有限元第10章 有限元软件技术.docx

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有限元第10章有限元软件技术

第10章有限元软件技术

10.1　引言

有限元方法经过近半个世纪的发展，目前已成为各种工程问题特别是结构分析问题的标准分析方法，而有限元软件已成为现代结构设计不可缺少的工具。

有限元软件是由有限元理论通向实际工程应用的桥梁。

通用有限元软件的物质基础是数字计算机，而有限元软件的理论与知识基础是：

有限元法、连续统力学、本构理论、线性与非线性代数与常微分方程的算法、瞬时积分以及软件设计技术。

因此，通用有限元软件是有限元力学理论、计算数学、计算机技术综合的知识与高度密集性产品。

从有限元理论到有限元软件是一次重要的技术升华。

既要有坚实高深的理论基础，又要具备广博的计算机知识，更应以坚韧的毅力付出艰辛的劳动，投入必要的资金。

因此，衡量一个国家计算结构力学水平的高低，除了看其理论水平外，更应着重于其结构分析软件的水平。

10.2　有限元软件的发展

有限元软件的发展是随着计算机硬件与软件技术的进步而不断发展。

有限元软件的发展大约可以分成以下几个阶段：

（]）有限元分析软件，

（2）有限元分析与设计软件；

（3）有限元分析、设计与CAD软件；

（4）有限元分析、设计与CAD＋专家系统；

（5）智能性有限元结构分析系统；

（6）集成化有限元软件开发环境。

下面分别叙述各个阶段有限元软件的主要特点。

．

10.2.1有限元分析软件’

早期的有限元软件实质上只是有限元分析软件，因为从软件的组成上说，其程序主要由单元分析、组装和求解组成，缺乏前后处理功能，如图10.1所示；从软件的功能上说，它解决的问题的范围窄、复杂性小、且规模也小，功能简单，诸如线性热传导以及线性结构分析等，从软件技术上来说，它有以下几个鲜明的特点：

图10.1有限元分析软件

（1）软件只能在大型机上运行；

（2）软件以批处理方式运行，缺乏交互功能；

（3）问题信息的输入通过卡片或其他顺序访问设备，如纸带等成批输入，且输出仅限于简单的数据表格形式，可选择功能极弱；

　（4）整个软件是一个大程序，解题规模受机器内存限制。

　这些特点，使得这种有限元软件对用户要求很高，用户不但要熟悉有限元方法及其应用本身，而且还要对软件的信息格式、输入设备等有深入的了解；因此，这种软件的用户本身就是软件的开发者。

而且因为缺乏前处理和交互功能，数据输入后不能得到及时的检查，只有在分析过程无法进行或整个分析过程完成之后，经过人工的分析才可能发现问题，一旦发现问题，又必须重新进行下一轮分析。

10.2.2　有限元分析与设计软件

20世纪70年代中期以来，随着计算机运算速度的提高，内外存容量的扩大和图形设备的发展，以及软件技术的进步，有限元软件在原来的分析软件的基础上扩充了与应用领域相关的前后处理功能，并引入了文件管理技术，发展成为有限元分析与设计软件，如图10.2所示。

这里的“设计”是指有限元软件应用于结构工程设计时，所增加的荷载组合，应力校核，按照规范的配筋设计，以及绘设计图等功能。

图10.2有限元分析与设计软件

初期的前后处理软件的能力是比较弱的，特别是后处理能力更弱，但是由于引入了以图形为基础的具有交互性能的前后处理功能，使得用户更加容易学习和掌握有限元软件，减少了人工生成和输入有限元模型的工作量和计算量，提高了分析、整理结果的速度，减少了使用出错的机会。

例如，在进行有限元分析之前，可以用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件，分析完成以后能立即通过图形来进行某些物理量的交互验证等。

一般而言，完善的前处理系统的核心是用户接口解释子系统，它包括用户命令语言、面向问题语言、带标识符的数据表、菜单及对话框解释程序，数据和命令诊断子系统，即诊断用户数据、命令正确性和运行状态的程序；计算模型生成与模型的局部处理；图形输入与显示等。

后处理系统包括结果的合理性检验、模型修改、结构优化、辅助设计、图形显示与结果的编辑输出等。

10.2.3　有限元分析、设计与CAD软件

随着计算机图形软硬件技术的进一步发展，有限元分析越来越成为CAD软件不可缺少的一部分，有限元软件也逐渐发展成为有限元分析、设计与CAD软件，其软件结构如图10.3所示。

图10.3　有限元分析、设计与CAD软件

从软件技术上说，这种软件主要引入了数据库，从CAD数据库中直接取出数据进行有限元模型化，以及将有限元分析验证结果传递给CAD系统等技术，它的前后处理功能，特别是后处理功能得到进一步增强，用户使用更加方便，分析问题的效率进一步提高。

用户可以在这样的系统支持下进行多种设计方案的分析比较，生成最优设计方案，并进行详细设计，直到输出设计图。

10.2.4有限元分析、设计与CAD+专家系统

有限元软件的发展，使得有限元软件的功能和应用领域进一步扩大，人们希望有限元软件能够具备有限元结构分析专家和有限元软件专家才能具有的解决实际问题的能力。

AI技术特别是专家系统技术的发展，使得这种要求得到了实现。

有限元软件与专家系统的结合使得有限元软件发展成为有限元分析、设计与CAD+专家系统，其软件结构如图10.4所示。

图10.4　有限元分析、设计与CAD+专家系统

专家系统的引入，使得结构工程问题模型化、有限元软件的有效使用等靠专家经验解决的问题能通过软件引导用户自动实现，使得用户更方便、更容易、更正确地使用限元软件解决科研和工程问题。

10.2.5智能性有限元结构分析软件，

我们知道，应用有限元软件解决结构分析问题，至少要经过三个步骤：

（1）模型化过程，建立待分析问题的力学和有限元模型，

（2）有限元分析过程，完成单元分析、有限元方程的形成和求解，以及单元后分析等；

（3）解释评价过程，对分析结果进行解释评价。

最后回到CAD系统中，这三个过程是密不可分、缺一不可的。

由于软件技术的限制，早期的有限元软件重点考虑了有限元分析过程，而其他过程则通过手工方式借助于一些辅助工具，如前后处理和专家系统来完成。

现有的软件技术的发展，使得人们借助于人工智能技术去探求一体化的新型有限元结构分析软件，使有限元软件发展成为智能性结构分析软件。

它的软件结构如图10.5所示。

图10.5　智能性有限元结构分析系统

因为引入了人工智能方法，使得这类有限元软件可以更高速地完成建模和对结果的解释评价工作，并且可以从结果的好坏入手，进行模型的改进和演化工作，所有这些都是通过软件自动完成，从而对用户的要求更低，解决问题的效率更高，也更能与CAD系统连接形成为一个整体。

10.2.6　集成化有限元软件开发环境

有限元软件虽然具有很强的通用性，但是新材料、新方法层出不穷，应用领域不断扩大，与其应用领域中的其它功能软件的结合日趋紧密，从而对有限元软件的要求越来越高。

特别是要求有限元软件具有较强的可裁剪性和再用性，可以很方便地与其他系统相连接，也可以容易地加入新的功能，这就要求有限元软件发展成为集成化的，可支持有限元方法应用和重新开发新的有限元软件的开发环境，如图10.6所示。

这样形成的有限元软件至少应包括如下几个成分：

·数据库系统、承担整个系统的数据与信息交换和数据管理，它是整个集成环境的核心之一。

·知识库系统将特定问题有限元建模和分析的专家经验，以往问题分析和建模的经验，以及如何使用系统的经验知识，按一定的规则和结构集中在一起形成知识库集成于系统中，并提供特定的工具为系统开发者和使用者使用。

·功能软件库不仅提供传统有限元软件具有的如结构静力分析，动力分析等能直接用于工程问题分析的功能软件，而且还包括大量可再用、可扩充的功能软部件。

这些软部件通过特定的接口为有跟元软件开发者使用，形成所需要的新的有限元软件。

·工具软件库提供常规工具如；数据库管理工具，用户接口工具，软件自动生成工

图10.6集成化有限元软件开发环境

具，专家系统工具以及可视化与系统集成工具。

用户使用这些工具结合数据库系统，知识库系统以及功能软件库，可以动态形成自己需要的完善的有限元软件系统。

·用户接口系统它是系统与用户交互的场所，用户通过它实现相应的功能。

在这种集成化有限元软件开发环境中，用户不但可以方便快速地完成特定问题的结构分析，而且可以裁剪出需要的成分，与某一领域特定的功能软件相结合形成具有新功能的其它软件系统，真正发挥了有限元结构分析软件在其它结构工程中的应用，特别是结构设计中的工具作用。

10.3　有限元软件技术

在上一节，我们谈到了有限元软件发展各阶段的特点，综合这些特点，从软件技术来说，一个比较完整、高效和使用方便的有限元软件，至少应包括以下几个方面：

（1）数据管理技术；

（2）用户界面与系统集成技术；

（3）软件自动化技术；

（4）智能化技术；

（5）可视化技术。

从指导有限元软件开发的软件工程方法来说，面向对象的软件技术与有限元方法的结合产生了一门新的软件技术：

（6）面向对象的有限元软件技术。

10.3.1　数据管理技术

数据管理技术是有限元软件，以及基于有限元软件的CAD／CAM乃至CIMS系统的基础之一，有限元软件的进步与其数据管理技术的进步密切相关。

有限元软件的发展过程正是有限元软件中数据管理技术的发展过程，对传统的有限元软件来说，数据管理技术是一种在有限元分析各算法模块之间传递或交换数据的技术，但是从有限元软件的应用角度来看，数据管理不仅作为一种数据传递或交换的工具，还应作为一种辅助分析和设计的手段，比如有关数据的显示操作和管理，在CAD／CAM中尤为重要。

因此有限元软件中的数据管理技术应该是考虑上述两种目的的数据管理技术。

10.3.2　用户界面与系统集成技术

用户界面是专门处理人—机交互活动的软件成分，例如，有限元软件的前处理系统一般就是一个用户界面系统。

用户界面已经成为软件开发中一个独立的、内容丰富的领域。

一方面，同一般的应用软件一样，有限元软件的用户界面不单是提供一种使用方便和能交互式地输入和输出有关信息，而且要提供一个高效的系统集成能力。

系统集成技术与用户界面技术密切相关，就现在软件技术的发展来说，以“事件”驱动为基础的交互式动态集成软件技术已经成为用户界面技术和系统集成技术的基础；另一方面，由于有限元软件主要是解决大型的科学与工程问题的计算工作，它具有数据类型复杂和输入量大的特点，因此有限元软件的用户界面技术应该能提供一种高效的数据压缩技术，即用户只需输入少量的信息就能描述清楚有限元分析所需的全部数据。

　10.3.3　智能化技术

　从应用的角度来说，有限元软件作为工程结构分析的主要工具，已经成为结构设计的一个重要组成部分，它要求有限元方法及其软件本身具有较高的可靠性。

由于有限元分析软件和结构分析问题本身的复杂性，使得整个结构分析的可靠性不但要靠软件本身的可靠性，而且要靠用户使用的可靠性。

这就促使了专家系统技术在结构分析领域中的应用，主要表现在如下两个方面：

（1）前端智能化。

即采用智能化方法帮助用户使用有限元软件，如针对特定的问题选择分析策略和准备输入数据以及正确地调用软件的相关部分来完成相应的分析策略；

（2）模型化系统。

即辅助用户建立特定问题的力学模型和有限元模型。

由于传统的有限元结构分析软件是以数值计算为主，相应的辅助系统是围绕数值计算展开的，因而自动化程度不高，使用不便和分析问题的周期太长。

这使得有限元软件在CAD中的地位不是指导设计，而是对设计结果的验证。

这样的软件已经不能适应CAD系统，特别是智能化CAD，以及将CAD扩充成为CAD／CAM乃至计算机集成制造系统CIMS的要求。

事实上，有限元分析的目的是为了弄清楚结构在承受一定载荷下的物理响应，如刚度、强度、稳定性等，以指导结构设计。

因此，应该围绕设计过程，综合考虑有限元模型化过程、模型求解过程以及对模型求解结果的解释评价过程，来研制智能化有限元结构分析软件。

10.3.4　软件自动生成技术

有限元软件的算法是极其复杂的，开发有限元软件是非常繁琐的且工作量是很大的，为此人们考虑到有限元方法的通用性，开发了一批通用有限元软件系统。

虽然通用有限元软件的发展已经很成熟了，但是仍然不能包罗万象，对于一个特殊的工程应用来说，为了进行有效的结构分析，工程师常常不得不作一些修改，加入新的材料和新的单元。

再者，有限元方法及其应用领域仍在继续发展，新材料、新方法层出不穷，为了适应这些变化，除了开发可扩充、可再用的有限元软件系统外，更重要和更根本的是开发有限元软件的自动生成系统，以满足有限元方法研究和应用的需要。

就今天的软件自动化技术而言，还不可能完全由计算机自动生成一个完整的有限元软件。

对于有限元软件来说，用户界面和单元分析对于不同领域或针对不同问题其需求是不同的，而其它部分相对是固定的。

因此在现阶段，研究这两个方面软件的自动生成是有意义的，采用这两种技术的有限元软件也必将具有更广泛的实用性和适应性。

‘

10.3.5　可视化技术

有限元计算涉及到的数据类型多，数据量大，产生的结果数据量也大而且复杂，这是有限元软件的又一特点。

随着计算机处理能力的提高和问题规模的扩大，这个特点将尤为

明显。

由此产生的对输入信息的检查和对结果数据的理解的困难迫使人们去探求更新的软件技术。

科学计算的可视化技术正是在这一背景下发展起来的软件技术，它凭借计算机自身及其配套设备的图形能力，把计算中产生的数字信息转变为直观的、易于为研究人员和工程师理解的图形或图象形式。

它们可以是静态或动态的画面，并可以交互式地呈现于研究者和工程师面前，以加快与加深他们对被模拟对象的分析理解。

因此可视化技术的应用已经成为有限元软件的不可缺少的一个部分。

10.3.6　面向对象的有限元软件方法

有限元方法及其应用领域仍在日新月异地发展，这要求反映它的有限元软件具有高度的可扩充性和可再用性，同时有限元软件越来越成为CAD／CAM软件不可分割的一部分，这又要求有限元软件具有更高的可嵌入到其他系统的能力，而传统的以结构化分析、结构化设计和结构化编程为主的软件工程方法，虽然从一定程度上提高了软件开发效率和软件系统的可维护性，但对于提高软件的可重用性、可扩充性以及嵌入其他系统的能力方面，仍然不能满足开发新的软件系统的需要，其原因在于，传统软件工程方法是采用“面向任务”设计的观点，即为某项任务而设计。

这种方法论产生了分析与设计阶段的鸿沟，导致了分析阶段的问题域与设计阶段的求解域不一致。

面向对象方法正是为了摆脱这种不。

一致性而建立起来的新型软件工程方法。

这种方法采用“建模”的观点，采用统一的概念和术语使得分析、设计和实现协调一致，极大地提高了软件成果的可再用性和可扩充性。

10.4有限元通用软件简介

当前最为流行的通用有限元程序有ＡＢＡＱＵＳ、ＡＤＩＮＡ、ＡＮＳＹＳ、ＡＳＫＡ、

ＭＡＲＣ、ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ、ＮＩＫＥ３Ｄ以及ＳＡＰ（ＳＡＰ６之后更名为ＣＯＳＭＯＳ）等。

这里介绍其中部分程序的情况。

通用程序在激烈的竞争中必须不断改进并增添新的功能，通常２至３年推出一个新版本，这里列出的资料并不能代表它们的最新情况，仅供领略其指导思想与发展趋势参考。

表10.1列出了部分程序的历史背景，从中可以看出，影响较深远的一些大型通用有限元程序，如ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＳＫＡ、ＡＮＳＹＳ、ＡＤＩＮＡ等都具有较长的历史。

在第一版公布后软件公司对程序的维护、扩充、更新、推广等工作极为重视，拥有完善的用户服务网。

表10.2中列出各程序的用户界面。

各软件公司对程序的前后处理都投人大量人力、物力进行开发，其共同的技术特点是采用现代化计算机图形图像新技术，把几何造型、图形显示等用于有限元计算模型的自动生成与显示，并将计算结果转变为直观的图形或图像，尽可能减少用户的工作量，能做到大部分工作量由计算机自动完成，不但极大地方便用户，而且

减少了出错的概率。

表10.3列出程序的主要力学功能，但不涉及这些功能的强弱与局限性。

例如：

NASTRAN与ASKA最初都是为线性分析而设计的，后来随着有限元技术发展，根据用户需要陆续增加一些非线性功能。

虽然它们的线性分析功能，如ASKA多级子结构、NASTRAN的动力与气动弹性分析能力，都较完善并受到广大用户的一致推崇，但它们的非线性分析功能与一开始就以非线性为主要目标的软件，如ABAQUS、ADINA、MARC等比较就相形见绌。

表10.1　部分程序背景资料

名称

公布时间

研制单位

主要最初

开发者

主要应用

部门

程序语言

程序全名

备注

ABAQUS

1979

Hibbitt,

Karison

公司

Hibbitt

核、石油

通用

FORTRAN

ADINA

1975

ADINA

工程公司

Bathe

通用

FORTRAN

Automatic

Dynamic

Nonlinear

Analysis

ANSYS

1970

Swanson

分析系统

公司

Swanson

核工程

FORTRAN

ANSYS

Engineering

Analysis

System

MARC

1970

MARC

分析研究

公司

Marcal

核工程

FORTRAN

GeneralPur-

poseFinete

Element

Program

最早的非线性程序

MSC/

NASTRAN

1970

TheMacNeal

Schwendler

公司

Macneal

航空、航天

FORTRAN与汇编

MSC/NAsa

STRuctural

ANalysis

最早的大型程序

ASKA

1970左右

德国斯图加特大学宇航结构研究所

Argyris

Schrem

航空、航天

FORTRAN与汇编

Automatic

Systemfor

Kinematic

Analysis

表10.2　用户界面资料

自动格

式输入

自动分网

交互图

像显示

绘图输出

节点编号

优化

用户选择

打印

用户

子程序

ABAQUS

√

√

√

√

√

√

—

ADINA

√

√

√

√

√

√

√

ANSYS

√

√

√

√

√

√

√

MARC

√

√

√

√

√

√

√

MSC/NASTRAN

√

√

√

√

√

√

√

ASKA

√

√

√

√

—

√

√

表10.3　程序力学功能

线性

非线性

非线性

交互问题

温度场

设计

名称

　自模复瞬随晌复线

静振态特时机应合性

　特叠征响响谱材断

力性加值应应分料裂

　　　　　　析

非弹蠕粘大大线非接非非

线塑变塑挠挠性线触线线

性性或性度度屈性　性性

弹　粘　小大曲屈　断动

性　弹　应应　曲　裂力

　　性　变变

瞬疲

时劳

响

应

温液疲控气声

度体劳制动响

｜｜｜｜弹应

机固蠕结性

械体变构

稳瞬对辐温相

态态流射度变

对

　　　　材

　　　　料

影

响

结结

构构

灵优

敏化

度

分

析

ABAQUS

√√√一√一一√一

√√√√√一√√√一√

√－

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　　　　　详

――

ADINA

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ANSYS

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MARC

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√一

√√一一一一

√√√√√不

　　　　　详

――

MSC／

NASＴRAN

√√√√√√√√√

√√√一√一√√√√√

――

√一一一一一

√√√√√一

√√

ASKA

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√√√一一一√一一一一

√√

√√√―――

√√√√――

――

名称

理单一二梁三板薄厚管边一二三一二三对辐

论元维维元维元壳壳元界维维维维维维流射

方模元元元元元元流流流传传传

法型体体体导导导

ABAQUS

FD√√√√√√√√一√√√√√√一一

ADINA

FD√√√√√√√√一√√√√√√√√

ANSYS

FD√√√√√√√√一√√√√√√√√

MARC

FD，

H√√√√√√√√一√√√√√√√√

MSC／

NAS丁RAN

FD，

H√√√√√√√√一√√√√√√√√

ASKA

FD√√√√√√√√一一一一√√√一一

表10.5为材料库列表。

实际上大多数程序材料库并不独立而从属于单元库，所以并非每种单元都具有表中所列的材料功能。

但ABAQUS除外，它的材料库是独立的，即所有单元拥有表10.5中ABAQUS一栏所列功能。

注：

理论方法栏中，F表示有限元法。

单元模型栏中，D表示位移模型，H表示杂交模型。

表10.4按功能分类给出各程序的单元库，理论方法全部用有限元法。

国外的某些通用程序（如英国的PAFEC）增加了边界元，主要用于计算无限体。

单元模型以位移模型为主，间或有些杂交模型。

这两点可能反映了一些新理论尚不够成熟。

单元库往往占据了整个程序规模的很大部分，尤其在一些如ASKA、NASTRAN等老程序中，部分单元显得陈旧，有的实际无用已成为垃圾，而ADINA的单元库精练、少而覆盖面广，值得推崇。

表10.4单元库

表10.5　材料库

名称

线　非　各　线　非　弹　粘　蠕　粘　多　与　与　土

性　线　向　性　线　塑　弹　变　塑　层　温　温　与

弹　性　同　正　性　性　性　　　性　结　度　度　混

性　弹　性　交　正　　　　　　　　　构　相　相　凝

　性　　　异　交　　　　　　　　　　　关　关　土

性　异　　　　　　　　　　　弹　塑

性　　　　　　　　　　　性　性

ABAQUS

√　√　√√√√√√√√√√√

ADINA

√　√　√√√√√√√　一√√√

ANSYS

√　√　√√√√√√√√√√　√

MARC

√　√　√√√√√√√√√√√

MSC／NASTRAN

√　√　√√√√√√√√√√一

ASKA

√　√　√√－√－√－√√一

表10.6列出各程序的解法．解法并非一成不变的，随着技术的进步，各程序均在更新，例如在老程序中，在解非线性静力方程时用初载荷（包括初应变与初应力）法较多，而后则采用了拟和／或纯牛顿—拉斐逊法或其变种。

子结构功能是分析大型结构和求解局部非线性问题（如弹塑性、接触等）很重要的技巧，各程序均有此功能，有的程序初期没有而后来加上了，如NASTRAN、MARC、ADINA程序脱胎于原无子结构的SAP系列程序，虽添加了此功能，但处处可见SAP的遗迹。

ASKA可以说是以子结构为中心思想组织的程序，公认其子结构功能设计得十分灵活好用。

重启动功能是分析大型复杂结构，尤其是非线性问题十分重要的软件功能，它可以在计算过程