有限元分析軟件對(duì)比情況

常見軟件

有限元分析軟件目前最流行的有:ANSYS、ABAQUS、MSC,Altair及ADINA公司五個(gè)比較知名比較大的公司,其中ADINA、ABAQUS在非線性分析方面有較強(qiáng)的能力目前是業(yè)內(nèi)最認(rèn)可的兩款有限元分析軟件,ANSYS、MSC進(jìn)入中國(guó)比較早所以在國(guó)內(nèi)知名度高應(yīng)用廣泛(其實(shí)最早的應(yīng)該是ansys,所以在我國(guó)用ansys人真不少,好多老師剛開始教給學(xué)生的有限元軟件也是ansys)。目前在多物理場(chǎng)耦合方面幾大公司都可以做到結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合分析,但是除ADINA以外其它三個(gè)必須與別的軟件搭配進(jìn)行迭代分析,唯一能做到真正流固耦合的軟件只有ADINA(需要更正的是COMSOL Multiphysics最近幾年火起來了,而且AIDINA只能做結(jié)構(gòu),熱和流體方面的耦合分析)。而Altair公司好像更多時(shí)間放在各種軟件接口和數(shù)據(jù)輸出上,自己求解器一直都沒什么特色,但結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分和操作界面真的是其他有限元軟件望為觀止(歡迎大家拍磚,但真的,用些時(shí)候后你會(huì)發(fā)現(xiàn)就會(huì)喜歡上這個(gè)軟件了,但有點(diǎn)就是軟件越來越多了,反而求解器沒什么長(zhǎng)進(jìn))

軟件對(duì)比

  ANSYS是商業(yè)化比較早的一個(gè)軟件,目前公司收購(gòu)了很多其他軟件在旗下。ABAQUS專注結(jié)構(gòu)分析目前沒有流體模塊(現(xiàn)在有了,從6.12版本開始的,現(xiàn)在最新版本是6.14.1,很多吸引人地方)。MSC是比較老的一款軟件目前更新速度比較慢(現(xiàn)在也是一年一個(gè)版本,一年有三個(gè)小版本)。ADINA是在同一體系下開發(fā)有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析的一款軟件,功能強(qiáng)大但進(jìn)入中國(guó)時(shí)間比較晚市場(chǎng)還沒有完全鋪開(順便說一句,adina安裝軟件包一般很小)。

  結(jié)構(gòu)分析能力排名:1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS

  流體分析能力排名:1、ANSYS(fluent與cfx都是下面的主打產(chǎn)品+ICEM CFD流體劃分網(wǎng)格)、ADINA、MSC、ABAQUS(從12.3就是開始有流體模塊了)

  耦合分析能力排名:1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS

  性價(jià)比排名:最好的是ADINA,其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC(航天和船舶最常用的,尤其是nastran求解器,你們想會(huì)便宜嗎?)

ABAQUS軟件與ANSYS軟件的對(duì)比分析

1. 在世界范圍內(nèi)的知名度

  兩種軟件同為國(guó)際知名的有限元分析軟件,在世界范圍內(nèi)具有各自廣泛的用戶群。ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽(yù),它在計(jì)算機(jī)資源的利用,用戶界面開發(fā)等方面也做出了較大的貢獻(xiàn)。ABAQUS軟件則致力于更復(fù)雜和深入的工程問題,其強(qiáng)大的非線性分析功能在設(shè)計(jì)和研究的高端用戶群中得到了廣泛的認(rèn)可。

  由于ANSYS產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)早于ABAQUS,并且在五年前ANSYS的界面是當(dāng)時(shí)最好的界面之一,所以在中國(guó),ANSYS軟件在用戶數(shù)量和市場(chǎng)推廣度方面要高于ABAQUS。但隨著ABAQUS北京辦事處的成立,ABAQUS軟件的用戶數(shù)目和市場(chǎng)占有率正在大幅度和穩(wěn)步提高,并可望在今后的幾年內(nèi)趕上和超過ANSYS(我都不知道從5.0到現(xiàn)在15.0,經(jīng)典界面還是那樣,也許人家說經(jīng)典就是美,就像AutoCAD一樣,但用了別的有限元軟件后覺得ansys使用起來特不順手,但人家說了命令流就是ansys最大的特色)。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

  ANSYS軟件注重應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,目前已覆蓋流體、電磁場(chǎng)和多物理場(chǎng)耦合等十分廣泛的研究領(lǐng)域。ABAQUS則集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域研究,致力于解決該領(lǐng)域的深層次實(shí)際問題。

3. 性價(jià)比

  ANSYS軟件由于價(jià)格政策靈活,具有多種銷售方案,在解決常規(guī)的線性及耦合問題時(shí),具有較好的性價(jià)比。但在實(shí)際工程中,非線性是比線性遠(yuǎn)為普遍的自然現(xiàn)象,線性通常只是非線性的理想化假設(shè)。隨著研究水平的提高和研究問題的深入,非線性問題必然成為工程師和研究人員面臨的課題,并成為制約深入研究和精確設(shè)計(jì)的瓶頸。購(gòu)買ABAQUS軟件可以很好地解決這些問題,縮短研制周期、減少試驗(yàn)投入,避免重新設(shè)計(jì)。工欲善其事,必先利其器,使用不恰當(dāng)或低檔的分析工具進(jìn)行工作的成本要遠(yuǎn)超過使用合適工具的成本。因此,從綜合效益和長(zhǎng)遠(yuǎn)效益而言,ABAQUS軟件的經(jīng)濟(jì)性也是非常突出的。

4. 求解器功能

  對(duì)于常規(guī)的線性問題,兩種軟件都可以較好的解決,在模型規(guī)模限制、計(jì)算流程、計(jì)算時(shí)間等方面都較為接近。

  ABAQUS軟件在求解非線性問題時(shí)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。其非線性涵蓋材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性等多個(gè)方面。

  另外,由于ABAQUS/Standard(通用程序)和ABAQUS/Explicit(顯式積分)同為ABAQUS公司的產(chǎn)品,它們之間的數(shù)據(jù)傳遞非常方便,可以很容易地考慮預(yù)緊力等靜力和動(dòng)力相結(jié)合的計(jì)算情況。

  ABAQUS軟件的求解器是智能化的求解器,可以解決其它軟件不收斂的非線性問題,其它軟件也收斂的非線性問題,ABAQUS軟件的計(jì)算收斂速度較快,并更加容易操作和使用。

5. 人機(jī)交互界面

  ABAQUS/CAE是ABAQUS公司新近開發(fā)的軟件運(yùn)行平臺(tái),他汲取了同類軟件和CAD軟件的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)與ABAQUS求解器軟件緊密結(jié)合。

  與其他有限元軟件的界面程序比,ABAQUS/CAE具有以下的特點(diǎn):

  l 采用CAD方式建模和可視化視窗系統(tǒng),具有良好的人機(jī)交互特性。

  l 強(qiáng)大的模型管理和載荷管理手段,為多任務(wù)、多工況實(shí)際工程問題的建模和仿真提供了方便。

  l 鑒于接觸問題在實(shí)際工程中的普遍性,單獨(dú)設(shè)置了連接(interaction)模塊,可以精確地模擬實(shí)際工程中存在的多種接觸問題。

  l 采用了參數(shù)化建模方法,為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化,結(jié)構(gòu)修改提供了有力工具。

6. 綜合性能對(duì)比

  綜合起來,ABAQUS軟件具有:

  l 更多的單元種類,單元種類達(dá)433種,提供了更多的選擇余地,并更能深入反映細(xì)微的結(jié)構(gòu)現(xiàn)象和現(xiàn)象間的差別。除常規(guī)結(jié)構(gòu)外,可以方便地模擬管道、接頭以及纖維加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為

  l 更多的材料模型,包括材料的本構(gòu)關(guān)系和失效準(zhǔn)則等,僅橡膠材料模型就達(dá)16種。除常規(guī)的金屬材料外,還可以有效地模擬復(fù)合材料、土壤、塑性材料和高溫蠕變材料等特殊材料

ANSYS軟件與ABAQUS、ADINA的對(duì)比分析

1. 在世界范圍內(nèi)的知名度:

  三種軟件同為國(guó)際知名的有限元分析軟件,在世界范圍內(nèi)具有各自廣泛的用戶群。

  ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽(yù);ABAQUS軟件則致力于復(fù)雜和深入的非線性工程問題;而ADINA軟件除了求解非線性問外,其多物理場(chǎng)的流固耦合求解功能也是全球唯一的專利技術(shù)。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域:

  三種軟件同為大型通用分析軟件,都具有各自廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

  ANSYS注重應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和合并,目前已覆蓋結(jié)構(gòu)、溫度、流體、電磁場(chǎng)和多物理場(chǎng)耦合等十分廣泛的研究領(lǐng)域;ABAQUS則只具備結(jié)構(gòu)分析功能,功能僅局限于結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域;而ADINA軟件和ANSYS軟件一樣都包括結(jié)構(gòu)、溫度、流體及流固耦合的功能,因此其應(yīng)用領(lǐng)域也是相當(dāng)廣泛。

3. 性價(jià)比

  三種軟件同為美國(guó)的有限元分析軟件,在價(jià)格方面相差不是特別大,不過由于ABAQUS軟件僅具有結(jié)構(gòu)分析的功能,因此從整體來看ABAQUS軟件是最為便宜的;不過如果需要進(jìn)行流體計(jì)算或者多物理場(chǎng)耦合求解功能的話,則相信ANSYS軟件和ADINA軟件都會(huì)是更好的選擇。

4. 求解器功能

  對(duì)于常規(guī)的結(jié)構(gòu)線性問題,三種軟件都可以較好的解決,在模型規(guī)模限制、計(jì)算流程、計(jì)算時(shí)間等方面都較為接近。

  ABAQUS軟件和ADINA軟件在求解非線性問題時(shí)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì);而ANSYS軟件和ADINA軟件則在流體和多物理場(chǎng)耦合功能方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

5. 人機(jī)交互界面

  ANSYS/Workbench、ABAQUS/CAE、ADINA/AUI都是采用CAD方式建模和可視化視窗系統(tǒng),都具有良好的人機(jī)交互特性。三種軟件都除了提供窗口操作外都還提供命令流輸入,但是ABAQUS/CAE并不對(duì)所有的命令流都支持CAE界面操作。

6.建模方式

  ANSYS軟件和ADINA軟件都采用Parasolid為核心的實(shí)體建模技術(shù),因此可以和其它Parasolid為核心的CAD軟件實(shí)行真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換,且該兩種軟件自身的建模功能很強(qiáng)大。而ABAQUS軟件的CAE模塊和輸入文件兩種建模方式是由兩家不同的公司研制的,CAE模塊功能還不是很完全,一些功能只能通過編輯INP輸入文件來實(shí)。

7.網(wǎng)格劃分

  三種軟件都提供多種網(wǎng)格劃分器,可以進(jìn)行復(fù)雜模型的自由網(wǎng)格劃分。

  除常見網(wǎng)格劃分外,ANSYS軟件和ADINA軟件還可以對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分,從而在節(jié)省技術(shù)人員工作時(shí)間的情況下又保證了網(wǎng)格的精度。

8. 綜合性能對(duì)比

  ANSYS軟件的命令流操作非常方便,對(duì)于結(jié)構(gòu)循環(huán)優(yōu)化方面比較有優(yōu)勢(shì),但目前還只是局限于線性方面,非線性方面功能很差而且基本沒有;

  ABAQUS軟件則在顯式非線性方面有些特色,但隱式非線性方面比不上ADINA,且不具備流體的功能;

  ADINA軟件則在結(jié)構(gòu)非線性及多物理場(chǎng)耦合方面非常出色,是全球非線性功能最強(qiáng)大的有限元軟件之一,而且具有全球最好的流固耦合分析功能。

  

分析軟件的比較NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC

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):

1.  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——歐拉結(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。

3. HKS公司的ABAQUS軟件(現(xiàn)在為達(dá)索公司收購(gòu),子公司為SIMULIA公司)

    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。

4. 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(Stiffness Stabilization),自動(dòng)步進(jìn)法(Automatic Time Stepping),外力-變位同步控制法(Load-Displacement Control)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?/span>NASA(美國(guó)國(guó)家宇航局)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。
        6. ANSYS
    ANSYS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。
        7. Algor(現(xiàn)更名為Autodesk Simulation)
    ALGOR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。
        8. COSMOS
   Cosmos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。
        9.Hyperworks
Hyperworks是較為完整的CAE建模、可視化、有限元軟件、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和過程自動(dòng)化等領(lǐng)域的軟件產(chǎn)品,始終站在技術(shù)的最前沿,為全球的客戶提供先進(jìn)的產(chǎn)品工程方案,引領(lǐng)者工程技術(shù)的世界潮流,其涵蓋仿佛的產(chǎn)品模塊(我是抄書上的,引領(lǐng)是不是有點(diǎn)夸張): 

HyperMesh    高性能、開放式有限單元前后處理器,讓您在一個(gè)高度交互和可視化的環(huán)境下驗(yàn)證及分析多種設(shè)計(jì)情況。
       Hyperview      是目前圖形驅(qū)動(dòng)速度較快的CAE仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的后處理可視化環(huán)境。
       Hypercrash    是碰撞安全分析的CAE前處理工具。
       HyperGraph 2D /HyperGraph 3D    是海量仿真或試驗(yàn)處理的工具。
       Optistruct       是一個(gè)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的有限元和結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器,擁有全球化先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù),提供全面的優(yōu)化方法。
       HyperStudy    是一個(gè)開放的多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái),以其強(qiáng)大的優(yōu)化引擎調(diào)用各種求解器,實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多學(xué)科全面優(yōu)化。
       RADIOSS       是快速、精確和文件的有限元結(jié)構(gòu)分析軟件,能夠進(jìn)行多種線性和非線性分析,廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
       Acusolve        是領(lǐng)先的,通用的基于有限元的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件。
      其他的我就不羅列了,還有 MotionView(功能和adams差不多),HyperForm和HyperXtrude(板料成型與擠壓成型的,和市面上的dynaform,deform或者procast等差不多)      

 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):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(CERO)、Unigraphics(現(xiàn)為Siemens NX)、SolidEdge、SolidWorks、CATIA、IDEAS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。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)。

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(kù),ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。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。現(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。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。
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。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。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—Graphics&nterface),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。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&WorkStation)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。;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、LSDYNA3D及PISCES等的購(gòu)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(yáng)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: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(guó)內(nèi)沒有類似功能的商品化軟件,所以國(guó)外的軟件就賣得非常貴。為了打破這種壟斷局面,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)和交叉學(xué)科的軟件。 開發(fā)具有中國(guó)特色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI開發(fā)建模技術(shù)
    開發(fā)具有中國(guó)特色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI開發(fā)建模技術(shù)成本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。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。近年來國(guó)外有的FEA程序已拋開仿真軟件,直接在Windows平臺(tái)上開發(fā)有限元程序。杭州自動(dòng)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(duì)"菜單"、"窗口"、"對(duì)話框"和"圖標(biāo)"等可視圖形畫面和符號(hào)的操作,自動(dòng)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(guó)自主版權(quán)的CAD軟件集成
    作為我國(guó)自行開發(fā)的FEA程序,首先要考慮和我國(guó)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。
   最后說一句,國(guó)產(chǎn)有限元軟件一直都不桌面景氣,北京飛箭公司的FEPG(有限元自動(dòng)生成系統(tǒng))雖然有些用戶,但和國(guó)外那些有限元大拿公司比起來真是九牛一毛,隨著這2年社會(huì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深入,我相信未來會(huì)有國(guó)產(chǎn)有限元軟件出現(xiàn)的,當(dāng)然更是任重道遠(yuǎn)。