有限元分析軟件:現代計算方法-中文百科頻道

介紹

有限元分析（FEA）是對于結構力學分析迅速發展起來的一種現代計算方法。它是50年代首先在連續體力學領域--飛機結構靜、動态特性分析中應用的一種有效的數值分析方法，随後很快廣泛的應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等問題，有限元方法已經應用于水工、土建、橋梁、機械、電機、冶金、造船、飛機、導彈、宇航、核能、地震、物探、氣象、滲流、水聲、力學、物理學等，幾乎所有的科學研究和工程技術領域。

基于有限元分析（FEA）算法編制的軟件，即所謂的有限元分析軟件。通常，根據軟件的适用範圍，可以将之區分為專業有限元軟件和大型通用有限元軟件。實際上，經過了幾十年的發展和完善，各種專用的和通用的有限元軟件已經使有限元方法轉化為社會生産力。常見通用有限元軟件包括LUSAS,MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、COMSOL Multiphysics、FEPG等等。

常見軟件

Femap+ NX Nastran

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

德國INTES公司的高級有限元分析軟件PERMAS，前身可以追溯到第一個現代有限元軟件ASKA（1965年）。其具有對各種大型複雜結構的高效率的接觸非線性分析、複雜結構振動與模态分析、流固耦合動力學與噪音分析、優異的計算性能和優化分析等功能。其複雜接觸非線性分析所需計算時間可能不到其它優秀非線性分析軟件的1/10，所需計算資源更少；而高效的計算效率，使得對于CAE大規模計算的所需時間和計算資源大為減少；同時具有的強大優化功能，使得系統級的産品優化成為可能。

20年專注于有限元建模領域的工程經驗，有助于用戶将複雜的模型建模簡單化，其基于Windows的特性為用戶提供了強大的功能，且易學易用！Femap産品被廣泛地應用于多種工程産品系統及過程之中，例如：衛星、航空器、重型起重機、高真空密封器等。Femap提供了從高級梁建模、中面提取、六面體網格劃分，到功能卓越的CAD輸入和簡化的工具。NX Nastran是CAE解算器技術事實上的标準，是全球航空、航天、汽車、造船等行業絕大部分客戶認可的解算器。

NX Nastran與Femap的結合為用戶提供了一個強大且可承受的解決方案。它是一個許可證靈活、融合了Siemens PLM Software公司的“公平的市場價值”的價格哲學理念的軟件包，為用戶提供了強有力的有限元分析工具，用戶隻需支付較低的整體價格就能得到最高級的Nastran功能。Femap + NX Nastran已經在全球各行業超過10000家企業應用。

COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics是一款大型的高級數值仿真軟件。廣泛應用于各個領域的科學研究以及工程計算，被當今世界科學家稱為“最專業的多物理場全耦合分析軟件”。模拟科學和工程領域的各種物理過程，COMSOL Multiphysics以高效的計算性能和傑出的多場雙向直接耦合分析能力實現了高度精确的數值仿真。

FEPG

中國科學院數學與系統科學研究所梁國平研究員團隊曆經八年的潛心研究，獨創了具有國際領先水平的有限元程序自動生成系統（FEPG）。FEPG采用元件化思想和有限元語言這一先進的軟件設計，為各種領域、各方面問題的有限元求解提供了一個極其有力的工具，采用FEPG可以在數天甚至數小時内完成通常需要數月甚至數年才能完成的編程勞動。FEPG是目前“幸存”下來的為數不多的CAE技術中發展最好的有限元軟件，目前有三百多家科研院、企業應用。也已成為國内做的最大的有限元軟件平台。

FEPG作為通用型的有限元軟件,能夠解決固體力學、結構力學、流體力學、熱傳導、電磁場以及數學方面的有限元計算，在耦合具有特有的優勢，能夠實現多物理場任意耦合；在有限元并行計算方面處于領先地位。

SciFEA

SciFEA軟件開發的計算功能包括梁、闆、殼結構計算；彈性、彈塑性、粘彈性、粘彈塑性、非線性彈性計算；熱分析、流體分析、流固耦合、熱固耦合、熱流固耦合計算等功能。計算的類型包括靜力、動力、模态分析等。SciFEA軟件已形成了單機版、網絡版、集群并行版、GPU并行版，GPU并行版是基于新的GPU/CPU混合架構的并行有限元計算系統。SciFEA可用于機械、土木、電氣、電子、熱能、航空航天、地質、能源等專業的有限元計算分析。也可用于高校研究所等單位的有限元教學與科研。

結構特點

SciFEA抛棄了傳統CAE軟件複雜結構體系設計模式，采用直接面向用戶需求的獨立模塊開發方式。SciFEA軟件中的功能模塊保持了計算的獨立性，對CAE軟件功能擴展的複雜度降低。同時，進一步和行業需求集成的靈活度增加。

SciFEA軟件包括軟件操作界面、前後處理和計算功能模塊三大部分。前後處理采用歐洲工程數值模拟中心開發的GiD軟件包，SciFEA3.0版提供計算功能模塊包括：彈性計算、塑性計算、流體計算、粘彈性計算、材料計算、結構計算、損傷破裂計算、水熱力耦合計算、傳熱計算、滲流計算、電磁計算、電熱力耦合計算、岩土計算、熱固耦合計算、化學反應計算等；計算類型包括穩态、瞬态、動力、非線性等。

SciFEA發布的計算功能模塊均提供算例，用戶可以結合算例學習SciFEA。SciFEA的用戶模塊挂載功能實現了計算模塊的快速整合以及耦合問題的快速求解。

軟件系列

SciFEA提供單機版、網絡版、機群并行版、顯卡（GPU）并行版，發行的版本為3.0版本。單機版、網絡版均提供免費試用的版本。使用版本的使用方式和正式版本一緻，隻是在計算的單元規模上有少于3000個單元的限制。網絡版iSciFEA提供了試用的通用帳号（用戶名：guest；密碼SciFEA）。iSciFEA，SciFEA在北京超算官網上均有下載。

前後處理

SciFEA的前後處理器采用歐洲工程數值模拟國際中心開發的GiD軟件。GiD軟件具有幾何建模、網格劃分、CAD數據導入、後處理結果顯示等功能。GiD采用類似于CAD的操作模式。

幾何建模

可以通過拉伸、旋轉、鏡象、縮放、偏置等操作得到面、體，可以直接構造矩形、多邊形、圓、球、圓柱、圓錐、棱柱、圓環等；通過體面的布爾加、減、交等操作得到模型。

網格自動生成

GiD可将幾何模型自動離散成線單元、三角形單元、四邊形單元、四面體單元、六面體單元等，并且可以根據用戶的需要對網格進行局部的加密以及網格階次的選擇。

CAD和CAE接口

GiD提供：IGES、DXF、Parasolid、VDA、STL、Nastran等接口，并且可以将GiD的數據文件寫成上述的格式。

後處理

GiD可将結果寫成各種常用的圖形文件如：BMP、GIF、TPEG、PNG、TGA、TIFF、VRML等格式，以及AVI、MEPG的動畫格式。後處理支持的結果顯示方式有：帶狀雲圖顯示、等直線顯示、切片顯示、矢量顯示、變形顯示等等。并且可以根據用戶的需要定制顯示菜單。

SciFEA軟件GPU版本

超算顯卡并行系統（簡稱SciFEA-GPU）是北京超算自主開發的一款基于GPU/CPU混合架構的有限元分析系統。基于GPU和CPU兩種不同架構處理器的結合，組成硬件上的協同模式；通過實現GPU和CPU的混合編程，由CPU負責執行順序型的代碼，由GPU來負責密集的并行計算實現高效有限元分析。同時SciFEA-GPU軟件按照全新的可裝配的思路進行開發，利用軟件的可重用性，降低了軟件開發的難度，增加了軟件的可靠度。SciFEA-GPU軟件的設計架構體現了數值模拟軟件個性化發展方向，為用戶提供了一種按需選擇的高性能計算新模式。

SciFEA-GPU在材料固化、岩石破裂、瓦斯運移、孔隙介質滲流均有成功應用，隐式算法的計算效率是單CPU的6-8倍，顯式算法在30倍左右。北京超算提供計算GPU加速引擎和GPU并行計算軟件開發定制服務。

ABAQUS

ABAQUS是一套功能強大的工程模拟的有限元軟件，其解決問題的範圍從相對簡單的線性分析到許多複雜的非線性問題。達索并購ABAQUS後，将SIMULIA作為其分析産品的新品牌。它是一個協同、開放、集成的多物理場仿真平台。

LMS-Samtech

SAMTECH公司是世界著名的有限元軟件SAMCEF的開發商和供應服務商，公司總部設在比利時列日市，其前身是比利時列日大學的宇航實驗室，其軟件開發的曆史可以追溯到1965年。SAMCEF軟件的第一個靜力分析程序ASEF與1965年完成。随後在1972和1975年分别增加了模态分析程序DYNAM和熱分析程序Thermal ASEF。1977年動力響應程序REPDYN誕生。1978年SAMCEF優化模塊OPTI推出。1980年非線性靜态和動力學軟件SAMCEF Mecano的推出标志着SAMCEF在多柔體動力學領域地位的确立。

2011年8月24日，LMS國際公司正式對外宣布收購SAMTECH公司，成為其最大的控股股東。從此Samtech成為LMS國際公司的有限元專業解決方案。

介紹及技術特點

SAMCEF Mecano是以解決非線性結構和機構運動學問題的有限元分析軟件。可用于各種線性與非線性的結構強度計算，傳熱學計算機運動鞋問題分析。其有以下求解器構成，能夠解決下列專業領域的具體分析：

Mecano Sturcture：專注于解決結構非線性靜态和動态分析問題（大位移和大轉角）

Mecano Motion：專注于解決柔性靜力學，運動學和動力學分析問題

Mecano Thermal：專注于非線性穩态和瞬态分析求解器

由這些求解器構成的samcef mecano非線性隐式有限元求解器能夠求解一下問題：隐式非線性靜力學分析，隐式非線性動力學分析，多體動力學分析，線纜非線性動力學分析和非線性熱學分析。

目前，在機械系統的動力學和運動學的強度和剛度仿真分析方面主要有兩類分析軟件，一類是以結構為主要分析對象的有限元分析軟件，另一類是以機構運動為主要研究對象的運動鞋仿真分析軟件。這些軟件的局限性是在處理剛柔耦合問題時不易使用且無法處理非線性的效應。Samcef Mecano則在這一領域提供了領先的解決方案。其獨特的Motion in FEA方法将機構的運動仿真與結構的有限元分析無縫集成，可以很有效地處理剛柔耦合問題并考慮可能的非線性效應。這一領先技術已經在航空，航天，汽車，通用機械，電子設備等多個領域發揮了重要作用。

SAMCEFField

SAMCEF Field是通用的有限元分析前後處理平台。它以圖形化界面的形式，完成幾何建模，特性定義，載荷和約束處理，網格劃分，作業提交和監控以及後處理仿真等操作。它支持各種CAD到CAE模型的導入，以及各種格式結果文件和圖表的輸出。作為一個開放式的環境，SAMCEF Field通過非常直觀的導航功能，為用戶進行機構與結構的設計和仿真分析提供了一個必要的工具。