几款主要有限元软件介绍及对比

一、有限元法介绍

有限单元法(Finite Element Method,简称FEM)作为一种强有力的数值计算方法,是计算力学在过去五十余年中的最大进展。它的出现与成长和二十世纪的伟大发明——计算机密切相关。其应用领域已遍及各类物理场的分析(如温度场,电场,磁场,渗流场,声波场等等),从力学线性分析到非线性分析(如材料行为非线性,几何导致的非线性,接触行为引起的非线性等等),从单一场分析到若干个场的耦合分析。尤其在土木、水利、机械、航空、航天、造船等工程技术领域的具体实践中,它已经转化为直接推动科技进步和社会发展的生产力,发挥着巨大的经济和社会效益。

同时,伴随着有限元和计算机技术的出现与飞速发展,有限元分析程序的研制也逐渐成为一门独立的学科和产业。使得越来越多的有限元程序可以在个人计算机上解决各种复杂的工程问题。有限元方法和有限元软件已成为许多高新科学和技术研究的基本工具和有效手段。

有限元法程序在总体组成上可分为三个主要部分:前处理部分、有限元分析部分、后处理部分。其中主体程序是有限元分析程序的核心,它根据离散数值模型的数据文件进行有限元计算。有限元分析的原理和采用的数值方法亦集中于此,它是有限元分析准确可靠的关键。

前处理程序根据使用者提供的对计算模型的简单描述,自动或半自动生成离散模型的数值文件,并以网格图的形式输出供用户查看与修改。另一方面,后处理程序以图形的形式直观表达有限元计算结果,便于用户对分析对象情况的掌握。目前对于较好用于实际问题分析的有限元程序来说,前后处理的程序量常常超出有限元分析的主体程序,前后处理功能越强,工程技术人员对程序的使用就越方便。

二、几款主要有限元分析软件介绍

有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法,随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有:ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司,其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件,ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。

目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析,但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析,唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。

2.1软件对比

ANSYS是商业化比较早的一个软件,目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件,功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。

结构分析能力排名:ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS

流体分析能力排名:ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS

耦合分析能力排名:ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS

性价比排名:最好的是ADINA,其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC

2.2ABAQUS软件与ANSYS软件的对比分析

2.2.1在世界范围内的知名度

两种软件同为国际知名的有限元分析软件,在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉,它在计算机资源的利用,用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题,其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。由于ANSYS产品进入中国市场早于ABAQUS,并且在五年前ANSYS的界面是当时最好的界面之一,所以在中国,ANSYS软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。但随着ABAQUS北京办事处的成立,ABAQUS软件的用户数目和市场占有率正在大幅度和稳步提高,并可望在今后的几年内赶上和超过ANSYS。

2.2.2应用领域

ANSYS软件注重应用领域的拓展,目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。ABAQUS则集中于结构力学和相关领域研究,致力于解决该领域的深层次实际问题。

2.2.3性价比

ANSYS软件由于价格政策灵活,具有多种销售方案,在解决常规的线性及耦合问题时,具有较好的性价比。但在实际工程中,非线性是比线性远为普遍的自然现象,线性通常只是非线性的理想化假设。随着研究水平的提高和研究问题的深入,非线性问题必然成为工程师和研究人员面临的课题,并成为制约深入研究和精确设计的瓶颈。购买ABAQUS软件可以很好地解决这些问题,缩短研制周期、减少试验投入,避免重新设计。工欲善其事,必先利其器,使用不恰当或低档的分析工具进行工作的成本要远超过使用合适工具的成本。因此,从综合效益和长远效益而言,ABAQUS软件的经济性也是非常突出的。

2.2.4求解器功能

对于常规的线性问题,两种软件都可以较好的解决,在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势。其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面。   另外,由于ABAQUS/Standard(通用程序)和ABAQUS/Explicit(显式积分)同为ABAQUS公司的产品,它们之间的数据传递非常方便,可以很容易地考虑预紧力等静力和动力相结合的计算情况。ABAQUS软件的求解器是智能化的求解器,可以解决其它软件不收敛的非线性问题,其它软件也收敛的非线性问题,ABAQUS软件的计算收敛速度较快,并更加容易操作和使用。

2.2.5人机交互界面

ABAQUS/CAE是ABAQUS公司新近开发的软件运行平台,他汲取了同类软件和CAD软件的优点,同时与ABAQUS求解器软件紧密结合。与其他有限元软件的界面程序比,ABAQUS/CAE具有以下的特点:

采用CAD方式建模和可视化视窗系统,具有良好的人机交互特性。

强大的模型管理和载荷管理手段,为多任务、多工况实际工程问题的建模和仿真提供了方便。

鉴于接触问题在实际工程中的普遍性,单独设置了连接(interaction)模块,可以精确地模拟实际工程中存在的多种接触问题。

采用了参数化建模方法,为实际工程结构的参数设计与优化,结构修改提供了有力工具。

2.2.6综合性能对比

综合起来,ABAQUS软件具有:

更多的单元种类,单元种类达433种,提供了更多的选择余地,并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别。除常规结构外,可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为

更多的材料模型,包括材料的本构关系和失效准则等,仅橡胶材料模型就达16种。除常规的金属材料外,还可以有效地模拟复合材料、土壤、塑性材料和高温蠕变材料等特殊材料

2.3 ANSYS软件与ABAQUS、ADINA的对比分析

2.3.1在世界范围内的知名度:

三种软件同为国际知名的有限元分析软件,在世界范围内具有各自广泛的用户群。ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉;ABAQUS软件则致力于复杂和深入的非线性工程问题;而ADINA软件除了求解非线性问外,其多物理场的流固耦合求解功能也是全球唯一的专利技术。

2.3.2应用领域:

三种软件同为大型通用分析软件,都具有各自广泛的应用领域。ANSYS注重应用领域的拓展和合并,目前已覆盖结构、温度、流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域;ABAQUS则只具备结构分析功能,功能仅局限于结构力学领域;而ADINA软件和ANSYS软件一样都包括结构、温度、流体及流固耦合的功能,因此其应用领域也是相当广泛。

2.3.3性价比

三种软件同为美国的有限元分析软件,在价格方面相差不是特别大,不过由于ABAQUS软件仅具有结构分析的功能,因此从整体来看ABAQUS软件是最为便宜的;不过如果需要进行流体计算或者多物理场耦合求解功能的话,则相信ANSYS软件和ADINA软件都会是更好的选择。

2.3.4求解器功能

对于常规的结构线性问题,三种软件都可以较好的解决,在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。ABAQUS软件和ADINA软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势;而ANSYS软件和ADINA软件则在流体和多物理场耦合功能方面具有无可比拟的优势。

2.3.5人机交互界面

ANSYS/Workbench、ABAQUS/CAE、ADINA/AUI都是采用CAD方式建模和可视化视窗系统,都具有良好的人机交互特性。三种软件都除了提供窗口操作外都还提供命令流输入,但是ABAQUS/CAE并不对所有的命令流都支持CAE界面操作。

2.3.6建模方式

ANSYS软件和ADINA软件都采用Parasolid为核心的实体建模技术,因此可以和其它Parasolid为核心的CAD软件实行真正无缝的双向数据交换,且该两种软件自身的建模功能很强大。而ABAQUS软件的CAE模块和输入文件两种建模方式是由两家不同的公司研制的,CAE模块功能还不是很完全,一些功能只能通过编辑INP输入文件来实。

2.3.7网格划分

三种软件都提供多种网格划分器,可以进行复杂模型的自由网格划分。除常见网格划分外,ANSYS软件和ADINA软件还可以对复杂模型进行自动六面体网格划分,从而在节省技术人员工作时间的情况下又保证了网格的精度。

2.3.8综合性能对比

ANSYS软件的命令流操作非常方便,对于结构循环优化方面比较有优势,但目前还只是局限于线性方面,非线性方面功能很差而且基本没有;ABAQUS软件则在显式非线性方面有些特色,但隐式非线性方面比不上ADINA,且不具备流体的功能;ADINA软件则在结构非线性及多物理场耦合方面非常出色,是全球非线性功能最强大的有限元软件之一,而且具有全球最好的流固耦合分析功能。

来源:网络,不代表技术邻观点

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