JIFEX

JIFEX系統是具有創新算法和自主版權的大型通用有限元分析和優化設計的集成化軟件系統，是大連理工大學工程力學系/工程力學研究所/工業裝備結構分析國家重點實驗室近三十多年研究開發應用的成果積累，也是國產有限元軟件產業發展中的重要進展。JIFEX的研發目的是開發具有先進實用的工業裝備結構優化設計功能的高性能CAE應用軟件，為裝備製造業提供功能先進、實用方便的自主產權CAE軟件。

JIFEX的突出特點是將有限元分析和優化設計合二為一，改變了CAE系統只能仿真分析不能優化設計的觀念，提升了CAE技術在整個設計流程中的地位，成為數字化產品創新設計的核心技術。在相當長時期內，JIFEX的多功能結構分析與優化設計核心技術處於國際領先地位，改變了先進國家對核心CAE技術在我國的絕對控制局面。

JIFEX研發的基礎是多層子結構分析程序JIGFEX、微機有限元分析軟件DDJ-W、計算機輔助結構優化設計軟件MCADS等，這些軟件曾在許多工業部門推廣應用並且發揮了重要作用。JIGFEX的發展始於二十世紀七十年代，是中國最早開發出來的有自主版權的大型通用有限元分析軟件，於1981年通過了由中國國家教育部組織的技術鑑定，其後投入工程應用，在運七飛機、氣墊船、直線粒子加速器、重慶長江大橋等許多重要工程結構設計分析中應用。在其後十幾年時間裏，JIGFEX軟件系統在應用中不斷髮展，並相繼發展了一批分支軟件，如微機通用有限元分析軟件系統DDJ-W、海洋石油平台設計分析軟件DASOS-J、高層建築結構設計分析軟件DASTAB、屈曲穩定分析軟件DDJTJQ、建築結構計算機輔助設計軟件FCAD、結構優化設計軟件DDDU、計算機輔助結構優化設計軟件MCADS、JIGFEX的微機版本JIGFEX－W以及結構與多孔介質相互作用動力學與滲流分析軟件DIASS等。堅持自主軟件研究開發和工程應用，近十多年來，JIFEX集成了這些軟件的功能並進一步發展，1995年在國家科委組織的“第二次全國自主版權CAD支撐軟件評測”中獲得有限元軟件類唯一的一等獎，1996年又獲國家“八五”科技攻關重大科技成果獎，1998年被列為863/CIMS目標產品發展計劃支持項目。1999年獲國家教育部科技進步二等獎，2005年獲遼寧省科技進步二等獎。現為第五個版本，既JIFEX5.0。JIFEX應用範圍覆蓋了航空、航天、機械、車輛、土木、建築、水利、電力、石化等各個工業領域。

JIFEX5.0適用於各種工程結構、工業裝備和機電產品的強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計。作為一個通用的有限元分析與優化設計軟件，JIFEX5.0具有前處理系統AutoFEM，後處理系統AutoGRAFE，有限元分析系統和優化設計系統四個子系統。四個子系統通過一個集成調度環境緊密聯繫在一起。

JIFEX的有限元建模前處理子系統AutoFEM，是基於AutoCAD/MDT的有限元建模軟件，實現了CAE/CAD一體化。AutoFEM具有全面的結構模型化能力，適用於處理各種複雜的結構模型。AutoFEM可直接利用幾何模型建立有限元計算模型；快捷靈活的多種有限元網格生成方法：2D/3D自由網格法（Delaunay和AFT方法）、映射法、掃描法、轉換法、編織法，可用於平面、曲面、三維實體的網格生成；交互式建立各種截面形狀及任意空間位置的框架結構模型；交互定義有限元模型屬性數據，包括材料特性、幾何特性、荷載、邊界條件等等；靈活的模型編輯與修改功能，包括平移、旋轉、拷貝、鏡像、刪除、陣列，單個節點與多個節點移動，屬性數據的刪除與更新等；提供了多種目標選取方式；有限元模型數據的顯示查詢；生成規格化的數據文件(Universal文件)，可轉化為IGES或其它標準交換文件。

JIFEX的結構有限元分析的功能有：靜力分析，包括熱應力計算、軸對稱結構和複合材料結構分析；動力分析，包括固有模態、頻率響應、時程響應、地震響應分析；屈曲穩定性分析，適用於杆、梁、板殼、複合材料板殼的組合結構；熱傳導分析，穩態與瞬態熱傳導、三類邊界條件的温度場計算；接觸分析，包括有摩擦、三維接觸、多體接觸、彈塑性接觸計算；彈塑性分析，適用於二維平面和三維塊體以及杆單元組成的結構。

結構優化設計技術是數字化設計與製造以及產品創新設計的重要核心技術，同時也是計算力學的一個重要研究方向。結構優化對提高產品、裝備、工程結構的設計水平、質量和性能、降低成本具有重要的意義。在CAE軟件系統中實現結構優化設計功能，有助於縮短產品設計週期、提高設計質量。在此背景下，結構優化設計模塊已成為某些大型CAE軟件的重要組成部分。

JIFEX的結構優化設計的功能有：梁、杆、膜、板、殼、塊體、軸對稱體單元組合結構的單元優化設計；結構的邊界形狀優化設計和構件佈局優化設計；複合材料層合板與夾層板結構的鋪層優化設計；結構強度、剛度、重量等靜態特性的優化設計。結構固有頻率和動態特性優化設計；結構的整體屈曲穩定性優化設計；多種目標的優化設計：減輕結構重量、降低應力水平、提高結構的剛度或柔性、改變固有頻率分佈、降低動力響應、提高結構失穩臨界載荷；人機交互式設計功能和靈活擴充優化設計功能的用户編程接口技術；結構性態對設計變量的靈敏度計算等。

JIFEX後處理子系統AutoGRAFE採用OpenGL圖形引擎設計，提供了有限元分析中需要的各種後處理功能，其中包括有限元模型圖、結構變形圖、三維模型消隱、體繪製、實體光照模型、等值線圖、應力彩色雲圖、結構振型及響應的動態圖形模擬等。各種圖形可在不同的窗口內顯示，也可在統一窗口內切換，操作方便。實時的圖形幾何變換功能，可對各窗口內圖形進行實時的旋轉、平移、縮放等各種幾何變換。方便的參數設置功能，通過在不同的控制卡片內設置相應的參數即可控制所顯示的內容、顯示的方式等。基於Windows系統的圖形打印功能，只要Windows支持的打印機均可打印。AutoGRAFE與JIFEX集成環境、前處理建模子系統以及結構分析/優化設計系統相結合，為用户提供了完整的CAE解決方案。

JIFEX5.0的總體功能和技術，達到了國際同類軟件的先進水平。在多功能實用化的結構優化設計、熱彈塑性接觸分析、CAD/CAE集成的參數化有限元建模、基於造型的三維實體和組合曲面網格剖分、跨平台統一圖形界面和體繪製計算可視化等方面體現出顯著的特色，達到國際先進水平。在技術水平、軟件功能和工程應用方面，均處於國內領先地位。

(1) 提出了基於黎曼度量張量的三維複雜參數曲面自適應網格生成的改進波前推進算法，為自適應網格生成、正交各向異性網格生成提供了一個統一的途徑。

(2) 針對閉合曲面網格剖分的難點問題，提出了節點遷移算法及基於數學規劃的虛邊界調節算法，顯著提高了閉合網格的質量，從根本上改進了算法適應性、可靠性。

(3) 提出了三維約束Delaunay三角剖分的邊界恢復算法和薄元分解法，解決了凹域邊界恢復和薄元處理這兩大難題，顯著提高了約束Delaunay三角剖分的網格質量。

(4) 將數學規劃和優化方法與網格生成方法相結合，使網格生成有了更加堅實的數學基礎與健壯可靠性。

(5) 研究開發了跨計算機平台的圖形環境技術，實現了圖形軟件開發和應用的靈活性。

(6)

研究開發了三維有限元數據場的體繪製可視化、矢量場可視化以及體繪製剖切技術，提供了先進的CAE計算可視化功能。

(1) 結構力學與控制理論的模擬理論。指出它們的數學基礎是相同的，即均對應對偶變量體系。將對偶變量體系應用於彈性力學，就改變了傳統求解思路，而導向理性求解方法。如將平面彈性的辛求解體系直接引入到板彎曲問題，形成了板彎曲的辛求解體系。採用平面彈性元的方法與列式，可構造高效實用的板單元。

(2) 基於狀態空間變量的精細時程積分法。既可用於初值問題，又可用於兩端邊值問題的積分。對於動力方程以及控制理論中的Riccati方程，精細積分法都給出了幾乎是計算機上的精確解。在JIFEX程序系統中，對於振型疊加法中形成的解耦的動力學方程以及瞬態熱傳導方程均採用精細時程積分法進行求解，取得了良好的效果。其中，對結構的瞬態分析，提出了動力分析增維精細積分方法，避免了複雜的矩陣求逆運算，具有計算精度和數值穩定性高的優點。在熱輻射邊界條件和材料物性參數與温度相關的非線性瞬態熱傳導問題中，將精細積分方法擴展到瞬態熱傳導問題求解，提出了精細積分結合預測－校正的高精度求解算法。

(3) 虛擬激勵算法。隨機振動理論框架已建立半個多世紀，但在工程中卻始終難以推廣。虛擬激勵算法對平穩/非平穩，完全相干/部分相干，均勻調製/非均勻調製激勵下各種隨機分析方法進行了系統更新。在獲得精確解的同時，對複雜問題計算速度比傳統方法顯著提高。該方法和相應程序已經在南京長江二橋、洞庭湖斜拉橋、東海大橋、新疆石門子拱壩、小灣拱壩、瀑布溝拱壩等國家級工程上成功地進行了抗震分析。

(4) 熱彈塑性接觸分析方法。考慮傳熱-接觸耦合作用的熱力學分析是富有挑戰性的課題，難點是必須考慮傳熱與可移動接觸邊界間的耦合作用。為此建立兩類變分方程：一類是熱力學變分泛函，其考慮了接觸區域對結構熱傳導的影響；另一類是二維熱彈性接觸分析的參數變分原理，可以方便地對接觸問題進行求解。在導出有限元分析的離散公式的基礎上，提出基於時域的逐步温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温度關係模型，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。

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製的戰略技術。

(1) 靈敏度分析半解析算法。結構優化算法的效率依賴於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採用差分法，可以適用於不同類型的設計變量。半解析算法已經應用於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於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-放鬆以及延拓、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。該研究成果於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。採用這一成果，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温度場和機械載荷聯合作用下，主要特點是研究結構中温度場和力學響應的耦合作用。這裏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於結構、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，關於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) 温度場優化方法。借鑑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、相變傳熱的温度場靈敏度計算方法和優化方法。對於線性熱傳導問題，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並克服了傳統時間差分算法中的數值振盪現象；對於非線性傳熱問題，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。對於相變傳熱問題，提出了基於等效熱容法的相變温度場靈敏度計算方法，克服了單一相變温度或小相變温度區間下的數值奇異問題。基於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温度場優化設計模型和數值求解方法，適合於多種設計變量，並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、複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。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於三維實體結構都十分困難以至於無法實際應用。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，可以實現基於幾何特徵的快速動態參數化計算。JIFEX5.0中運用了參數化CAD/CAE集成技術和高效可靠的有限元網格剖分建模技術，基於參數化CAD幾何造型平台及其與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，並達到國際先進水平。

JIFEX5.0在工業裝備和國防工業中取得一批應用成果。在瀋陽鼓風機集團等遼寧省裝備製造企業的透平機械、工業除塵器、特種水下器材等裝備產品優化設計中創造經濟效益達1億人民幣元以上。在XX飛船、通信衞星、XX武器等國家重大軍工裝備研製中，解決了關鍵技術問題，創造了重大經濟和社會效益。尤其是處理大規模梁、板、殼組合結構的優化設計問題，JIFEX相比其他CAE軟件有着獨特的自身優勢。以下是一些主要工程應用實例：

· SVK160離心壓縮機結構整體強度分析與優化設計，瀋陽鼓風機集團有限公司

· MCL系列離心式壓縮機機殼結構靜動力強度分析與優化設計，瀋陽鼓風機集團有限公司

· 8AS17型活塞壓縮機機體結構設計分析，大連冰山集團有限公司

· BDW285電除塵器結構分析與優化設計，鞍山除塵設備廠

· QHD FPSO船體上甲板吊運方案，大連新船重工船舶設計研究所

· 大連國際貿易中心結構方案計算分析，大連建築設計研究院

· CD6140A/1000卧式車牀結構優化設計，大連機牀集團公司

· 海上平台組塊吊點局部強度分析及結構型式研究，海洋石油工程股份有限公司

· 輥式磨搖臂結構分析，中天名仕科技集團公司

· 新型鐵道雙層集裝箱平車車體結構優化設計，中國鐵道科學研究院

· CB253海洋平台結構優化設計，中國船級社技術研究開發中心

· 無動力常規XX偽裝器材，XXXX基地裝備部

· 有動力常規XX偽裝器材，XXXX基地裝備部

· 有動力常規XX偽裝器材動力艙段，XXXX基地裝備部

· XX飛船返回艙減速傘主傘包衝擊動力強度分析，中國空間技術研究院508所

· XX飛船返回艙結構減重優化設計，中國空間技術研究院總體設計部

· XXX-X通信衞星結構優化設計，中國空間技術研究院總體設計部

· XX武器組合儀器艙體結構優化設計，中國運載火箭技術研究院總體設計部

· XX實驗室艙體選型結構優化設計，上海航天局805研究所

· XX飛機機翼結構分析與優化設計，南昌飛機公司

· 飛機鈦合金波形梁結構優化設計，航空工業總公司601所

· 複合材料層合板分層優化設計，航空工業總公司623所