有限元分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、        隨著現(xiàn)代科學技術(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)電機組和更為精密的機械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計階段就能精確地預測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對結(jié)構(gòu)的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術(shù)參數(shù)進行分析計算。例如分析計算高層建筑和大跨度橋梁在地震時所受到的影響，看看是否會發(fā)生破壞性事故；分析計算核反應(yīng)堆的溫度場，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機葉片內(nèi)的流體動力學參數(shù)，以提高其運轉(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往往是

2、不可能的。近年來在計算機技術(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)inite Element Analysis）方法則為解決這些復雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑。我國在"九五"計劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率從"八五"末的20%提高到目前的70%。隨著企業(yè)CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計算機輔助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成

3、應(yīng)用使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：增加設(shè)計功能，減少設(shè)計成本；    縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期；     增加產(chǎn)品和工程的可靠性；     采用優(yōu)化設(shè)計，降低材料的消耗或成本；     在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；     模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；     進行機械事故分析，查找事故原因。     在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自

4、行車到航天飛機，所有的設(shè)計制造都離不開有限元分析計算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計和分析中將得到越來越廣泛的重視。下圖是美國舊金山海灣大橋地震響應(yīng)計算的有限元分析模型。    發(fā)展方向及重大進展國際上早20世紀在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年委托美國計算科學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)展至今已有幾十個版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強的有限元分析系統(tǒng)。從那時到現(xiàn)在，世界各地的研究機構(gòu)和大學也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價格較低的專用

5、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。當今國際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征：    1 從單純的結(jié)構(gòu)力學計算發(fā)展到求解許多物理場問題有限元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、殼和實體等連續(xù)體固體力學分析，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展

6、到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學科的問題。例如當氣流流過一個很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動這就需要用固體力學和流體動力學的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂"流固耦合"的問題。    2 由求解線性工程問題進展到分析非線性問題隨著科學技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復合材料

7、等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計算是很復雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技巧，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了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實踐。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。    3 增強可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能早期有限元分析軟件的研究重點在于推導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

8、是計算機運算速度的飛速發(fā)展，整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少，而數(shù)據(jù)準備和運算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個包含10萬個方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但是如果用手工方式來建立這個模型，然后再處理大量的計算結(jié)果則需用幾周的時間?？梢院敛豢鋸埖卣f，工程師在分析計算一個工程問題時有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準備和結(jié)果分析上。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。在強調(diào)"可視化"的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶能以可視圖形方式直觀快速

9、地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。    4 與CAD軟件的無縫集成當今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點是與通用CAD軟件的集成使用 即,在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計后，自動生成有限元網(wǎng)格并進行計算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求則重新進行造型和計算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復雜工程分析問題。所以當今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Pro/ENG

10、INEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。    5 在Wintel平臺上的發(fā)展早期的有限元分析軟件基本上都是在大中型計算機（主要是Mainframe）上開發(fā)和運行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺，它們的共同特點都是采用UNIX操作系統(tǒng)。PC機的出現(xiàn)使計算機的應(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雜工程分析的夢想成為現(xiàn)實。但是早期的PC機采用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，因此當時計算模型的規(guī)模不能超過1萬階方程。Microsoft Windows操作系統(tǒng)和32位的Intel Pentium處理器的推出為將PC機用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Wintel平臺上