LS-DYNA DYTRAN ABAQUS ADINA ANSYS NASTRAN 有限元軟件

2017-01-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

求解力學(xué)問題的難點(diǎn)不是建立控制偏微分方程式,而是偏微分方程的求解,特別是邊值問題。在工程領(lǐng)域已經(jīng)獲得的偏微分方程的解析解,大都是在特殊邊界條件下得出的,這些問題的解析計(jì)算往往與實(shí)際工程有差距。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數(shù)值計(jì)算途徑。
國際上早20世紀(jì)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)。目前的通用有限元程序主要有德國的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(duì)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
ANSYS/LS-DYNA將顯式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序強(qiáng)大的前后處理結(jié)合起來。用LS-DYNA的顯式算法能快速求解瞬時(shí)大變形動(dòng)力學(xué)、大變形和多重非線性準(zhǔn)靜態(tài)問題以及復(fù)雜的接觸碰撞問題。程序可以用ANSYS建立模型,用LS-DYNA做顯式求解,然后用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSYS后處理來觀看結(jié)果。也可以在ANSYS和ANSYS-LS-DYNA之間傳遞幾何信息和結(jié)果信息以執(zhí)行連續(xù)的隱式-顯式/顯式-隱式分析,如墜落實(shí)驗(yàn)、回彈、及其它需要此類分析的應(yīng)用。該數(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(duì)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(gè)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(jí)流體動(dòng)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(dòng)算法和流固耦合算法。MSC.DYTRAN 是具有快速模擬瞬態(tài)高度非性結(jié)構(gòu)、氣體/液體流動(dòng)、流體-結(jié)構(gòu)相互作用,采用顯式積分技術(shù),支持材料模型和高度組合非線性分析及流體-結(jié)構(gòu)的全耦合。特別對(duì)高速碰撞、結(jié)構(gòu)大變形和瞬時(shí)內(nèi)發(fā)生的流體結(jié)構(gòu)相互作用事件的仿真。
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(dòng),對(duì)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(dòng)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(gè)混合物,在繼承了LS-DYNA3D與PISCES的優(yōu)點(diǎn)同時(shí),也繼承了其不足。首先,材料模型不豐富,對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)時(shí)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(shí)的動(dòng)態(tài)事件,但對(duì)爆炸與沖擊過程的模擬相對(duì)不如DYTRAN和LS-DYNA3D 。
4 ADINA
ABAQUS 其解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。 ABAQUS 包括一個(gè)可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料。作為通用的模擬工具, ABAQUS 除了能解決結(jié)構(gòu)(應(yīng)力/位移)問題,還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題,例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析(流體滲透 / 應(yīng)力耦合分析)及壓電介質(zhì)分析。
大量的復(fù)雜問題可以通過選項(xiàng)塊的不同組合很容易的模擬出來。例如,對(duì)于復(fù)雜多構(gòu)件問題的模擬是通過把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項(xiàng)塊與相應(yīng)的材料性質(zhì)選項(xiàng)塊結(jié)合起來。在模擬非線性問題,用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù),像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況,ABAQUS 能自動(dòng)選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇合適參數(shù),而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過程中有效地得到精確解。用戶通過準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。
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。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā),在鐵道,建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊,分析計(jì)算模塊和后處理模塊。分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;
后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來,也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。
軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本,可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。
國際上數(shù)值模擬軟件發(fā)展趨勢(shì)
由二維擴(kuò)展為三維
現(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。
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(chǎng)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。近年來數(shù)值模擬方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問題的求解計(jì)算,最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問題。例如內(nèi)爆炸時(shí),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(dòng)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。
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(gè)程序簡(jiǎn)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(shí),SPH法允許存在材料界面,可以簡(jiǎn)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。
由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題
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,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,國外一些公司開發(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。
增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能
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(duì)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(dòng)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。
與CAD軟件的無縫集成
即在用CAD軟件完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,自動(dòng)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。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(gè)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、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等)的接口。
工作平臺(tái)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)。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(tái)。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(tái)上。
軟件開發(fā)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合
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(chǎng),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(duì)ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的購買。
后記:其實(shí)目前仿真軟件數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止上面所列舉內(nèi)容,每個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都有各自的仿真程序,如巖土工程領(lǐng)域的FLAC3D(有限差分),PLAXIS等等。無論那種手段都有其優(yōu)缺點(diǎn),熟練掌握好2個(gè)工具足矣。所謂的“通用”有限元軟件,在解決實(shí)際問題中效果未必跟得上“專業(yè)軟件”,但是作為工作平臺(tái)仍然可以。另外,以上大部分內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng),未能找到原文作者,所以在文章最后無法提供參考出處。

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