C语言与有限元程序设计.pdf-资料库

语言与有限元程序设计叶又戚燕上海交通大学国家模具工程中心上海以刀上海大学计算中心上海匹口刀本文通过与民件以入语言的比较 , 说明利用语言开发有限元程序的可行性。摘要结果表明 , 语言不但完全可以实现的语法功能 , 拥有更强大的实用编程环境 , 同时由于提供指针变量、动态内存分配函数和结构变量 , 使其编写的软件在维护性、可读性和内存利用效率方面具有明显的优势。文章最后还将语言与最近出现的 ’ 召作了简单比较。皿关健词语言有限元程序民入皿认卯淤 ‘ 丫劝了从“如“ 旅侧刀及砂袱涵呀 ‘旨公叮 , 肠叫加￡人洲份移更加奴 ”匆尸 , 从叫内葱创泊刃。肠叫妞吨 ‘冶留 , , 四甲湘伪自阶勿 , 腼卿‘ 滋 “刃刀加奴翻毗角阳祀朋详嗯袱印帅卜加班田 , 卯招涌曰币服双幻巧心倪丘开入班面山 , 此目曲犯“ 幻理加姗民如如 , 切山甲即详解面沈朋朋切叨助叭面卿别网刊 , 叨 , 比 , 兀珑 ” , 正山甲详即和叻切邵叮屹巧卿朋件如引言砰入是最早出现的高级编程语言之一。国际标准化组织先后推出了、以及最近的 ’川三种标准版本 , 至今已发展了三十余年 , 在科学计算领域有广泛的应用。当前有限元程序的源代码几乎清一色是由件沙入写成。而语言的发展仅有十几年 , 但却有一种后来居上的趋势 , 开始成为开发高质量软件的主要编程语言。目前收稿日期夕荀一一。叶又 , 博士 , 主要研究领域三维板料成形有限元数值模拟系统的开发。 · ·

在各种机型和各种操作系统上都运行有语言的编译器 , 提供了丰富的库函数和实用程序 , 以改善用户一程序界面 , 效率 , 并简化编程。本文的主要目的是通过与民入的比较 , 说明利用语言开发有限元程序的可行件认双刀的全部语法功能 , 它提供的指针数据类型实现了真正意义性。语言不但包容了上的内存动态分配。同时 , 合理有效地定义结构数据类型可大大增加程序可读性和维护效率。八是语言的最新标准版本。由于采用了新的计算机软件科学理论 , 其功能实际上已超过语言。作者对两者作了概要的比较 , 从实用的角度提供了一些建议。语言与的主要语法结构比较最初出现是用作操作系统的记述语言 , 发展之初一直作为“ 较低级语言 ”编写与硬件关系密切的底层软件。由于伏的成功和广泛使用 , 语言开始流行起来 , 并成为一种普遍使用的程序设计语言。由于两者产生的背景不同 , 它们是存在差异的。主要表现在函数的调用和参数的传递 , 特别是多维数组的处理方面不如 ’ 召直观和易于理解。 ’件召从一开始就用于科学计算 , 必须处理诸如矩阵一类的数学问题 , 多维数组是它的主要使用工具 , 而语言一开始主要是面向系统程序员的 , 在应用中很少会涉及多维数组。但这并不意味着在处理多维数组时会遇到很多麻烦。文【〕提供了利用指针数据类型处理多维数组及其在函数中传递的两种方法。利用这些方法可以方便地将 ’ 的数组操作移植成语言的。竹与一样 , 也是一种结构化的程序设计语言。结构化程序设计要求程序的逻辑结构有顺序、选择和循环三种基本结构 , 提供了编写结构化程序所需要的语句。同时 , 使用也便于进行模块化程序设计 , 程序由众多的函数组成 , 函数是进行模块化程序设计的的子程序功能相似。另外 , 还提供了较 ’ 认入丰富得多的运算符基本单位 , 与印和数据类型 , 甚至允许用户利用基本数据类型自己定义数据类型。的主要可执行语句与有明确的语句对应关系 , 并完成相应的功能 , 见表。表认入竹主要句法与语育的对应关系功功 , 曰曰石 … … 竹祝日日另】】刃二 , , 洲二 , 】】】此试 … 试 … 日阳二 , , , , 二研阻呢子程序名 … 类型函数名 … 侧】, 书 , … …… ” 花址以刃 … 。丫】抽比酗。过过

动态内存分配技术让我们先来研究一下利用八编写的有限元程序所使用最广的一种内存动态管理方法。该方法在程序一开始就在无名公共块中定义一个大数组 , 在程序不同运行阶段存放不同的内容。长心月让口刀二众刀』“ 日月卫妊月加一一矶服刃一一一一一 ’ 巧班任飞下侧汀幻巴汀芜巧加以兀刊 , 刀 , 义砚卯刃关赞蹄刃并岌】闻理 , , , , , , 即 · … 二二二二二二刊日刀州刃 , 闻荆 , 刀 , , , , 刃 , … 致印口叮卫 , 一 , 一压任〕亚洲夕于 , 卜 , 刃刃 , , , 由于数组的大小必须事先给定 , 为满足解题规模 , 会尽可能开得足够大。当求解一个较小问题时 , 它同样占据着很大的内存 , 无疑造成计算机资源的浪费 , 这种情况对于目前多任

务多进程的操作环境更为重要。同时 , 为了求解更大规模的问题 , 还必须调整数组的大小 , 重新编译源程序。实际计算间题的大小是很难确定的 , 利用上面方法编写的程序实际上在生成执行代码时就决定需要内存的数量。更一般的情况是 , 如果一个变量被指定为全局变量如上面的数组 , 则它在整个程序运行期间都占据存储单元。如果是自动变量和形参 , 则在其所在的子程序执行期间 , 它占有的存储单元也是不释放的。这种方法处理问题 , 缺乏灵活性 , 往往会浪费许多内存 , 不是真正意义上的动态内存分配。人们应该设想能否找到这样一种方法 , 根据需要临时分配内存单元以存放有用的数据 , 当数据不用时又可以释放存储单元。此后这些存储单元又可用来分配给其它数据或程序使用 , 语言使用指针数据类型和标准的动态内存管理函数可以非常方便地实现这一想法。。目 , 分配个变量的内存连续空间 , 每个变量字节大小是 , 吮。由于此函数类型说明时是故在使用时要强制转换为所用类型变量的指针。 , , 关帕补户 , ‘ , , 、的大小可根据解题的规模在程序运行时赋值。数组共占用个字节内存 , 夕共个字节内存。当数组、瞬不再需要时 , 它们占用的空间可简单地使用下面语句占用释放触阮释放指针变量、衅指向的存储空间 , 交还给系统分配它用。注意此时、解不能是任意地址 , 而只能是由。目函数所返回的地址 , 并且不能再被重新赋值 , 否则将引起内存管理混乱。利用结构数据类型增加程序的可读性语言通过使用结构数据类型把一组不同类型的数据同时又是在逻辑上相关的数据组成一个有机的整体 , 以便于引用。有助于提高程序的可读性和加快程序开发的效率。鱿阂以叨 , 节点序号压坦 , , ‘ 节点坐标 ‘ 月朋山 , 叮 , ‘山丘 , 听 , ‘ ‘ 节点位移 , , 节点约束情况 , 二司二节点信息日位 , 司、 , 单元序号 , 二以山阴浏肠二节点序号指针二单元节点数 ,

沐翻坦日 , 签高斯积分点数朴二单元信息二功创显然很难有效地管理以上例子中有关结点和单元等类型的数据 , 它只能使用一大堆数组或变量去分别描述它们 , 过多的毫无规律的名字无疑给编写和阅读程序造成了困难。语言与刀尤和巧年 , 仟认卯被国际标准化组织功能和先进性方面都有突破性进展 , 吸收了巧认可 , 并正式公布。与功八相比 , 在、语言的长处 , 提供动态内存分配功能工陀彭语句、指针变量、结构类型 , 并允许用户自己定义数据类型 , 增强了程序设计的可读性和易维护性。同时还大大发展了 ’ 八语言原有的数值计算优势 , 主要表现在对数组的处理上。如引进了数组直接运算、数组取函数、数组直接赋值、数组与标量运算等概念。使数组的运算从繁琐的对数组元素的运算中解脱出来 , 大大简化了程序的编写 , 也为以后大型机平行算法准备了条件。如对、、三个形状相同的数组 , 一条简单的语句二的功能确实要比语言强。即可实现二个数组的求和。在数值计算方面 , 在程序设计语言的发展过程中 , 皿创语言被认为是科学计算的专用语言 , 认也不例外。近年来 , 随着计算机软硬件技术的发展 , 数据结构、数据库管理技术、可视化与计算机图形学、用户接口、系统集成以及人工智能等领域的成果被逐渐应用到有限元软件中 , 有限元程序设计并不仅仅局限于单一的科学计算 , 需要涉及众多的软件开发领域。毫无疑问 , 如却很难实现。另一方面 , 从软件的编程环境来看 , 目前创的编译器极少 , 只有在少数高性能图形工作站、大型机、巨型机上开发出的专用系统。而语言的编译系统相当普及 , 可以运行在各种机型上 , 便于实现跨平台的软件系统集成。语言可以提供这类软件开发所需的功能 , 而用相比而言 , 如果纯粹考虑数值计算能力 , 砰丹更强。但考虑到今后各种软件技术与有限元程序的集成 , 语言是比较明智的选择。算例分析为了比较 , 我们对文献〔提供的、内存一致的语言程序。在入程序进行了翻译修改 , 编制了结构功能基本的微机上进行计算比较 , 见表表与灿入万源代码、执行代码和解题规模的比较源源代码码人人入一编译器器幻玉刀」记从月礴创知一入 , 一 ’ 入入由硬盘大小决定由公共区数组的大小决定。源文件大小小执行代码大小小肠〔政解题规模模日仪】自由度度无限制以力自由度度无限制

分月沪门七匕,翔工 ,卜人‘卜比较以上四种情况我们发现 , 与只在源文件大小基本相当时 , 执行文件代码却相差很大 , 这主要是因为用功编程时 , 必须考虑到求解问题的最大规模 , 预先开好一个大数组 , 执行文件的大小在很大程度上是由这个数组的大小决定的。而语言提供的指针数据类型和动态内存分配函数在程序运行时根据解题规模动态地分配内存大小 , 无须预先留出空间。在计算时间方面 , 对于同样的可计算问题小于以沁个自由度 , 四种环境大致相当 , 语小 , 装入内存更言稍快 , 与文献〔〕结论基本一致。这可能是由于的执行代码较快些所致。利用、一编译生成的执行文件 , 无法突破的翻常规内存的限制 , 解题规模较小。认可以利用硬盘模拟内存 , 大大提高了解题规模。刊日八环境利用功职汀的内存管理技术 , 解题可以直接利用计算机提供的所有常规和扩展内存进行计算 , 同时计算速度也有明显提高。对于仪心个自由度以上的问题 , 效率一般会高出几倍甚至几十倍。州最后对程序的移植性作一点说明 , 将须作任何改动 , 而从一的大小是必须变动的。八向源程序移植到环境时 , 程序无认移植时 , 为了增大解题规模 , 有若干数组盛由于目前的编译器主要是利用它的数组并行处理能力 , 多见于大型机、巨型机系统 , 不便进行比较。故文中无算例。结束语语言作为一种优秀的程序设计语言 , 已广泛用于开发各种实用程序。然而在数值计算领域 , 尤其是对有限元程序的开发使用甚少。追根求源 , 这其中历史的原因是不容忽视的。只语言也日趋成熟。当时出版的有限七十年代是有限元发展的黄金时代 , 与此同时元名著 , 如的记的司脚等。从理论到程序结构一直影响了以后的几代学者。名有限元软件都是从七十年代用印的角度 , 我们不应当也不可能重新用语言去改写如此庞大的软件包。最新推出的或砰丹队、、凡引下队等著发展起来的。从保护现有投资八版本虽然可以完全实现语言同样的功能 , 然而其软件开发环境和软件的集成性等方面都远不如语言 , 所以笔者认为语言仍然是最好的选择。九十年代兴起的面向对象的编程技术无疑给软件开发带来了新的方法 , 语言的后继者提供了支持面向对象的程序设计所有特征。如何利用编写面向对象的有限元程序是作者下一步的主要工作。参考文献〔谭浩强 , 语言程序设计 , 清华大学出版社 , 引〔油一翔即〔〕珑〔 ’‘ 。词。珊“ 一加加旧舫司。撇触眠〔〕沈彬 , , 场呼峨罗 , 币日资呀阁刀习城卯程序员编程指南 , 北京希望电脑公司 , 卯 , 。司 ‘ 溯 , 尹 ‘ , 伪呷 , , 一 , 期巧匆朋耐吧恤吧月哪 , 伪碑双加 , 柑 , 一 , ’

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