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LS-DYNA DYTRAN ABAQUS ADINA ANSYS NASTRAN 有限元软件比较

求解力学问题的难点不是建立控制偏微分方程式,而是偏微分方程的求解,特别是边值问题。在工程领域已经获得的偏微分方程的解析解,大都是在特殊边界条件下得出的,这些问题的解析计算往往与实际工程有差距。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,Finite 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数值计算途径。

国际上早20世纪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。目前的通用有限元程序主要有德国的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

ANSYS/LS-DYNA将显式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序强大的前后处理结合起来。用LS-DYNA的显式算法能快速求解瞬时大变形动力学、大变形和多重非线性准静态问题以及复杂的接触碰撞问题。程序可以用ANSYS建立模型,用LS-DYNA做显式求解,然后用标准的 ANSYS后处理来观看结果。也可以在ANSYS和ANSYS-LS-DYNA之间传递几何信息和结果信息以执行连续的隐式-显式/显式-隐式分析,如坠落实验、回弹、及其它需要此类分析的应用。该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——欧拉结合方面不如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

当前另一个可以计算侵彻与爆炸的商业通用软件是MSC.Software Corporation ( MSC公司) 的MSC.DYTRAN程序。该程序在是在LS-DYNA3D的框架下,在程序中增加荷兰PISCES INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体——结构相互作用功能,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。MSC.DYTRAN 是具有快速模拟瞬态高度非性结构、气体/液体流动、流体-结构相互作用,采用显式积分技术,支持材料模型和高度组合非线性分析及流体-结构的全耦合。特别对高速碰撞、结构大变形和瞬时内发生的流体结构相互作用事件的仿真
MSC.DYTRAN的算法基本上可以概况为:MSC.DYTRAN采用基于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—结构耦合分析,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本身是一个混合物,在继承了LS-DYNA3D与PISCES的优点同时,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-DYNA3D

4 ADINA

ABAQUS 其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具, ABAQUS 除了能解决结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透 / 应力耦合分析)及压电介质分析。
大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如,对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在模拟非线性问题,用户只需提供一些工程数据,像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况,ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数,而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。

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。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发,在铁道,建筑和压力容器方面应用较多。它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本,可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。

国际上数值模拟软件发展趋势

  1. 由二维扩展为三维
    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,但也有完全在三维基础上开发的,如MSC.DYTRAN,就没有二维功能。
  2. 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。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,最近又发展到求解几个交叉学科的问题。例如内爆炸时,空气冲击波使墙、板、柱产生变形,而墙、板、柱的变形又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叉迭代求解,即所谓“流—固耦合”的问题
  3. 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坐标,由于这两种坐标自身的缺陷,计算分析问题的范围都有很大的限制。为克服这种缺陷,采用了三种方法,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。
  4. 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题
    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,它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握。为此,国外一些公司开发了诸如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。
  5. 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能
    目前几乎所有的商业化数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化”的今天,很多程序都建立了对用户非常友好的GUI(图形用户界面—Graphics User Interface),使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据,并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布图,便于极值搜索和所需数据的列表输出。
  6. 与CAD软件的无缝集成
    即在用CAD软件完成结构设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行构造和计算,直到满意为止。今天,工程师可以在集成的CAD和数值模拟软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等)的接口。
  7. 工作平台多样化
    早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的,后来又发展到以工程工作站(EWS,Engineering Work Station)上,它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出,为PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到Windows平台上。
  8. 软件开发强强联合
    随着数值模拟软件商业化的进展,各数值模拟软件公司为扩大市场,追求共同的利润,出现了强强联合的局面。典型的如ANSYS与LSDYNA3D联合,MSC.software软件公司对ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的购买。

后记:其实目前仿真软件数量远远不止上面所列举内容,每个专业领域都有各自的仿真程序,如岩土工程领域的FLAC3D(有限差分),PLAXIS等等。无论那种手段都有其优缺点,熟练掌握好2个工具足矣。所谓的“通用”有限元软件,在解决实际问题中效果未必跟得上“专业软件”,但是作为工作平台仍然可以。另外,以上大部分内容来源于互联网,未能找到原文作者,所以在文章最后无法提供参考出处。

参考:[1] LS-DYNA使用指南.

2009-10-12 作者 readwiki 发布于分类: 数值计算 | 关键字 : 有限元 | 浏览 | 评论 0
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