所关心的重大课题。无论是上游的勘探开发，还是中游的油田开采，以及下游的石油炼化加工等环节均在利用数值模拟技术进行辅助分析和设计。可以说，以有限元、有限差分、有限体积为代表的CAE技术已经渗透到石油工业的方方面面。随着找油、采油难度的与日俱增，石油工业对数值模拟提出了更艰巨的挑战，比如，用新的成油理论进行模拟，发现油田新“大陆”，降低勘探风险；三次采油工艺的多相多场模拟；特殊地质条件下的油藏模拟；特殊地质条件下流体固体相互作用；高原条件下的勘探开发工艺模拟；海洋石油地质条件下的石油开采模拟等。总的来说，新的计算模型和计算方法，考虑多个物理量相互作用的时空演化，这些都是现有的模拟手段需要发展和完善的方向，以适应行业复杂的计算模拟需求。智仿神州以石油工程角度出发也提供非常便利、灵活的应用方式解决工程实际问题。地球科学地球科学研究广泛的地质现象，包括地球内部的温度分布；地磁场的起源、架构和变化；大陆地壳大尺度的特征，诸如断裂、大陆缝合线和大洋中脊等。现代地球物理学研究廷伸到地球大气层外部的物理现象，包括电离层电机效应、极光放电和磁顶层电流系统，甚至延伸到其他行星及其卫星的物理性质等等。地球科学的诸多问题都因研究对象很少能直接观察。结论主要是根据物理测量的数学解释得出。智仿神州从数学角度出发，为地球科学研究。多物理场耦合多场耦合是能够最大程度体现解决问题的真实工况。是数值模拟软件发展的未来。真实的物理世界是一个多场耦合的世界。多场耦合计算是一个很复杂的过程，解决途径基本上分为多场直接耦合和多个场顺序耦合。一般情况下，两种耦合都采用数值模拟方法实现。无仑是从学术研究角度出发，还是从实际工程计算角度出发，采用直接耦合是最值得信赖的多场耦合计算方法，也是最接近真实的计算方法。目前的商用数值模拟软件解决多场耦合问题多采用顺序耦合，将研究对象的多个物理场人为的拆分为多个单物理场。先完成单个场计算，在时时间和空间上进行数据交换，实现多场耦合。