CAE有限元軟件中的LS-DYNA、MSC.DYTRAN、ABAQUS比較

1. LSTC公司的LS-DYNA系列軟件

LS-DYNA是一個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驗室(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計提供分析工具,后經(jīng)多次擴充和改進,計算功能更為強大。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,極大地加強了其的前后處理能力和通用性,在全世界范圍內得到了廣泛的使用。在軟件的廣告中聲稱可以求解各種三維非線性結構的高速碰撞、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。即使是這樣一個被人們所稱道的數(shù)值模擬軟件,實際上仍在諸多不足,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,邊界處理很粗糙,在拉格朗日——歐拉結合方面不如DYTRAN靈活。雖然提供了十余種巖土介質模型,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

當前另一個可以計算侵徹與爆炸的商業(yè)通用軟件是MSC.Software Corporation ( 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的高級流體動力學和流體——結構相互作用功能,還在PISCES的歐拉模式算法基礎上,開發(fā)了物質流動算法和流固耦合算法。在同類軟件中,其高度非線性、流—固耦合方面有獨特之處。

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)模擬結構的變形和應力,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相互作用的流體—結構耦合分析,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,完成全耦合的流體-結構相互作用模擬。MSC.DYTRAN用有限體積法跟蹤物質的流動的流體功能,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本身是一個混合物,在繼承了LS-DYNA3D與PISCES的優(yōu)點同時,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,沒有二維計算功能,軸對稱問題也只能按三維問題處理,使計算量大幅度增加;在處理沖擊問題的接觸算法上遠不如當前版的LS-DYNA3D全面。

3. HKS公司的ABAQUS軟件

ABAQUS是一套先進的通用有限元系統(tǒng),也是功能最強的有限元軟件之一,可以分析復雜的固體力學和結構力學系統(tǒng)。ABAQUS有兩個主要分析模塊:ABAQUS/Standard提供了通用的分析能力,如應力和變形、熱交換、質量傳遞等;ABAQUS/Explicit應用對時間進行顯示積分求解,為處理復雜接觸問題提供了有力的工具,適合于分析短暫、瞬時的動態(tài)事件,但對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3D。