有限元分析软件:现代计算方法-中文百科频道

介绍

有限元分析（FEA）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、流体力学等问题，有限元方法已经应用于水工、土建、桥梁、机械、电机、冶金、造船、飞机、导弹、宇航、核能、地震、物探、气象、渗流、水声、力学、物理学等，几乎所有的科学研究和工程技术领域。

基于有限元分析（FEA）算法编制的软件，即所谓的有限元分析软件。通常，根据软件的适用范围，可以将之区分为专业有限元软件和大型通用有限元软件。实际上，经过了几十年的发展和完善，各种专用的和通用的有限元软件已经使有限元方法转化为社会生产力。常见通用有限元软件包括LUSAS,MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics、FEPG等等。

常见软件

Femap+ NX Nastran

Siemens PLM Software家族的Femap以Parasolid为内核，具有

德国INTES公司的高级有限元分析软件PERMAS，前身可以追溯到第一个现代有限元软件ASKA（1965年）。其具有对各种大型复杂结构的高效率的接触非线性分析、复杂结构振动与模态分析、流固耦合动力学与噪音分析、优异的计算性能和优化分析等功能。其复杂接触非线性分析所需计算时间可能不到其它优秀非线性分析软件的1/10，所需计算资源更少；而高效的计算效率，使得对于CAE大规模计算的所需时间和计算资源大为减少；同时具有的强大优化功能，使得系统级的产品优化成为可能。

20年专注于有限元建模领域的工程经验，有助于用户将复杂的模型建模简单化，其基于Windows的特性为用户提供了强大的功能，且易学易用！Femap产品被广泛地应用于多种工程产品系统及过程之中，例如：卫星、航空器、重型起重机、高真空密封器等。Femap提供了从高级梁建模、中面提取、六面体网格划分，到功能卓越的CAD输入和简化的工具。NX Nastran是CAE解算器技术事实上的标准，是全球航空、航天、汽车、造船等行业绝大部分客户认可的解算器。

NX Nastran与Femap的结合为用户提供了一个强大且可承受的解决方案。它是一个许可证灵活、融合了Siemens PLM Software公司的“公平的市场价值”的价格哲学理念的软件包，为用户提供了强有力的有限元分析工具，用户只需支付较低的整体价格就能得到最高级的Nastran功能。Femap + NX Nastran已经在全球各行业超过10000家企业应用。

COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“最专业的多物理场全耦合分析软件”。模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。

FEPG

中国科学院数学与系统科学研究所梁国平研究员团队历经八年的潜心研究，独创了具有国际领先水平的有限元程序自动生成系统（FEPG）。FEPG采用元件化思想和有限元语言这一先进的软件设计，为各种领域、各方面问题的有限元求解提供了一个极其有力的工具，采用FEPG可以在数天甚至数小时内完成通常需要数月甚至数年才能完成的编程劳动。FEPG是目前“幸存”下来的为数不多的CAE技术中发展最好的有限元软件，目前有三百多家科研院、企业应用。也已成为国内做的最大的有限元软件平台。

FEPG作为通用型的有限元软件,能够解决固体力学、结构力学、流体力学、热传导、电磁场以及数学方面的有限元计算，在耦合具有特有的优势，能够实现多物理场任意耦合；在有限元并行计算方面处于领先地位。

SciFEA

SciFEA软件开发的计算功能包括梁、板、壳结构计算；弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、非线性弹性计算；热分析、流体分析、流固耦合、热固耦合、热流固耦合计算等功能。计算的类型包括静力、动力、模态分析等。SciFEA软件已形成了单机版、网络版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架构的并行有限元计算系统。SciFEA可用于机械、土木、电气、电子、热能、航空航天、地质、能源等专业的有限元计算分析。也可用于高校研究所等单位的有限元教学与科研。

结构特点

SciFEA抛弃了传统CAE软件复杂结构体系设计模式，采用直接面向用户需求的独立模块开发方式。SciFEA软件中的功能模块保持了计算的独立性，对CAE软件功能扩展的复杂度降低。同时，进一步和行业需求集成的灵活度增加。

SciFEA软件包括软件操作界面、前后处理和计算功能模块三大部分。前后处理采用欧洲工程数值模拟中心开发的GiD软件包，SciFEA3.0版提供计算功能模块包括：弹性计算、塑性计算、流体计算、粘弹性计算、材料计算、结构计算、损伤破裂计算、水热力耦合计算、传热计算、渗流计算、电磁计算、电热力耦合计算、岩土计算、热固耦合计算、化学反应计算等；计算类型包括稳态、瞬态、动力、非线性等。

SciFEA发布的计算功能模块均提供算例，用户可以结合算例学习SciFEA。SciFEA的用户模块挂载功能实现了计算模块的快速整合以及耦合问题的快速求解。

软件系列

SciFEA提供单机版、网络版、机群并行版、显卡（GPU）并行版，发行的版本为3.0版本。单机版、网络版均提供免费试用的版本。使用版本的使用方式和正式版本一致，只是在计算的单元规模上有少于3000个单元的限制。网络版iSciFEA提供了试用的通用帐号（用户名：guest；密码SciFEA）。iSciFEA，SciFEA在北京超算官网上均有下载。

前后处理

SciFEA的前后处理器采用欧洲工程数值模拟国际中心开发的GiD软件。GiD软件具有几何建模、网格划分、CAD数据导入、后处理结果显示等功能。GiD采用类似于CAD的操作模式。

几何建模

可以通过拉伸、旋转、镜象、缩放、偏置等操作得到面、体，可以直接构造矩形、多边形、圆、球、圆柱、圆锥、棱柱、圆环等；通过体面的布尔加、减、交等操作得到模型。

网格自动生成

GiD可将几何模型自动离散成线单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元等，并且可以根据用户的需要对网格进行局部的加密以及网格阶次的选择。

CAD和CAE接口

GiD提供：IGES、DXF、Parasolid、VDA、STL、Nastran等接口，并且可以将GiD的数据文件写成上述的格式。

后处理

GiD可将结果写成各种常用的图形文件如：BMP、GIF、TPEG、PNG、TGA、TIFF、VRML等格式，以及AVI、MEPG的动画格式。后处理支持的结果显示方式有：带状云图显示、等直线显示、切片显示、矢量显示、变形显示等等。并且可以根据用户的需要定制显示菜单。

SciFEA软件GPU版本

超算显卡并行系统（简称SciFEA-GPU）是北京超算自主开发的一款基于GPU/CPU混合架构的有限元分析系统。基于GPU和CPU两种不同架构处理器的结合，组成硬件上的协同模式；通过实现GPU和CPU的混合编程，由CPU负责执行顺序型的代码，由GPU来负责密集的并行计算实现高效有限元分析。同时SciFEA-GPU软件按照全新的可装配的思路进行开发，利用软件的可重用性，降低了软件开发的难度，增加了软件的可靠度。SciFEA-GPU软件的设计架构体现了数值模拟软件个性化发展方向，为用户提供了一种按需选择的高性能计算新模式。

SciFEA-GPU在材料固化、岩石破裂、瓦斯运移、孔隙介质渗流均有成功应用，隐式算法的计算效率是单CPU的6-8倍，显式算法在30倍左右。北京超算提供计算GPU加速引擎和GPU并行计算软件开发定制服务。

ABAQUS

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，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。达索并购ABAQUS后，将SIMULIA作为其分析产品的新品牌。它是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台。

LMS-Samtech

SAMTECH公司是世界著名的有限元软件SAMCEF的开发商和供应服务商，公司总部设在比利时列日市，其前身是比利时列日大学的宇航实验室，其软件开发的历史可以追溯到1965年。SAMCEF软件的第一个静力分析程序ASEF与1965年完成。随后在1972和1975年分别增加了模态分析程序DYNAM和热分析程序Thermal ASEF。1977年动力响应程序REPDYN诞生。1978年SAMCEF优化模块OPTI推出。1980年非线性静态和动力学软件SAMCEF Mecano的推出标志着SAMCEF在多柔体动力学领域地位的确立。

2011年8月24日，LMS国际公司正式对外宣布收购SAMTECH公司，成为其最大的控股股东。从此Samtech成为LMS国际公司的有限元专业解决方案。

介绍及技术特点

SAMCEF Mecano是以解决非线性结构和机构运动学问题的有限元分析软件。可用于各种线性与非线性的结构强度计算，传热学计算机运动鞋问题分析。其有以下求解器构成，能够解决下列专业领域的具体分析：

Mecano Sturcture：专注于解决结构非线性静态和动态分析问题（大位移和大转角）

Mecano Motion：专注于解决柔性静力学，运动学和动力学分析问题

Mecano Thermal：专注于非线性稳态和瞬态分析求解器

由这些求解器构成的samcef mecano非线性隐式有限元求解器能够求解一下问题：隐式非线性静力学分析，隐式非线性动力学分析，多体动力学分析，线缆非线性动力学分析和非线性热学分析。

目前，在机械系统的动力学和运动学的强度和刚度仿真分析方面主要有两类分析软件，一类是以结构为主要分析对象的有限元分析软件，另一类是以机构运动为主要研究对象的运动鞋仿真分析软件。这些软件的局限性是在处理刚柔耦合问题时不易使用且无法处理非线性的效应。Samcef Mecano则在这一领域提供了领先的解决方案。其独特的Motion in FEA方法将机构的运动仿真与结构的有限元分析无缝集成，可以很有效地处理刚柔耦合问题并考虑可能的非线性效应。这一领先技术已经在航空，航天，汽车，通用机械，电子设备等多个领域发挥了重要作用。

SAMCEFField

SAMCEF Field是通用的有限元分析前后处理平台。它以图形化界面的形式，完成几何建模，特性定义，载荷和约束处理，网格划分，作业提交和监控以及后处理仿真等操作。它支持各种CAD到CAE模型的导入，以及各种格式结果文件和图表的输出。作为一个开放式的环境，SAMCEF Field通过非常直观的导航功能，为用户进行机构与结构的设计和仿真分析提供了一个必要的工具。