CAE有限元分析軟件的比較

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

隨著現代科學技術的發展,人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發電機組和更為精密的機械設備。這一切都要求工程師在設計階段就能精確地預測出產品和工程的技術性能,需要對結構的靜、動力強度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術參數進行分析計算。例如分析計算高層建筑和大跨度橋梁在地震時所受到的影響,看看是否會發生破壞性事故;分析計算核反應堆的溫度場,確定傳熱和冷卻系統是否合理;分析渦輪機葉片內的流體動力學參數,以提高其運轉效率。這些都可歸結為求解物理問題的控制偏微分方程式,這些問題的解析計算往往是不現實的。近年來在計算機技術和數值分析方法支持下發展起來的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法則為解決這些復雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑。在工程實踐中,有限元分析軟件與CAD系統的集成應用使設計水平發生了質的飛躍,主要表現在以下幾個方面:
增加設計功能,減少設計成本;
縮短設計和分析的循環周期;
增加產品和工程的可靠性;
采用優化設計,降低材料的消耗或成本;
在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題;
模擬各種試驗方案,減少試驗時間和經費;
進行機械事故分析,查找事故原因。
在大力推廣CAD技術的今天,從自行車到航天飛機,所有的設計制造都離不開有限元分析計算,FEA在工程設計和分析中將得到越來越廣泛的重視。國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發具有強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年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發的NASTRAN有限元分析系統。該系統發展至今已有幾十個版本,是目前世界上規模最大、功能最強的有限元分析系統。從那時到現在,世界各地的研究機構和大學也發展了一批規模較小但使用靈活、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等公司的產品。
以下對一些常用的軟件進行一些比較分析:
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驗室(Lawrence Livermore National Lab.)由J.O.Hallquist 主持開發完成的,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,缺少基本材料數據和依據,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傳遞相互作用的流體—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,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。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,它們只有基本的計算功能,沒有前后處理。用它算題,必須自己手工建模,現在看來這些實在是太落后了,但是,重要的一點是它有源代碼。有了源碼,就可以對程序進行改造,滿足特殊的需求。其實國內對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關系,也有在元素庫中加進了新的單元等等。經過這些改進,程序的功能得到了擴展,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權。
5 ANSYS和NASTRAN
因為和NASA的特殊關系,msc nastran在航空航天領域有著崇高的地位。而ANSYS則在鐵道,建筑和壓力容器方面應用較多。盡管目前, ANSYS已發展了很多版本, 其實它們核心的計算部分變化不大,只是模塊越來越多。比如5.1沒有lsdyna,和cad軟件的接口,到了5.6還有疲勞模塊等等。其實這些模塊并不是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多個節點,D版的ansys56建模,用femap7.0轉成nastran的dat文件,靜力計算及前5階的線性頻率,結果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,內存都是128M,全部選項都是缺省的,nastran用子空間迭代法求頻率,ansys沒仔細看,計算的結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。
還有一點值得說明, 目前的有限元軟件,求出的位移結果都很準,可應力就不太一樣了,這是一個有趣的現象, 大家可以討論。
另外,從發展上來說,國際上數值模擬軟件發展呈現出以下一些趨勢特征
a. 由二維擴展為三維
早期計算機的能力十分有限,受計算費用和計算機儲存能力的限制,數值模擬程序大多是一維或二維的,只能計算垂直碰撞或球形爆炸等特定問題。隨著第三代、第四代計算機的出現,才開始研制和發展更多的三維計算程序。現在,計算程序一般都由二維擴展到了三維,如LSDYNA2D和LSDYNA3D,AUTODYN2D和AUTODYNA3D,但也有完全在三維基礎上開發的,如MSC.DYTRAN,就沒有二維功能。
b. 從單純的結構力學計算發展到求解許多物理場問題
數值模擬分析方法最早是從結構化矩陣分析發展而來,逐步推廣到板、殼和實體等連續體固體力學分析,實踐證明這是一種非常有效的數值分析方法。近年來數值模擬方法已發展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算,最近又發展到求解幾個交叉學科的問題。例如內爆炸時,空氣沖擊波使墻、板、柱產生變形,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和流體動力學的數值分析結果交叉迭代求解,即所謂“流—固耦合”的問題。
c. 從單一坐標體系發展多種坐標體系
數值模擬軟件在開始階段一般采用單一坐標,或采用拉格朗日坐標或采用歐拉坐標,由于這兩種坐標自身的缺陷,計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算;二是在同一程序中采用多種坐標體系,如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐標,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;三是采用新的計算方法,如SPH等,SPH法不用網格,沒有網格畸變問題,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現復雜的本構行為,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展到分析非線性問題
隨著科學技術的發展,線性理論已經遠遠不能滿足設計的要求。諸如巖石、土壤、混凝土等,僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題,只有采用非線性數值算法才能解決。眾所周知,非線性的數值計算是很復雜的,它涉及到很多專門的數學問題和運算技巧,很難為一般工程技術人員所掌握。為此,近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資,開發了諸如LSDYNA3D、ABAQUS和AUTODYN等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件,并廣泛應用于工程實踐。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。
e. 增強可視化的前置建模和后置數據處理功能
早期數值模擬計算軟件的研究重點在于推導新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數值分析方法的逐步完善,尤其是計算機運算速度的飛速發展,整個計算系統用于求解運算的時間越來越少,而數據準備和運算結果的表現問題卻日益突出。在現在的工程工作站上,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算結果則需用幾周的時間。可以毫不夸張地說,工程師在分析計算一個工程問題時有80%以上的精力都花在數據準備和結果分析上[14]。因此目前幾乎所有的商業化數值模擬程序系統都有功能很強的前置建模和后置數據處理模塊。在強調“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行網格自動劃分,生成有限元分析所需數據,并按要求將大量的計算結果整理成變形圖、等值分布圖,便于極值搜索和所需數據的列表輸出。
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軟件完成結構設計后,自動生成有限元網格并進行計算,如果分析的結果不符合設計要求則重新進行構造和計算,直到滿意為止,從而極大地提高了設計水平和效率。今天,工程師可以在集成的CAD和數值模擬軟件環境中快捷地解決一個在以前無法應付的復雜工程分析問題。所以當今所有的商業化有限元系統商都開發了和著名的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
早期的數值分析軟件基本上都是在大中型計算機上開發和運行的,后來又發展到以工程工作站(EWS,Engineering Work Station)上,它們的共同特點都是采用UNIX操作系統。PC機的出現使計算機的應用發生了根本性的變化,工程師渴望在辦公桌上完成復雜工程分析的夢想成為現實。但是早期的PC機采用16位CPU和DOS操作系統,內存中的公共數據塊受到限制,因此當時計算模型的規模不能超過1萬階方程。Microsoft Windows操作系統和32位的Intel Pentium處理器的推出,為PC機用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當前國際上著名的有限元程序研究和發展機構都紛紛將他們的軟件移值到Windows平臺上。最新高檔PC機的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。
為了將在大中型計算機和EWS上開發的有限元程序移值到PC機上,常常需要采用Hummingbird公司的一個仿真軟件Exceed。這樣做的結果比較麻煩,而且不能充分利用PC機的軟硬件資源。所以最近有些公司,例如ANSYS、MSC.software等開始在Windows平臺上開發有限元程序,大多采用了OpenGL圖形編程軟件,同時還有在PC機上的Linux操作系統環境中開發的有限元程序包。

h. 軟件開發強強聯合
由于數值軟件的開發是一項長期而艱巨的任務,開發一個通用軟件是十分困難的,各家開發的軟件由于應用背景的不同而各有千秋,隨著數值模擬軟件商業化的進展,各數值模擬軟件公司為擴大市場,追求共同的利潤,出現了強強聯合的局面。典型的如ANSYS與LSDYNA3D聯合,MSC.software軟件公司對ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的購買。

再談一下國內的發展情況和前景
1979年美國的SAP5線性結構靜、動力分析程序向國內引進移植成功,掀起了應用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。這個高潮一直持續到1981年ADINA非線性結構分析程序引進,一時間許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開始認識到有限元分析程序的確是工程師應用計算機進行分析計算的重要工具。但是當時限于國內大中型計算機很少,大約只有杭州汽輪機廠的Siemens7738和沈陽鼓風機廠的IBM4310安裝有上述程序,所以用戶算題非常不方便,而且費用昂貴。PC機的出現及其性能奇跡般的提高,為移植和發展PC版本的有限元程序提供了必要的運行平臺。可以說國內FEA軟件的發展一直是圍繞著PC平臺做文章。在國內開發比較成功并擁有較多用戶(100家以上)的有限元分析系統有大連理工大學工程力學系的FIFEX95、北京大學力學與科學工程系的SAP84、中國農機科學研究院的MAS5.0和杭州自動化技術研究院的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從前些年對PC平臺不屑一顧轉變為熱衷發展,對國內FEA程序開發者來說發展PC版本不再具有優勢,而以后應該從下面幾方面加以努力:
1. 研究開發求解非固體力學和交叉學科的FEA程序經過幾十年的研究和發展,用于求解固體力學的有限元方法和軟件已經比較成熟,現在研究的前沿問題是流體動力學、可壓縮和不可壓縮流體的流動等非固體力學和交叉學科的問題。由于國內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,我們必須發展有自主版權、用于分析流體等非固體力學和交叉學科的軟件。因為流體力學問題遠比固體復雜得多,而且很少有現成的軟件可以借鑒,所以需要投入大量的人力和經費。這就必須有國家和大型企業集團來支持。
2. 開發具有中國特色的自動建模技術和GUI開發建模技術和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。國內不少人在這方面做了很多工作,但是由于當時PC機上的圖形支撐環境有限,所以開發的效果都不甚理想。Windows中提供了OpenGL圖形標準,為在PC機上應用可視化圖形技術開發GUI提供了強有力的工具。OpenGL是當今國際上公認的高性能圖形和交互式視景處理標準,應用它開發出來的三維圖形軟件深受專業技術人員的鐘愛,目前世界上占主導地位的計算機公司都采用了這一標準。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平臺上開發有限元程序。杭州自動化技術研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標準和相應的Visual C++等編程工具,在PC機上成功地開發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"等可視圖形畫面和符號的操作,自動建立有限元分析模型,并以交互方法式實現計算結果的可視化處理,因而可大大提高有限昂分析的效率和精確性,也便于用戶學習和掌握。
3. 與具有我國自主版權的CAD軟件集成前面已經講過,當今有限元方法的一個重要特點是和CAD軟件的無縫集成。作為我國自行開發的FEA程序,首先要考慮和我國自主版權的CAD軟件集成。因為有限元分析主要用于形狀比較復雜的零部件,所以要和具有三維造型功能和CAD軟件集成,使設計和分析緊密結合、融為一體。

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