幾款常用有限元軟件的對比及使用體會

2016-11-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

經(jīng)常有朋友問到常用幾款有限元軟件的優(yōu)劣問題,筆者也很關(guān)注,也用過一些常用軟件,下面首先轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)上一些朋友對于常用有限元軟件的評價,最后表明自己的觀點(diǎn)。

下面是網(wǎng)上一些朋友的評價。

目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。以下為對這些常用的軟件進(jìn)行的比較和評價:

LSTC公司的LS-DYNA系列軟件。

LSDYNA長于沖擊、接觸等非線性動力分析。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)計提供分析工具,后經(jīng)多次擴(kuò)充和改進(jìn),計算功能更為強(qiáng)大。雖然該軟件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,但實(shí)際上它在爆炸沖擊方面,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。

MSC.software公司的DYTRAN軟件

在同類軟件中,DYTRAN在高度非線性、流固耦合方面有獨(dú)特之處。MSC.DYTRAN程序是在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發(fā)展而來的。但是,由于MSC.DYTRAN是一個混合物,在繼承了LS-DYNA3D與PISCES優(yōu)點(diǎn)的同時,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(yuǎn)不如當(dāng)前版的LS-DYNA3D全面。

HKS公司的ABAQUS軟件

ABAQUS是一套先進(jìn)的通用有限元系統(tǒng),屬于高端CAE軟件。它長于非線性有限元分析,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大的復(fù)雜問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析,同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究,其系統(tǒng)級分析的特點(diǎn)相對于其他分析軟件來說是獨(dú)一無二的。需要指出的是,ABAQUS對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3D。

ADINA

ADINA是近年來發(fā)展最快的有限元軟件,它獨(dú)創(chuàng)有許多特殊解法, 如勁度穩(wěn)定法(Stiffness Stabilization),自動步進(jìn)法(Automatic Time Stepping),外力-變位同步控制法(Load-Displacement Control)以及BFGS梯度矩陣更新法,使得復(fù)雜的非線性問題(如接觸,塑性及破壞等), 具有快速且?guī)缀踅^對收斂的特性, 且程式具有穩(wěn)定的自動參數(shù)計算,用戶無需頭痛于調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)。另外值得一提的就是它有源代碼,我們可以對程序進(jìn)行改造,滿足特殊的需求。

NASTRAN

NASTRAN是大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,也是全球CAE工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的原代碼程序。NASTRAN系統(tǒng)長于線性有限元分析和動力計算,因?yàn)楹蚇ASA(美國國家宇航局)的特殊關(guān)系,它在航空航天領(lǐng)域有著崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

ANSYS

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,發(fā)展了很多版本,但是它們核心的計算部分變化不大,只是模塊越來越多,這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的,而是把別人的東西買來集成到自己的環(huán)境里。ANSYS系統(tǒng)擅長于多物理場和非線性問題的有限元分析,在鐵道,建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。

Algor

ALGOR屬于中高檔CAE分析軟件,在汽車,電子, 航空航天,醫(yī)學(xué),日用品生產(chǎn),軍事,電力系統(tǒng),石油,大型建筑以及微電子機(jī)械系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。它最大的特點(diǎn)是易學(xué)易用,界面友好,操作簡單,這可以極大提高軟件應(yīng)用者在工程實(shí)際中的效率。

COSMOS

Cosmos相對影響比較小,但Cosmos的最大特點(diǎn)是運(yùn)算速度快,這是其他軟件所不能比擬的。Cosmos的研發(fā)者將保證收斂的迭代法--又稱做快速有限元法導(dǎo)入COSMOS的產(chǎn)品之中,使新的有限元分析軟件對磁盤空間上的要求大幅降低,占用計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存也大大減少,因此分析速度大幅加快,超越傳統(tǒng)甚多。

下面是一些CAE軟件用戶的體會。

1如果要學(xué)CAE軟件,俺認(rèn)為應(yīng)首選msc/patran+nastran。

2ansys據(jù)俺的體會,唯一的強(qiáng)項(xiàng)就是多場耦合。不過,ansys的apdl語言比較高級,是其最大優(yōu)勢。

2abaqus的強(qiáng)項(xiàng)是其分析功能很全面,特別是非線性部分,基本上都包含了。abaqus最大的缺點(diǎn)是上手慢,其教程太差,除了幾本手冊,基本上等于沒有教程。如果愣要用非線性分析,而nastran/ansys都沒用,也只能用abaqus了。abaqus解決巖土、混凝土等的非線性問題比marc要好,光本構(gòu)就一大堆,而且例子也多,而ansys巖土能力為零。

4汽車領(lǐng)域90%以上的LICENSE是hypermesh+nastran。HYPERMESH是萬金油,在汽車領(lǐng)域的另外常用搭配是 HYPERMESH+ABAQUS也占相當(dāng)比重。

8鄙人是先用MARC/Mentat,后用ABAQUS/Patran。在做學(xué)術(shù)問題的時候,更傾向于使用ABAQUS求解。對于習(xí)慣于使用數(shù)據(jù)輸入文件的人來說,在模型比較簡單情況下,ABAQUS有一定的優(yōu)勢。因?yàn)镸ARC的輸入文件要比ABAQUS難讀懂,工況的變化也不如ABAQUS靈活。但是,MARC 的求解器速度非常地快,類似的問題要比ABAQUS快幾倍。Mentat的網(wǎng)格劃分功能也十分地強(qiáng)。其功能絕對不比Partran差。

7Patran的通用性遠(yuǎn)比MARC強(qiáng)。它可以產(chǎn)生Nastran,ABAQUS,MARC等所需的文件,也可以讀取它們的結(jié)果文件。有的時候我就是先采用 Mentat生成網(wǎng)格(尤其是不規(guī)則邊界的模型),然后再用Patran將網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ABAQUS的輸入文件。在大多數(shù)情況下,其速度要比單獨(dú)用 Patran快而且網(wǎng)格的質(zhì)量也較好。

下面是筆者的體會。

對于上述軟件,筆者大部分都用過,不過用得最多的還是ANSYS,所以還是把這些軟件與ANSYS比較來談。

LS-DYNA,是公認(rèn)的計算沖擊,碰撞問題的很牛的軟件。ANSYS也的確購買了它的求解器進(jìn)行沖擊,碰撞問題的計算。不過,在ANSYS WORKBENCH中的AUTODYN軟件計算沖擊,碰撞的功能與LS-DNYA相似,也非常好。該軟件不僅具有FEM求解器,也具有有限體積求解器用于計算流體,以及無網(wǎng)格方法進(jìn)行爆炸的仿真,做得非常好,并不比LS-DYNA差。

ABAQUS,非線性計算的行家。筆者使用ABAQUS,印象最深的是它對于多載荷步的計算和規(guī)劃,以及它的軟件設(shè)計思想,非常嚴(yán)密而且直觀。而筆者在用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性計算的時候,則總要進(jìn)行很多參數(shù)的設(shè)置,也比較容易不收斂。我想,如果做非線性結(jié)構(gòu)分析,ABAQUS的確無可替代。

NASTRAN,結(jié)構(gòu)分析做得很好,用起來感覺不出與ANSYS有多大的差別。在中國也占領(lǐng)了相當(dāng)大的用戶市場,筆者用它做分析,沒有很特別的感覺。

COSMOS,多物理場分析專家。計算速度飛快,設(shè)置耦合條件也很好,操作也很方便。有時候感覺是太方便了,都有點(diǎn)不習(xí)慣。不過筆者也只是在七,八年以前用過,并沒有用得很深入。

HYPERMESH,前處理專家。在網(wǎng)格劃分方面,恐怕沒有哪個軟件可與之匹敵。其對網(wǎng)格的精密而底層的控制,令人嘆為觀止。所以,設(shè)若要做幾何清理,劃分網(wǎng)格,HYPERMESH的確是首選。

MARC,據(jù)說是做非線性很牛的軟件。只是操作界面實(shí)在不敢恭維,用起來很費(fèi)勁,以至于筆者都很難去感受它的優(yōu)點(diǎn)。

ANSYS,是筆者用得最多的軟件。當(dāng)初筆者之所以用ANSYS,是因?yàn)樽霾┦空撐囊枚辔锢韴鲴詈?而ANSYS做多物理場耦合的確非常好。在近些年,ANSYS相繼收購了一堆很牛的軟件,現(xiàn)在對于流體分析,電磁分析,以及瞬態(tài)動力學(xué)分析已經(jīng)很強(qiáng)大。至于熱分析則很一般,對于巖土結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)計算也不過爾爾。

我想,很難評價哪個軟件好,哪個軟件不好。就一般使用而言,NASTRAN,ABAQUS,ANSYS感覺都差不多,界面都很友好,操作都很方便。如果說最明顯的感覺,就是ANSYS做得很全面,流體分析,電磁分析,多物理場分析超級強(qiáng)大,而非線性分析弱一些;ABAQUS非線性分析最厲害;而NASTRAN則很正規(guī),用戶多,但是沒有很特別的感覺。蘿卜白菜,各有所愛,只是看我們接觸哪個最早,使用最多一些。正因?yàn)槿绱?所以有限元軟件領(lǐng)域才沒有只被哪個軟件所壟斷,呈現(xiàn)出百家爭鳴的局面,這就很好。也正如世界上有十幾億小孩,到底哪個孩子好呢?我想,我們都會認(rèn)為,自己的孩子最好。

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