Структура программного комплекса
Ядро программы
Ядром программы является "решатель", осуществляющий процедуру формирования разрешающей матрицы системы конечных элементов из матриц отдельных конечных элементов и после этого процедуру решения системы линейных алгебраических уравнений. Особенностью "решателя" является возможность решения физически и геометрически нелинейных задач методом последовательных приближений, в том числе с возможностью перестроения конечно-элементной сетки. При этом задачи могут рассматриваться в плоской, осесимметричной, пространственной постановке, с учетом изменения во времени. При разработке "решателя" был проведен детальный анализ различных алгоритмов решения задач линейной алгебры и выбраны наиболее эффективные методы, адекватные современному уровню развития вычислительной техники.
Графический редактор
Вторым компонентом программы является оригинальный графический редактор, представляющий собой систему создания пространственных конечно-элементных схем, которые могут изменяться во времени. Таким образом, пользователю предоставляется возможность работать в виртуальном четырехмерном пространстве-времени. Графический редактор построен таким образом, чтобы максимально упростить процедуру создания конечно-элементных схем и свести ее к визуально контролируемому процессу черчения в трехмерном пространстве. Он позволяет также осуществлять анализ результатов вычислений в удобной и наглядной форме (в виде изолиний, эпюр, графиков, деформированных схем и т. п.). Редактор разработан с использованием современных достижений в области трехмерной графики, используемой в настоящее время преимущественно в компьютерных играх.
Среда для разработки конечно-элементных моделей
Третьим компонентом программы является среда разработчика конечно-элементных моделей, которая позволяет создавать, тестировать и анализировать расчетные модели. Среда разработчика дает возможность пользователю создавать конечно-элементные модели, при этом от него практически не требуется знаний в области программирования. Практически все описание модели осуществляется на математическом языке.
В программе «FEM models» использованы традиционные подходы к моделированию работы надземных конструкций, ставшие привычными для проектировщиков. Более того, расчетные схемы, выполненные в таких популярных программах как SCAD, ЛИРА могут свободно конвертироваться в среду «FEM models». Это же относится и к чертежам, выполненным а программе AutoCAD.
Банк моделей
Наконец, четвертым компонентом программы является банк моделей, в котором хранятся конкретные конечно-элементные модели. При решении практических задач из этого банка выбирается адекватная модель. Конечный элементСтержнем программы, соединяющим в единое целое перечисленные компоненты, является структура универсального конечного элемента, позволяющего описать практически любую модель МКЭ. Описанный в рамках данной структуры конечный элемент может иметь неограниченное число различных степеней свободы в каждом узле (перемещения, ускорения, напоры воды, температуры и т. д.). Предусмотрено введение новых неизвестных в узлах элемента по усмотрению автора модели. В узлах могут присутствовать также силы или иного рода воздействия. Каждый элемент описывается определенным набором параметров, задаваемых пользователем при расчете, число которых определяется автором модели.
Автор модели при работе в среде разработчика заполняет описанную структуру универсального конечного элемента конкретной информацией о создаваемой им модели. Тем самым автор наделяет элемент определенным перечнем "знаний и умений", таких как способность формировать матрицу жесткости элемента, определять удобный способ визуализации на экране, вычислять внутренние усилия по полученным в результате решения перемещениям узлов и т. п. Заполненная описанным способом структура универсального конечного элемента превращается в конкретный конечный элемент, отвечающий предложенной автором модели, после чего автоматически встраивается в банк моделей и тем самым становится составной частью программы.Таким образом, с программой "FEM models" могут работать как ученые-разработчики моделей среды, так и пользователи-расчетчики, занимающиеся расчетами по готовым моделям.
Модели работы основания и сооружения
В настоящее время в рамках программы разработан ряд моделей, описывающих работу основания и сооружения.
Среди них:
• линейно и нелинейно упругие модели (изотропные, ортотропные, анизотропные среды), модели объемно несжимаемых сред;
• упруго-пластические модели (идеальная упруго-пластичность, шатровые модели);
• реологические модели;
• геометрически нелинейные модели сплошных сред;
• напорная и безнапорная фильтрация;
• стационарная и нестационарная задача теплопроводности;
• задачи термо-вязко-упруго-пластичности;
• модели структурно неустойчивых сред;
• задачи динамики сплошных сред;
В программе "FEM models" реализован принципиально новый подход к созданию конечно-элементных моделей.
Его отличительными чертами являются:
• прозрачность, то есть свобода доступа ко всем деталям реализации конкретной модели, а также математическая ясность самого описания модели для автора, пользователя и любого эксперта;
• открытость, то есть возможность пополнения программы новыми моделями;
• простота использования разработанных моделей для практических расчетов;
• отсутствие инерции в практическом использовании новейших научных разработок.
