CAE有限元分析軟件的比較

CAE有限元分析軟件的比較隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。例如分析計(jì)算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會(huì)發(fā)生破壞性事故；分析計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機(jī)葉片內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這些都可歸結(jié)為求解物理問題的控制偏微分方程式，這些問題的解析計(jì)算往往是不現(xiàn)實(shí)的。近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析(FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis)方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；增加產(chǎn)品和工程的可靠性；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本；在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自行車到航天飛機(jī)，所有的設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析計(jì)算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計(jì)和分析中將得到越來越廣泛的重視。國際上早20世紀(jì)在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十個(gè)版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的有限元分析系統(tǒng)。從那時(shí)到現(xiàn)在，世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。以下對一些常用的軟件進(jìn)行一些比較分析：1.LSTC公司的LS-DYNA系列軟件LS-DYNA是一個(gè)通用顯式非線性動(dòng)力分析有限元程序，最初是1976年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LawrenceLivermoreNationalLab.)由J.O.Hallquist主持開發(fā)完成的，主要目的是為核武器的彈頭設(shè)計(jì)提供分析工具，后經(jīng)多次擴(kuò)充和改進(jìn)，計(jì)算功能更為強(qiáng)大。此軟件受到美國能源部的大力資助以及世界十余家著名數(shù)值模擬軟件公司(如ANSYS、MSC.software、ETA等)的加盟，極大地加強(qiáng)了其的前后處理能力和通用性，在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的使用。在軟件的廣告中聲稱可以求解各種三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等接觸非線性、沖擊載荷非線性和材料非線性問題。即使是這樣一個(gè)被人們所稱道的數(shù)值模擬軟件，實(shí)際上仍在諸多不足，特別是在爆炸沖擊方面，功能相對較弱，其歐拉混合單元中目前最多只能容許三種物質(zhì)，邊界處理很粗糙，在拉格朗日一一歐拉結(jié)合方面不如DYTRAN靈活。雖然提供了十余種巖土介質(zhì)模型，但每種模型都有不足，缺少基本材料數(shù)據(jù)和依據(jù)，讓用戶難于選擇和使用。MSC.software公司的DYTRAN軟件當(dāng)前另一個(gè)可以計(jì)算侵徹與爆炸的商業(yè)通用軟件是MSC.SoftwareCorporation（MSC公司）MSC.DYTRAN程序。該程序在是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷蘭PISCESINTERNATIONAL公司開發(fā)的PICSES的高級流體動(dòng)力學(xué)和流體一一結(jié)構(gòu)相互作用功能，還在PISCES的歐拉模式算法基礎(chǔ)上，開發(fā)了物質(zhì)流動(dòng)算法和流固耦合算法。在同類軟件中，其高度非線性、流一固耦合方面有獨(dú)特之處。MSC.DYTRAN的算法基本上可以概況為：MSC.DYTRAN采用基于Lagrange格式的有限單元方法（FEM）模擬結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，用基于純Euler格式的有限體積方法（FVM）描述材料（包括氣體和液體）流動(dòng)，對通過流體與固體界面?zhèn)鬟f相互作用的流體一結(jié)構(gòu)耦合分析，采用基于混合的Lagrange格式和純Euler格式的有限單元與有限體積技術(shù)，完成全耦合的流體-結(jié)構(gòu)相互作用模擬。MSC.DYTRAN用有限體積法跟蹤物質(zhì)的流動(dòng)的流體功能，有效解決了大變形和極度大變形問題，如：爆炸分析、高速侵徹。但MSC.DYTRAN本身是一個(gè)混合物，在繼承了LS-DYNA3D與PISCES的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，也繼承了其不足。首先，材料模型不豐富，對于巖土類處理尤其差，雖然提供了用戶材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，難于將反映材料特性的模型加上去；其次，沒有二維計(jì)算功能，軸對稱問題也只能按三維問題處理，使計(jì)算量大幅度增加；在處理沖擊問題的接觸算法上遠(yuǎn)不如當(dāng)前版的LS-DYNA3D全面。HKS公司的ABAQUS軟件ABAQUS是一套先進(jìn)的通用有限元系統(tǒng)，也是功能最強(qiáng)的有限元軟件之一，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)。ABAQUS有兩個(gè)主要分析模塊：ABAQUS/Standard提供了通用的分析能力，如應(yīng)力和變形、熱交換、質(zhì)量傳遞等；ABAQUS/Explicit應(yīng)用對時(shí)間進(jìn)行顯示積分求解，為處理復(fù)雜接觸問題提供了有力的工具，適合于分析短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)事件，但對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3DADINAADINA是一個(gè)古老的有限元軟件，有一些很老的版本，它們只有基本的計(jì)算功能，沒有前后處理。用它算題，必須自己手工建模，現(xiàn)在看來這些實(shí)在是太落后了，但是，重要的一點(diǎn)是它有源代碼。有了源碼，就可以對程序進(jìn)行改造，滿足特殊的需求。其實(shí)國內(nèi)對ADINA的改造還是很多的，比如將等帶寬存儲(chǔ)改為變帶寬存儲(chǔ)，將元素庫從整個(gè)程序中分離出來，可以有選擇的將將元素編譯連接到程序中。還有的在程序中加入了自己的材料本構(gòu)關(guān)系，也有在元素庫中加進(jìn)了新的單元等等。經(jīng)過這些改進(jìn)，程序的功能得到了擴(kuò)展，效率得到了提高，更重要得是在一定程度上具有了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。ANSYS和NASTRAN因?yàn)楹蚇ASA的特殊關(guān)系，mscnastran在航空航天領(lǐng)域有著崇高的地位。而ANSYS則在鐵道，建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。盡管目前，ANSYS已發(fā)展了很多版本，其實(shí)它們核心的計(jì)算部分變化不大，只是模塊越來越多。比如5.1沒有l(wèi)sdyna，和cad軟件的接口，到了5.6還有疲勞模塊等等。其實(shí)這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，就是把別人的東西買來集成到自己的環(huán)境里。NASTRAN最早是用的forwindows2.0。是nsatranv68集成在femap5里°nastran的求解器效率比ansys高一些。有一個(gè)算例可以說明，20000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，D版的ansys56建模，用femap7.0轉(zhuǎn)成nastran的dat文件，靜力計(jì)算及前5階的線性頻率，結(jié)果ansys56在PIII450上所用的時(shí)間和D版的nastran707在賽楊400上用的時(shí)間相當(dāng)，內(nèi)存都是128M，全部選項(xiàng)都是缺省的，nastran用子空間迭代法求頻率，ansys沒仔細(xì)看，計(jì)算的結(jié)果倒是沒什么大的差別。其他還有一些軟件例如sap，algor,cosmos等，只是影響比較小。還有一點(diǎn)值得說明，目前的有限元軟件，求出的位移結(jié)果都很準(zhǔn)，可應(yīng)力就不太一樣了，這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，大家可以討論。5ANSYS和NASTRAN因?yàn)楹蚇ASA的特殊關(guān)系，mscnastran在航空航天領(lǐng)域有著崇高的地位。而ANSYS則在鐵道，建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。盡管目前，ANSYS已發(fā)展了很多版本，其實(shí)它們核心的計(jì)算部分變化不大，只是模塊越來越多。比如5.1沒有l(wèi)sdyna，和cad軟件的接口，到了5.6還有疲勞模塊等等。其實(shí)這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，就是把別人的東西買來集成到自己的環(huán)境里。NASTRAN最早是用的forwindows2.0。是nsatranv68集成在femap5里°nastran的求解器效率比ansys高一些。有一個(gè)算例可以說明，20000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，D版的ansys56建模，用femap7.0轉(zhuǎn)成nastran的dat文件，靜力計(jì)算及前5階的線性頻率，結(jié)果ansys56在PIII450上所用的時(shí)間和D版的nastran707在賽楊400上用的時(shí)間相當(dāng)，內(nèi)存都是128M，全部選項(xiàng)都是缺省的，nastran用子空間迭代法求頻率，ansys沒仔細(xì)看，計(jì)算的結(jié)果倒是沒什么大的差別。其他還有一些軟件例如sap，algor,cosmos等，只是影響比較小。還有一點(diǎn)值得說明，目前的有限元軟件，求出的位移結(jié)果都很準(zhǔn)，可應(yīng)力就不太一樣了，這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，大家可以討論。另外，從發(fā)展上來說，國際上數(shù)值模擬軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征由二維擴(kuò)展為三維早期計(jì)算機(jī)的能力十分有限，受計(jì)算費(fèi)用和計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存能力的限制，數(shù)值模擬程序大多是一維或二維的，只能計(jì)算垂直碰撞或球形爆炸等特定問題。隨著第三代、第四代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，才開始研制和發(fā)展更多的三維計(jì)算程序?，F(xiàn)在，計(jì)算程序一般都由二維擴(kuò)展到了三維，如LSDYNA2D和LSDYNA3D，AUTODYN2D和AUTODYNA3D，但也有完全在三維基礎(chǔ)上開發(fā)的，如MSC.DYTRAN，就沒有二維功能。從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場問題數(shù)值模擬分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。近年來數(shù)值模擬方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問題。例如內(nèi)爆炸時(shí)，空氣沖擊波使墻、板、柱產(chǎn)生變形，而墻、板、柱的變形又反過來影響到空氣沖擊波的傳播.....這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂''流一固耦合”的問題。從單一坐標(biāo)體系發(fā)展多種坐標(biāo)體系數(shù)值模擬軟件在開始階段一般采用單一坐標(biāo)，或采用拉格朗日坐標(biāo)或采用歐拉坐標(biāo)，由于這兩種坐標(biāo)自身的缺陷，計(jì)算分析問題的范圍都有很大的限制。為克服這種缺陷，采用了三種方法，一是兩個(gè)程序簡單組合，如CTH—EPIC，爆炸與侵徹由不同的程序分開計(jì)算；二是在同一程序中采用多種坐標(biāo)體系，如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐標(biāo)，而LSDYNA3D的最新版除原有類型外，新加了歐拉方法以及拉格朗日與歐拉耦合方法，而最近幾年才發(fā)展的DYTRAN則是拉格朗日型的LSDYNA3D（1988版）與歐拉型的PISCES的整合體；三是采用新的計(jì)算方法，如SPH等，SPH法不用網(wǎng)格，沒有網(wǎng)格畸變問題，所以能在拉格朗日格式下處理大變形問題，同時(shí)，SPH法允許存在材料界面，可以簡單而精確地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的本構(gòu)行為，也適用于材料在高加載速率下的斷裂等問題的研究。由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。諸如巖石、土壤、混凝土等，僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性數(shù)值算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此，近年來國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資，開發(fā)了諸如LSDYNA3D、ABAQUS和AUTODYN等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫。增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能早期數(shù)值模擬計(jì)算軟件的研究重點(diǎn)在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個(gè)包含10萬個(gè)方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但如果用手工方式來建立這個(gè)模型，然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時(shí)間?？梢院敛豢鋸埖卣f，工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問題時(shí)有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上［14］。因此目前幾乎所有的商業(yè)化數(shù)值模擬程序系統(tǒng)都有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強(qiáng)調(diào)''可視化”的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUI（圖形用戶界面一GraphicsUserInterface），使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。與CAD軟件的無縫集成與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和數(shù)值模擬軟件環(huán)境中快捷地解決一個(gè)在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如AutoCAD"onclick="tagshow（event）"class="t_tag">AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等）的接口。工作平臺(tái)多樣化早期的數(shù)值分析軟件基本上都是在大中型計(jì)算機(jī)上開發(fā)和運(yùn)行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（EWS，EngineeringWorkStation）上，它們的共同特點(diǎn)都是采用UNIX操作系統(tǒng)。PC機(jī)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復(fù)雜工程分析的夢想成為現(xiàn)實(shí)。但是早期的PC機(jī)采用16位CPU和DOS操作系統(tǒng)，內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制，因此當(dāng)時(shí)計(jì)算模型的規(guī)模不能超過1萬階方程。MicrosoftWindows操作系統(tǒng)和32位的IntelPentium處理器的推出，為PC機(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺(tái)。因此當(dāng)前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Windows平臺(tái)上。最新高檔PC機(jī)的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。為了將在大中型計(jì)算機(jī)和EWS上開發(fā)的有限元程序移值到PC機(jī)上，常常需要采用Hummingbird公司的一個(gè)仿真軟件Exceed。這樣做的結(jié)果比較麻煩，而且不能充分利用PC機(jī)的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如ANSYS、MSC.software等開始在Windows平臺(tái)上開發(fā)有限元程序，大多采用了OpenGL圖形編程軟件，同時(shí)還有在PC機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開發(fā)的有限元程序包。h.軟件開發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合由于數(shù)值軟件的開發(fā)是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)，開發(fā)一個(gè)通用軟件是十分困難的，各家開發(fā)的軟件由于應(yīng)用背景的不同而各有千秋，隨著數(shù)值模擬軟件商業(yè)化的進(jìn)展，各數(shù)值模擬軟件公司為擴(kuò)大市場，追求共同的利潤，出現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的局面。典型的如ANSYS與LSDYNA3D聯(lián)合，MSC.software軟件公司對ABAQUS、LSDYNA3D及PISCES等的購買。再談一下國內(nèi)的發(fā)展情況和前景1979年美國的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計(jì)算工程問題的高潮。這個(gè)高潮一直持續(xù)到1981年ADINA非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，一時(shí)間許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開始認(rèn)識(shí)到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的重要工具。但是當(dāng)時(shí)限于國內(nèi)大中型計(jì)算機(jī)很少，大約只有杭州汽輪機(jī)廠的Siemens7738和沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠的IBM4310安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費(fèi)用昂貴°PC機(jī)的出現(xiàn)及其性能奇跡般的提高，為移植和發(fā)展PC版本的有限元程序提供了必要的運(yùn)行平臺(tái)?？梢哉f國內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺(tái)做文章。在國內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶（100家以上）的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4.等。但正如上面所述，國外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對PC平臺(tái)不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對國內(nèi)FEA程序開發(fā)者來說發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢，而以后應(yīng)該從下面幾方面加以努力：研究開發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的FEA程序經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在研究的前沿問題是流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問題。由于國內(nèi)沒有類似功能的商