有限元分析软件的比较

1、有限元分析软件的比较（购买必看）一转贴随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规 模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这 一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对 结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。 例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破 坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡 轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问 题的控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。近年

2、来在计算机 技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element A nalysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在工 程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃， 主要表现在以下几个方面：增加设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离 不开有限元分析计算，FEA在工

3、程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际 上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功 能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年 委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该 系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析 系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用 灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PA FEC、法国的 SYSTUS、美国的 ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、CO

4、SMOS、 ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。以下对一些常用的软件进行一些比较分析:1. LSTC公司的LS-DYNA系列软件LS-DYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，最初是1976年在美国劳伦斯利弗 莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab.）由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目 的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。此软件 受到美国能源部的大力资助以及世界十余家著名数值模拟软件公司（如ANSYS、MSC.software、ETA等）的加盟，极大地加强了其的前后处理能力和通用性

5、，在全世界范围 内得到了广泛的使用。在软件的广告中声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸 和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题。即使是这样一个被人们所称 道的数值模拟软件，实际上仍在诸多不足，特别是在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其欧拉 混合单元中目前最多只能容许三种物质，边界处理很粗糙，在拉格朗日一一欧拉结合方面不 如DYTRAN灵活。虽然提供了十余种岩土介质模型，但每种模型都有不足，缺少基本材料 数据和依据，让用户难于选择和使用。2. MSC.software 公司的 DYTRAN 软件当前另一个可以计算侵彻与爆炸的商业通用软件是MSC.Software Corpo

6、ration （ MSC公司）的MSC.DYTRAN程序。该程序在是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰 PISCES INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用 功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法。在同类 软件中，其高度非线性、流一固耦合方面有独特之处。MSC.DYTRAN的算法基本上可以概况为：MSC.DYTRAN采用基于Lagrange格式的有限单 元方法（FEM）模拟结构的变形和应力，用基于纯Euler格式的有限体积方法（FVM）描述 材料（包括气体和液体）流动，对通过流体与固体界面传递相互作用

7、的流体一结构耦合分析， 采用基于混合的Lagrange格式和纯Euler格式的有限单元与有限体积技术，完成全耦合的流 体-结构相互作用模拟。MSC.DYTRAN用有限体积法跟踪物质的流动的流体功能，有效解 决了大变形和极度大变形问题，如：爆炸分析、高速侵彻。但MSC.DYTRAN本身是一个混合物，在继承了 LS-DYNA3D与PISCES的优点同时，也继 承了其不足。首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接 口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能， 轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法

8、上远 不如当前版的LS-DYNA3D全面。3. HKS公司的ABAQUS软件ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，也是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂 的固体力学和结构力学系统。ABAQUS有两个主要分析模块：ABAQUS/Standard提供了通 用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传递等；ABAQUS/Explicit应用对时间进行显 示积分求解，为处理复杂接触问题提供了有力的工具，适合于分析短暂、瞬时的动态事件， 但对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3DADINA 是4 ADINA个古老的有限元软件，有一些很老的版本，它们只有基本的计算功 能，没有前后

9、处理。用它算题，必须自己手工建模，现在看来这些实在是太落后 了，但是，重要的一点是它有源代码。有了源码，就可以对程序进行改造，满足 特殊的需求。其实国内对ADINA的改造还是很多的，比如将等带宽存储改为变带 宽存储，将元素库从整个程序中分离出来，可以有选择的将将元素编译连接到程 序中。还有的在程序中加入了自己的材料本构关系，也有在元素库中加进了新的 单元等等。经过这些改进，程序的功能得到了扩展，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识产权。5 ANSYS 和 NASTRAN因为和NASA的特殊关系，msc nastran在航空航天领域有着崇高的地位。而A NSYS则在铁道，建筑

10、和压力容器方面应用较多。尽管目前，ANSYS已发展了很 多版本，其实它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多。比如5.1没 有Isdyna，和cad软件的接口，到了 5.6还有疲劳模块等等。其实这些模块并 不是ANSYS公司自己搞的，就是把别人的东西买来集成到自己的环境里。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。有一个算例可以说明，20000多个节点，D版 的ansys56建模，用femap7.0转成nastran的dat文件，静力计算及前5阶的 线性频率，结果ans

11、ys56在PIII450上所用的时间和D版的nastran707在赛杨 400上用的时间相当，内存都是128M，全部选项都是缺省的，nastran用子空间 迭代法求频率，ansys没仔细看，计算的结果倒是没什么大的差别。其他还有一些软件例如sap，algor,cosmos等，只是影响比较小。还有一点值得说明，目前的有限元软件，求出的位移结果都很准，可应力就不 太一样了，这是一个有趣的现象，大家可以讨论。再谈一下国内的发展情况和前景1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有 限元程序来分析计算工程问题的高潮。这个高潮一直持续到1981年ADINA非线性结

12、构分 析程序引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。大家也都开始认识到有限 元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。但是当时限于国内大中型计 算机很少，大约只有杭州汽轮机厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安装有上述 程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。PC机的出现及其性能奇迹般的提高，为 移植和发展PC版本的有限元程序提供了必要的运行平台。可以说国内FEA软件的发展一 直是围绕着PC平台做文章。在国内开发比较成功并拥有较多用户（100家以上）的有限元 分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84

13、、 中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4,等。但正如上面所述， 国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对PC平台不屑一顾转变为热衷发展，对国内 FEA程序开发者来说发展PC版本不再具有优势，而以后应该从下面几方面加以努力：研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEA程序经过几十年的研究和发展，用于求解固 体力学的有限元方法和软件已经比较成熟，现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不 可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题。由于国内没有类似功能的商品化软件， 所以国外的软件就卖得非常贵。为了破这种垄断局面，我们必须发展有自主版权、用于分析 流体等非固体力学和交

14、叉学科的软件。因为流体力学问题远比固体复杂得多，而且很少有现 成的软件可以借鉴，所以需要投入大量的人力和经费。这就必须有国家和大型企业集团来支 持。开发具有中国特色的自动建模技术和GUI开发建模技术和GUI的投入比前述课题要少得 多，但却可以大大提高FEA软件的性能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。国内 不少人在这方面做了很多工作，但是由于当时PC机上的图形支撑环境有限，所以开发的效 果都不甚理想。Windows中提供了 OpenGL图形标准，为在PC机上应用可视化图形技术开 发GUI提供了强有力的工具。OpenGL是当今国际上公认的高性能图形和交互式视景处理标 准，应用它开发出来的三维

15、图形软件深受专业技术人员的钟爱，目前世界上占主导地位的计 算机公司都采用了这一标准。正如前面所述，近年来国外有的FEA程序已抛开仿真软件， 直接在Windows平台上开发有限元程序。杭州自动化技术研究院1997-1999年采用OpenGL 图形标准和相应的Visual C+等编程工具，在PC机上成功地开发了一套可视化有限元程序 包。它能直观地通过对”菜单、窗口”、对话框”和”图标”等可视图形画面和符号的操作， 自动建立有限元分析模型，并以交互方法式实现计算结果的可视化处理，因而可大大提高有 限昂分析的效率和精确性，也便于用户学习和掌握。与具有我国自主版权的CAD软件集成前面已经讲过，当今有限元

16、方法的一个重要特点是 和CAD软件的无缝集成。作为我国自行开发的FEA程序，首先要考虑和我国自主版权的 CAD软件集成。因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件，所以要和具有三维造型 功能和CAD软件集成，使设计和分析紧密结合、融为一体。出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣 不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光 先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其 刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外

17、异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚 以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能二是以众议举宠为督： 愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时， 每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣， 愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也，。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉 屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。