CAE有限元分析软件的比较.doc

CAE有限元分析软件的比较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吋所受到的影响，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 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, Hnite Element Analysis)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，主要表现在以下儿个方面：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木；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 •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 PAFEC、法国的 SYSTUS、美国的 ABQUS、ADINA, ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS. 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LSDYNA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3l(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，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二维非线性结构的 高速碰撞、爆炸和金属成梨等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题即使是这样•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•个可以计算侵彻与爆炸的商业通用软件是MSC.Software Corporation （ MSC公司） MSC.DYTRAN程序该程序在是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCESINTERNATIONAL公 司开发的PICSES的高级流体动力学和流体一构相互作用功能，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的算法基木上可以概况为：MSC.DYTRAN采用基T' 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的流体构耦合分析，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…个混合物，在继承了 L&DYNA3D与PISCES的优点同吋，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-DYNA3D4 ADI NAADINA是一个古老的有限元软件，有一些很老的版本，它们只有基木的计算功能，没有前后处理用 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木构关系，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ANSYS则在铁道，建筑 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」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NASTRAN最早是用的for windows 2.0是・sat ran v68集成在femap5里nastran的求解器效率比ansys高…些有•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ansys56在PI 11450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，日前的有限元软件，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5 ANSYSW 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ANSYS则在铁道，建筑 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」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NASTRAN最早是用的for windows 2.0是nsatran v68集成在femap5里»nastran的求解器效率比ansys高…些有•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ansys56在PI II450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，求出的位移结杲都很准，可应力就不太…样了，这是一个有 趣的现象，大家可以讨论另外，从发展上来说，国际上数值模拟软件发展呈现出以下一些趋势特征a. 由二维扩展为三维早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维 的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。

随着第三代、第四代计算机的出现，才开始研制和发展更 多的三维计算程序现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LSDYNA2D和LSDYNA3D, AUTODYN2D 和AUTODYNA3D,但也有完全在=维基础上开发的，如MSQDYTRAN,就没有二维功能b. 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分 析，实践证明这是…种非常有效的数值分析方法近年来数值模拟方法已发展到流体力学、温度场、电传 导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近乂发展到求解儿个交叉学科的问题例如内爆炸吋，空气 冲击波使墙、板、柱产生变形，而墙、板、柱的变形乂反过来影响到空气冲击波的传播.…这就需要用固体 力学和流体动力学的数值分析结果交义迭代求解，即所谓“流一固耦合”的问题c. 从单一坐标体系发展多种坐标体系数值模拟软件在开始阶段一般采用单一坐标，或采用拉格朗日坐标或采用欧拉处标，出丁这两种处标 自身的缺陷，计算分析问题的范围都有很大的限制为克服这种缺陷，采用了二种方法，一是两个程序简 单组合，如CTH-EPIC,爆炸与侵彻由不同的程序分开计算；二是在同一程序中采用多种坐标体系，如 DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐标，而LSDYNA3D的最新版除原有类型外，新加了欧拉方法以及拉格 朗日与欧拉耦合方法，而最近几年才发展的DYTRAN则是拉格朗日型的LSDYNA3D（1988版）与欧拉型的 PISCES的整合体；三是采用新的计算方法，如SPH等，SPH法不用网格，没有网格畸变问题，所以能在 拉格朗日格式下处理大变形问题，同时，SPH法允许存在材料界面，可以简单而精确地实现复杂的本构行 为，也适用于材料在高加载速率下的断裂等问题的研究。

d. 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求诸如岩石、土壤、混凝土等，仅靠线 性计算理论就不足以解决遇到的问题，只有采用非线性数值算法才能解决众所周知，非线性的数值计算 是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为…般工程技术人员所掌握为此，近年来 国外…些公司花费了大量的人力和投资，开发了诸如LSDYNA3D, ABAQUS和AUTODYN等专长于求解非 线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以 及丰富和实用的非线性材料库e. 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期数值。