CAE有限元分析軟件的比較

2013-06-11 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

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,Finite Element Analysis)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,FEA在工程設(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PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、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,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——?dú)W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)前另一個可以計(jì)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(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—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相互作用的流體—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本身是一個混合物,在繼承了LS-DYNA3D與PISCES的優(yōu)點(diǎn)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(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
4 ADINA
ADINA是一個古老的有限元軟件, 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ANSYS則在鐵道,建筑和壓力容器方面應(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l(wèi)sdyna,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。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高一些。有一個算例可以說明,20000多個節(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ansys56在PIII450上所用的時間和D版的nastran707在賽楊400上用的時間相當(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,這是一個有趣的現(xiàn)象, 大家可以討論。
另外,從發(fā)展上來說,國際上數(shù)值模擬軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征
a. 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,就沒有二維功能。
b. 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場問題
數(shù)值模擬分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來,逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析,實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。近年來數(shù)值模擬方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計(jì)算,最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題。例如內(nèi)爆炸時,空氣沖擊波使墻、板、柱產(chǎn)生變形,而墻、板、柱的變形又反過來影響到空氣沖擊波的傳播……這就需要用固體力學(xué)和流體動力學(xué)的數(shù)值分析結(jié)果交叉迭代求解,即所謂“流—固耦合”的問題。
c. 從單一坐標(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,一是兩個程序簡單組合,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,SPH法允許存在材料界面,可以簡單而精確地實(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。
d. 由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題
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。諸如巖石、土壤、混凝土等,僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問題,只有采用非線性數(shù)值算法才能解決。眾所周知,非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的,它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧,很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此,近年來國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資,開發(fā)了諸如LSDYNA3D、ABAQUS和AUTODYN等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件,并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫。
e. 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,整個計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時間越來越少,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,求解一個包含10萬個方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但如果用手工方式來建立這個模型,然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時間。可以毫不夸張地說,工程師在分析計(jì)算一個工程問題時有80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上[14]。因此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用戶非常友好的GUI(圖形用戶界面—Graphics User Interface),使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分,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。
f. 與CAD軟件的無縫集成
與通用CAD軟件的集成使用,即在用CAD軟件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,自動生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算,如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行構(gòu)造和計(jì)算,直到滿意為止,從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。今天,工程師可以在集成的CAD和數(shù)值模擬軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件(例如AutoCAD" onclick="tagshow(event)" class="t_tag">AutoCAD、proeNGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等)的接口。
g. 工作平臺多樣化
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 Work Station)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)雜工程分析的夢想成為現(xiàn)實(shí)。但是早期的PC機(jī)采用16位CPU和DOS操作系統(tǒng),內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制,因此當(dāng)時計(jì)算模型的規(guī)模不能超過1萬階方程。Microsoft Windows操作系統(tǒng)和32位的Intel Pentium處理器的推出,為PC機(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當(dāng)前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Windows平臺上。最新高檔PC機(jī)的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。
為了將在大中型計(jì)算機(jī)和EWS上開發(fā)的有限元程序移值到PC機(jī)上,常常需要采用Hummingbird公司的一個仿真軟件Exceed。這樣做的結(jié)果比較麻煩,而且不能充分利用PC機(jī)的軟硬件資源。所以最近有些公司,例如ANSYS、MSC.software等開始在Windows平臺上開發(fā)有限元程序,大多采用了OpenGL圖形編程軟件,同時還有在PC機(jī)上的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開發(fā)的有限元程序包。

h. 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)長期而艱巨的任務(wù),開發(fā)一個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,追求共同的利潤,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ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的購買。

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、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:
1. 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。
2. 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。
3. 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)今有限元方法的一個重要特點(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。

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