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[理學]jifex---中國自主研發的有限元分析與優化設計軟件系統(編輯修改稿)

2026-02-14 12:49 本頁面

　

【文章內容簡介】式的基礎上，提出基于時域的逐步溫度增量分析與參變量變分原理的二次規劃算法分別進行傳熱與接觸兩類問題的求解，通過兩類問題的交替迭代求解達到耦合分析目的。在熱傳導分析中建立了接觸面熱交換與溫度關系模型，較已有文獻的模型更為靈活，可以模擬間隙內介質的導熱特性。參數二次規劃算法導出的接觸剛度陣中的懲罰因子，在熱接觸分析中同樣可以消除，從而保證了求解精度。實際計算驗證了算法具有很好的精度和收斂特性。圖三維彈塑性接觸分析圖青馬大橋隨機振動分析虛擬激勵算法先進實用的結構優化方法CAE主要包括產品性能的分析仿真與優化設計，其高端技術是優化設計，是工業裝備和產品數字化創新設計與精細化設計的核心技術，是提高企業核心競爭力的關鍵技術，是國防和軍工裝備研制的戰略技術。1) 靈敏度分析半解析算法。結構優化算法的效率依賴于結構響應靈敏度分析。因此，研究靈敏度分析半解析算法的計算格式和精度問題具有重要意義。半解析算法中，將靈敏度分析問題轉化為擬荷載下的結構有限元分析問題，其中可以利用直接分析中已經完成分解的剛度陣進行求解，因而具有較高效率。同時，該方法在單元級剛度陣導數計算中采用差分法，可以適用于不同類型的設計變量。目前，半解析算法已經應用于JIFEX程序系統中多種響應的靈敏度分析，顯示出效率和精度方面的優勢。2) 桁架結構拓撲優化設計的奇異最優解研究。對桁架結構拓撲優化設計的奇異最優解現象進行的深入研究，首次指出：所謂奇異最優解實際上是位于設計空間中某個低維子域的端點。這一論斷糾正了文獻中長期存在的錯誤，正確揭示了產生奇異最優解的根本原因。同時，還提出了處理結構拓撲優化奇異性問題的Epsilon放松以及延拓、外推等改進算法，從而成功地將結構尺寸和拓撲優化統一在了同一求解框架之下。該研究成果于2003年和2005年分別獲得教育部提名國家自然科學一等獎以及遼寧省自然科學一等獎。采用這一成果，可有效解決應力約束下桁架結構拓撲優化的數值困難。3) 熱結構優化方法。熱結構優化設計是在溫度場和機械載荷聯合作用下，主要特點是研究結構中溫度場和力學響應的耦合作用。這里研究工作在有限元離散模型下，提出了熱應力、熱屈曲、熱振動三類結構熱力力學響應問題的耦合靈敏度分析的直接法和伴隨法兩種計算模式，建立了三類傳熱結構響應耦合問題優化設計模型和求解方法。在結構響應與靈敏度計算中，考慮了線性和非線性熱傳導的耦合作用，優化模型和方法適合于結構、材料、熱傳導方程及熱邊界條件多種參數，能夠解決熱結構的尺寸優化、形狀優化、材料優化問題。其中，關于熱屈曲和熱振動靈敏度分析伴隨法的計算列式、結構熱振動的優化設計方法，均為JIFEX軟件系統支撐理論研究首次給出。4) 溫度場優化方法。借鑒結構優化中靈敏度分析方法，綜合考慮了結構尺寸、形狀、物性參數和熱傳導方程參數等多種變量，系統地研究了穩態、瞬態、相變傳熱的溫度場靈敏度計算方法和優化方法。對于線性熱傳導問題，研究了分別適合不同設計變量和約束數目的直接法和伴隨法兩種計算格式。在瞬態熱傳導靈敏度方程求解中，提出了新的精細積分求解算法，具有很高的數值精度并克服了傳統時間差分算法中的數值振蕩現象；對于非線性傳熱問題，提出了非線性熱傳導靈敏度方程的精細積分預測校正求解算法，提高了計算精度和數值穩定性。對于相變傳熱問題，提出了基于等效熱容法的相變溫度場靈敏度計算方法，克服了單一相變溫度或小相變溫度區間下的數值奇異問題。基于上述靈敏度分析方法，建立了線性和非線性穩態和瞬態傳熱以及相變傳熱的溫度場優化設計模型和數值求解方法，適合于多種設計變量，并可處理熱控和參數反演問題。5) 提出了結構瞬態動力響應靈敏度計算的精細積分方法、結構隨機響應的靈敏度計算方法、機械荷載與熱載荷的屈曲靈敏度耦合計算方法、復合材料層合板的分層優化方法等系列新算法，實現了結構動力響應、隨機振動響應、屈曲穩定性等多種性能指標和約束的組合結構優化設計。6) 三維參數化形狀優化方法。目前有限元模型描述方法一般為靜態的或準動態的，不能很好地適應現代產品設計的動態特性，如修改與重分析的要求，嚴重地削弱了設計的自動化程度和設計效率的提高。特別地，在結構形狀優化設計領域，已有的各種建模方法對于三維實體結構都十分困難以至于無法實際應用。參數化CAD/CAE軟件集成，是當前CAE領域的一項新技術，它將CAD的參數化設計技術擴展到CAE計算，可以實現基于幾何特征的快速動態參數化計算。，基于參數化CAD幾何造型平臺及其與CAE集成，建立了設計參數、幾何模型、有限元模型、優化模型之間的高效參數聯動，提出了參數化動態有限元模型描述和自動更新方法，從而實現了三維實體和曲面結構的參數化形狀優化設計方法。這一方法解決了形狀優化建模困難、與CAD設計模型不一致的關鍵問題，為產品設計提供了通用的、高效率的優化設計技術。在優化設計技術方面，JIFEX軟件系統中實現了結構與裝備的動力響應性能優化設計、熱結構耦合系統的熱傳導性能優化設計、熱力力學性能（熱應力、熱變形、熱屈曲、熱振動）優化設計功能，并達

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