軟件對(duì)比分析

COSMOS官方稱為“設(shè)計(jì)校驗(yàn)”，意思是偏重對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的檢驗(yàn)。實(shí)際操作起來，參數(shù)設(shè)定環(huán)境的加載都更傾向于模擬現(xiàn)實(shí)情況。而網(wǎng)絡(luò)劃分、幾何修正等環(huán)節(jié)基本上是可以讓它自動(dòng)完成的。當(dāng)然也可以更改而ansys則是一款老牌的CAE軟件，工程分析。更偏向于專業(yè)的工程應(yīng)用，需要獲得精確的分析結(jié)果。操作起來也十分專業(yè)，包括網(wǎng)絡(luò)劃分，幾何修正、幾何體的物理模型等都給與使用者更多的選擇，以便達(dá)到更加精確的效果。所以總的說來，COSMOS更適合設(shè)計(jì)人員使用，來初步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)缺陷。而Ansys則更加偏重專業(yè)分析人員來做工程分析。各種流行軟件比較：目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。以下為對(duì)這些常用的軟件進(jìn)行的比較和評(píng)價(jià)： LSTC公司的LS-DYNA 系列軟件LSDYNA長(zhǎng)于沖擊、接觸等非線性動(dòng)力分析。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(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Lab.)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。雖然該軟件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，但實(shí)際上它在爆炸沖擊方面，功能相對(duì)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——?dú)W拉結(jié)合方面不如DYTRAN靈活。2. MSC.software公司的 DYTRAN軟件 在同類軟件中，DYTRAN在高度非線性、流固耦合方面有獨(dú)特之處。MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷蘭PISCES INTERNATIONAL公司開發(fā)的PICSES的高級(jí)流體動(dòng)力學(xué)和流體結(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發(fā)展而來的。但是，由于MSC.DYTRAN是一個(gè)混合物，在繼承了LS-DYNA3D與PISCES優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也繼承了其不足。首先，材料模型不豐富，對(duì)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(duì)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)，屬于高端CAE軟件。它長(zhǎng)于非線性有限元分析,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大的復(fù)雜問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究，其系統(tǒng)級(jí)分析的特點(diǎn)相對(duì)于其他分析軟件來說是獨(dú)一無二的。需要指出的是，ABAQUS對(duì)爆炸與沖擊過程的模擬相對(duì)不如DYTRAN和LS-DYNA3D 。ADINA ADINA是近年來發(fā)展最快的有限元軟件，它獨(dú)創(chuàng)有許多特殊解法，如勁度穩(wěn)定法(StiffnessStabilization),自動(dòng)步進(jìn)法(AutomaticTimeStepping),外力-變位同步控制法(Load-DisplacementControl)以及BFGS梯度矩陣更新法，使得復(fù)雜的非線性問題(如接觸，塑性及破壞等),具有快速且?guī)缀踅^對(duì)收斂的特性，且程式具有穩(wěn)定的自動(dòng)參數(shù)計(jì)算,用戶無需頭痛于調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。另外值得一提的就是它有源代碼，我們可以對(duì)程序進(jìn)行改造，滿足特殊的需求。5. NASTRAN NASTRAN是大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，也是全球CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的原代碼程序。NASTRAN系統(tǒng)長(zhǎng)于線性有限元分析和動(dòng)力計(jì)算，因?yàn)楹蚇ASA（美國(guó)國(guó)家宇航局）的特殊關(guān)系，它在航空航天領(lǐng)域有著崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。 ANSYSANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，發(fā)展了很多版本，但是它們核心的計(jì)算部分變化不大，只是模塊越來越多，這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，而是把別人的東西買來集成到自己的環(huán)境里。ANSYS系統(tǒng)擅長(zhǎng)于多物理場(chǎng)和非線性問題的有限元分析,在鐵道，建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。AlgorALGOR屬于中高檔CAE分析軟件，在汽車，電子，航空航天，醫(yī)學(xué)，日用品生產(chǎn)，軍事，電力系統(tǒng)，石油，大型建筑以及微電子機(jī)械系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。它最大的特點(diǎn)是易學(xué)易用，界面友好，操作簡(jiǎn)單，這可以極大提高軟件應(yīng)用者在工程實(shí)際中的效率。COSMOSCosmos相對(duì)影響比較小，但Cosmos的最大特點(diǎn)是運(yùn)算速度快，這是其他軟件所不能比擬的°Cosmos的研發(fā)者將保證收斂的迭代法--又稱做快速有限元法導(dǎo)入COSMOS的產(chǎn)品之中，使新的有限元分析軟件對(duì)磁盤空間上的要求大幅降低，占用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存也大大減少，因此分析速度大幅加快，超越傳統(tǒng)甚多。有限元及有限元軟件的發(fā)展趨勢(shì)1.國(guó)際上有限元分析軟件的發(fā)展趨勢(shì)縱觀當(dāng)今國(guó)際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析軟件的一些發(fā)展趨勢(shì)：<1>與CAD軟件的無縫集成許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE軟件還為了實(shí)現(xiàn)和CAD軟件的無縫集成而采用了CAD的建模技術(shù)，如ADINA軟件由于采用了基于Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以Parasolid為核心的CAD軟件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。<2>更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性與否，近年來各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒有此功能。對(duì)于許多工程實(shí)際問題，在整個(gè)求解過程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分，人們也因此迫切希望有限元軟件自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。<3>由求解線性問題發(fā)展到求解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，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。為此國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。<4>由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題的求解有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用來求解線性結(jié)構(gòu)問題?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問題的求解。這就需要對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)和流場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂”流固耦合”的問題。由于有限元的應(yīng)用越來越深入，人們關(guān)注的問題越來越復(fù)雜，耦合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。<5>程序面向用戶的開放性隨著商業(yè)化的提高，各軟件開發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬別，不管他們?cè)鯓优σ膊豢赡軡M足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。<6> 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.DYTRANo <7>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(jiǎn)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(jiǎn)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。  <8>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。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(duì)用戶非常友好的GUI（圖形用戶界面一Graphics User Interface），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。 <9>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，Engineering Work Station）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(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。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，同時(shí)還有在PC機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開發(fā)有限元程序包。 <10> 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(zhǎng)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(chǎng)，追求共同的利潤(rùn)，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(duì)ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的購買。2.國(guó)內(nèi)限元分析軟件的發(fā)展情況和前景    1979年美國(guó)的SAP5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著PC平臺(tái)做文章。在國(guó)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(guó)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。但是，國(guó)外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對(duì)PC平臺(tái)不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對(duì)國(guó)內(nèi)FEA程序開發(fā)者來說發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢(shì)，而以后應(yīng)該從下面幾方面加以努力: <1>發(fā)展有自主版權(quán)、用于分析流體等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的軟件 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