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

2017-01-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

求解力學問題的難點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。在工程領域已經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,這些問題的解析計算往往與實際工程有差距。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數值計算途徑。
國際上早20世紀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。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
ANSYS/LS-DYNA將顯式有限元程序LS-DYNA和ANSYS程序強大的前后處理結合起來。用LS-DYNA的顯式算法能快速求解瞬時大變形動力學、大變形和多重非線性準靜態問題以及復雜的接觸碰撞問題。程序可以用ANSYS建立模型,用LS-DYNA做顯式求解,然后用標準的 ANSYS后處理來觀看結果。也可以在ANSYS和ANSYS-LS-DYNA之間傳遞幾何信息和結果信息以執行連續的隱式-顯式/顯式-隱式分析,如墜落實驗、回彈、及其它需要此類分析的應用。該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。MSC.DYTRAN 是具有快速模擬瞬態高度非性結構、氣體/液體流動、流體-結構相互作用,采用顯式積分技術,支持材料模型和高度組合非線性分析及流體-結構的全耦合。特別對高速碰撞、結構大變形和瞬時內發生的流體結構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
ABAQUS 其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。 ABAQUS 包括一個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材料。作為通用的模擬工具, ABAQUS 除了能解決結構(應力/位移)問題,還可以模擬其他工程領域的許多問題,例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析(流體滲透 / 應力耦合分析)及壓電介質分析。
大量的復雜問題可以通過選項塊的不同組合很容易的模擬出來。例如,對于復雜多構件問題的模擬是通過把定義每一構件的幾何尺寸的選項塊與相應的材料性質選項塊結合起來。在模擬非線性問題,用戶只需提供一些工程數據,像結構的幾何形狀、材料性質、邊界條件及載荷工況,ABAQUS 能自動選擇相應載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇合適參數,而且能連續調節參數以保證在分析過程中有效地得到精確解。用戶通過準確的定義參數就能很好的控制數值計算結果。
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。ANSYS軟件是融結構、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。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發,在鐵道,建筑和壓力容器方面應用較多。它能與多數CAD軟件接口,實現數據的共享和交換,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等,是現代產品設計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質的相互作用,具有靈敏度分析及優化分析能力;
后處理模塊可將計算結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(可看到結構內部)等圖形方式顯示出來,也可將計算結果以圖表、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構和材料。該軟件有多種不同版本,可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上,如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。
國際上數值模擬軟件發展趨勢
由二維擴展為三維
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。
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。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。
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。
由求解線性工程問題進展到分析非線性問題
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,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,國外一些公司開發了諸如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。
增強可視化的前置建模和后置數據處理功能
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。
與CAD軟件的無縫集成
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。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、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等)的接口。
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。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。
軟件開發強強聯合
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。
后記:其實目前仿真軟件數量遠遠不止上面所列舉內容,每個專業領域都有各自的仿真程序,如巖土工程領域的FLAC3D(有限差分),PLAXIS等等。無論那種手段都有其優缺點,熟練掌握好2個工具足矣。所謂的“通用”有限元軟件,在解決實際問題中效果未必跟得上“專業軟件”,但是作為工作平臺仍然可以。另外,以上大部分內容來源于互聯網,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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