有限元分析軟件的比較

1、有限元分析軟件的比較（購買必看）一轉(zhuǎn)貼隨著現(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

2、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)inite Element A nalysis）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

3、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PA FEC、法國的 SYSTUS、美國的 ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、CO

4、SMOS、 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（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。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

5、，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。2. 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.Software Corpo

6、ration （ MSC公司）的MSC.DYTRAN程序。該程序在是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷蘭 PISCES INTERNATIONAL公司開發(fā)的PICSES的高級流體動力學(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，對通過流體與固體界面?zhèn)鬟f相互作用

7、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

8、上遠(yuǎn) 不如當(dāng)前版的LS-DYNA3D全面。3. 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)的動態(tài)事件， 但對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3DADINA 是4 ADINA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

9、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，比如將等帶寬存儲改為變帶 寬存儲，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產(chǎn)權(quán)。5 ANSYS 和 NASTRAN因?yàn)楹蚇ASA的特殊關(guān)系，msc nastran在航空航天領(lǐng)域有著崇高的地位。而A NSYS則在鐵道，建筑

10、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Isdyna，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。NASTR AN 最早是用的 for windows 2.0。是 nsatran v68 集成在 femap5 里。nastr an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ans

11、ys56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。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)

12、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?？梢哉f國內(nèi)FEA軟件的發(fā)展一 直是圍繞著PC平臺做文章。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

13、、 中國農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動化技術(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力學(xué)、可壓縮和不 可壓縮流體的流動等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問題。由于國內(nèi)沒有類似功能的商品化軟件， 所以國外的軟件就賣得非常貴。為了破這種壟斷局面，我們必須發(fā)展有自主版權(quán)、用于分析 流體等非固體力學(xué)和交

14、叉學(xué)科的軟件。因?yàn)榱黧w力學(xué)問題遠(yuǎn)比固體復(fù)雜得多，而且很少有現(xiàn) 成的軟件可以借鑒，所以需要投入大量的人力和經(jīng)費(fèi)。這就必須有國家和大型企業(yè)集團(tuán)來支 持。開發(fā)具有中國特色的自動建模技術(shù)和GUI開發(fā)建模技術(shù)和GUI的投入比前述課題要少得 多，但卻可以大大提高FEA軟件的性能和用戶接受程度，從而起到事半功倍的效果。國內(nèi) 不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時(shí)PC機(jī)上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開發(fā)的效 果都不甚理想。Windows中提供了 OpenGL圖形標(biāo)準(zhǔn)，為在PC機(jī)上應(yīng)用可視化圖形技術(shù)開 發(fā)GUI提供了強(qiáng)有力的工具。OpenGL是當(dāng)今國際上公認(rèn)的高性能圖形和交互式視景處理標(biāo) 準(zhǔn)，應(yīng)用它開發(fā)出來的三維

15、圖形軟件深受專業(yè)技術(shù)人員的鐘愛，目前世界上占主導(dǎo)地位的計(jì) 算機(jī)公司都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，近年來國外有的FEA程序已拋開仿真軟件， 直接在Windows平臺上開發(fā)有限元程序。杭州自動化技術(shù)研究院1997-1999年采用OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的Visual C+等編程工具，在PC機(jī)上成功地開發(fā)了一套可視化有限元程序 包。它能直觀地通過對”菜單、窗口”、對話框”和”圖標(biāo)”等可視圖形畫面和符號的操作， 自動建立有限元分析模型，并以交互方法式實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化處理，因而可大大提高有 限昂分析的效率和精確性，也便于用戶學(xué)習(xí)和掌握。與具有我國自主版權(quán)的CAD軟件集成前面已經(jīng)講過，當(dāng)今有限元

16、方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是 和CAD軟件的無縫集成。作為我國自行開發(fā)的FEA程序，首先要考慮和我國自主版權(quán)的 CAD軟件集成。因?yàn)橛邢拊治鲋饕糜谛螤畋容^復(fù)雜的零部件，所以要和具有三維造型 功能和CAD軟件集成，使設(shè)計(jì)和分析緊密結(jié)合、融為一體。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣 不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光 先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其 刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外

17、異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚 以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能二是以眾議舉寵為督： 愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)， 每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣， 愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也，。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。