有限元分析软件对比环境.docx

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有限元分析软件对比环境

有限元软件调查

常见软件

有限元分析软件目前最流行的有：

ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。

目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。

软件对比

　　ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。

ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。

MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。

ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。

　　结构分析能力排名：

1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS

　　流体分析能力排名：

1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS

　　耦合分析能力排名：

1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS

　　性价比排名：

最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC

ABAQUS软件与ANSYS软件的对比分析

1．在世界范围内的知名度

　　两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。

ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。

ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。

　　由于ANSYS产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。

但随着ABAQUS北京办事处的成立，ABAQUS软件的用户数目和市场占有率正在大幅度和稳步提高，并可望在今后的几年内赶上和超过ANSYS。

2．应用领域

　　ANSYS软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。

ABAQUS则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。

3．性价比

　　ANSYS软件由于价格政策灵活，具有多种销售方案，在解决常规的线性及耦合问题时，具有较好的性价比。

但在实际工程中，非线性是比线性远为普遍的自然现象，线性通常只是非线性的理想化假设。

随着研究水平的提高和研究问题的深入，非线性问题必然成为工程师和研究人员面临的课题，并成为制约深入研究和精确设计的瓶颈。

购买ABAQUS软件可以很好地解决这些问题，缩短研制周期、减少试验投入，避免重新设计。

工欲善其事，必先利其器，使用不恰当或低档的分析工具进行工作的成本要远超过使用合适工具的成本。

因此，从综合效益和长远效益而言，ABAQUS软件的经济性也是非常突出的。

4．求解器功能

　　对于常规的线性问题，两种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。

　　ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势。

其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面。

　　另外，由于ABAQUS/Standard（通用程序）和ABAQUS/Explicit（显式积分）同为ABAQUS公司的产品，它们之间的数据传递非常方便，可以很容易地考虑预紧力等静力和动力相结合的计算情况。

　　ABAQUS软件的求解器是智能化的求解器，可以解决其它软件不收敛的非线性问题，其它软件也收敛的非线性问题，ABAQUS软件的计算收敛速度较快，并更加容易操作和使用。

5．人机交互界面

　　ABAQUS/CAE是ABAQUS公司新近开发的软件运行平台，他汲取了同类软件和CAD软件的优点，同时与ABAQUS求解器软件紧密结合。

　　与其他有限元软件的界面程序比，ABAQUS/CAE具有以下的特点：

　　l采用CAD方式建模和可视化视窗系统，具有良好的人机交互特性。

　　l强大的模型管理和载荷管理手段，为多任务、多工况实际工程问题的建模和仿真提供了方便。

　　l鉴于接触问题在实际工程中的普遍性，单独设置了连接（interaction）模块，可以精确地模拟实际工程中存在的多种接触问题。

　　l采用了参数化建模方法，为实际工程结构的参数设计与优化，结构修改提供了有力工具。

6．综合性能对比

　　综合起来，ABAQUS软件具有：

　　l更多的单元种类，单元种类达433种，提供了更多的选择余地，并更能深入反映细微的结构现象和现象间的差别。

除常规结构外，可以方便地模拟管道、接头以及纤维加强结构等实际结构的力学行为

　　l更多的材料模型，包括材料的本构关系和失效准则等，仅橡胶材料模型就达16种。

除常规的金属材料外，还可以有效地模拟复合材料、土壤、塑性材料和高温蠕变材料等特殊材料

编辑本段ANSYS软件与ABAQUS、ADINA的对比分析

1．在世界范围内的知名度：

　　三种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。

　　ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉；ABAQUS软件则致力于复杂和深入的非线性工程问题；而ADINA软件除了求解非线性问外，其多物理场的流固耦合求解功能也是全球唯一的专利技术。

2．应用领域：

　　三种软件同为大型通用分析软件，都具有各自广泛的应用领域。

　　ANSYS注重应用领域的拓展和合并，目前已覆盖结构、温度、流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域；ABAQUS则只具备结构分析功能，功能仅局限于结构力学领域；而ADINA软件和ANSYS软件一样都包括结构、温度、流体及流固耦合的功能，因此其应用领域也是相当广泛。

3．性价比

　　三种软件同为美国的有限元分析软件，在价格方面相差不是特别大，不过由于ABAQUS软件仅具有结构分析的功能，因此从整体来看ABAQUS软件是最为便宜的；不过如果需要进行流体计算或者多物理场耦合求解功能的话，则相信ANSYS软件和ADINA软件都会是更好的选择。

4．求解器功能

　　对于常规的结构线性问题，三种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。

　　ABAQUS软件和ADINA软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势；而ANSYS软件和ADINA软件则在流体和多物理场耦合功能方面具有无可比拟的优势。

5．人机交互界面

　　ANSYS/Workbench、ABAQUS/CAE、ADINA/AUI都是采用CAD方式建模和可视化视窗系统，都具有良好的人机交互特性。

三种软件都除了提供窗口操作外都还提供命令流输入，但是ABAQUS/CAE并不对所有的命令流都支持CAE界面操作。

6．建模方式

　　ANSYS软件和ADINA软件都采用Parasolid为核心的实体建模技术，因此可以和其它Parasolid为核心的CAD软件实行真正无缝的双向数据交换，且该两种软件自身的建模功能很强大。

而ABAQUS软件的CAE模块和输入文件两种建模方式是由两家不同的公司研制的，CAE模块功能还不是很完全，一些功能只能通过编辑INP输入文件来实。

7．网格划分

　　三种软件都提供多种网格划分器，可以进行复杂模型的自由网格划分。

　　除常见网格划分外，ANSYS软件和ADINA软件还可以对复杂模型进行自动六面体网格划分，从而在节省技术人员工作时间的情况下又保证了网格的精度。

8．综合性能对比

　　ANSYS软件的命令流操作非常方便，对于结构循环优化方面比较有优势，但目前还只是局限于线性方面，非线性方面功能很差而且基本没有；

　　ABAQUS软件则在显式非线性方面有些特色，但隐式非线性方面比不上ADINA，且不具备流体的功能；

　　ADINA软件则在结构非线性及多物理场耦合方面非常出色，是全球非线性功能最强大的有限元软件之一，而且具有全球最好的流固耦合分析功能。

分析软件的比较NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC

COSMOS官方称为“设计校验”，意思是偏重对设计缺陷的检验。

实际操作起来，参数设定环境的加载都更倾向于模拟现实情况。

而网络划分、几何修正等环节基本上是可以让它自动完成的。

当然也可以更改

而ansys则是一款老牌的CAE软件，工程分析。

更偏向于专业的工程应用，需要获得精确的分析结果。

操作起来也十分专业，包括网络划分，几何修正、几何体的物理模型等都给与使用者更多的选择，以便达到更加精确的效果。

所以总的说来，COSMOS更适合设计人员使用，来初步检验设计缺陷。

而Ansys则更加偏重专业分析人员来做工程分析。

各种流行软件比较：

  目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。

以下为对这些常用的软件进行的比较和评价：

1.   LSTC公司的LS-DYNA 系列软件  LSDYNA长于冲击、接触等非线性动力分析。

LS-DYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Lab.）由J.O.Hallquist 主持开发完成的，主要目的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。

虽然该软件声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题，但实际上它在爆炸冲击方面，功能相对较弱，其欧拉混合单元中目前最多只能容许三种物质，边界处理很粗糙，在拉格朗日——欧拉结合方面不如DYTRAN灵活。

2. MSC.software公司的 DYTRAN软件   在同类软件中，DYTRAN在高度非线性、流固耦合方面有独特之处。

MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用功能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法发展而来的。

但是，由于MSC.DYTRAN是一个混合物，在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，也继承了其不足。

首先，材料模型不丰富，对于岩土类处理尤其差，虽然提供了用户材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，难于将反映材料特性的模型加上去；其次，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法上远不如当前版的LS-DYNA3D全面。

3. HKS公司的ABAQUS软件

  ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，属于高端CAE软件。

它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题。

ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，其系统级分析的特点相对于其他分析软件来说是独一无二的。

需要指出的是，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D 。

4.  ADINA   ADINA是近年来发展最快的有限元软件，它独创有许多特殊解法,如劲度稳定法（StiffnessStabilization）,自动步进法（AutomaticTimeStepping）,外力-变位同步控制法（Load-DisplacementControl）以及BFGS梯度矩阵更新法,使得复杂的非线性问题（如接触,塑性及破坏等）,具有快速且几乎绝对收敛的特性,且程式具有稳定的自动参数计算,用户无需头痛于调整各项参数。

另外值得一提的就是它有源代码，我们可以对程序进行改造，满足特殊的需求。

  5. NASTRAN   NASTRAN是大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准的原代码程序。

NASTRAN系统长于线性有限元分析和动力计算，因为和NASA（美国国家宇航局）的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。

NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

  6.  ANSYS

  ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，发展了很多版本，但是它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多，这些模块并不是ANSYS公司自己搞的，而是把别人的东西买来集成到自己的环境里。

ANSYS系统擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析,在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。

 7.  Algor

  ALGOR属于中高档CAE分析软件，在汽车，电子,航空航天，医学，日用品生产，军事，电力系统，石油，大型建筑以及微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。

它最大的特点是易学易用，界面友好，操作简单，这可以极大提高软件应用者在工程实际中的效率。

 8.  COSMOS

  Cosmos相对影响比较小,但Cosmos的最大特点是运算速度快，这是其他软件所不能比拟的。

Cosmos的研发者将保证收敛的迭代法--又称做快速有限元法导入COSMOS的产品之中，使新的有限元分析软件对磁盘空间上的要求大幅降低，占用计算机系统的内存也大大减少，因此分析速度大幅加快，超越传统甚多。

有限元及有限元软件的发展趋势1.国际上有限元分析软件的发展趋势  纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析软件的一些发展趋势：

<1>与CAD软件的无缝集成  许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。

有些CAE软件还为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。

<2>更为强大的网格处理能力  由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。

对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分,人们也因此迫切希望有限元软件自动六面体网格功能的出现。

<3>由求解线性问题发展到求解非线性问题  随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。

为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。

它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。

<4>由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解  有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题。

现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。

这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓"流固耦合"的问题。

由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。

<5>程序面向用户的开放性  随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。

<6> 由二维扩展为三维      早期计算机的能力十分有限，受计算费用和计算机储存能力的限制，数值模拟程序大多是一维或二维的，只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题。

随着第三代、第四代计算机的出现，才开始研制和发展更多的三维计算程序。

现在，计算程序一般都由二维扩展到了三维，如LSDYNA2D和LSDYNA3D，AUTODYN2D和AUTODYNA3D，但也有完全在三维基础上开发的，如MSC.DYTRAN。

 <7>单一坐标体系发展多种坐标体系     数值模拟软件在开始阶段一般采用单一坐标，或采用拉格朗日坐标或采用欧拉坐标，由于这两种坐标自身的缺陷，计算分析问题的范围都有很大的限制。

为克服这种缺陷，采用了三种方法，一是两个程序简单组合，如CTH—EPIC，爆炸与侵彻由不同的程序分开计算；二是在同一程序中采用多种坐标体系，如DYNA3D中早期采用的是拉格朗日坐标，而LSDYNA3D的最新版除原有类型外，新加了欧拉方法以及拉格朗日与欧拉耦合方法，而最近几年才发展的DYTRAN则是拉格朗日型的LSDYNA3D（1988版）与欧拉型的PISCES的整合体；三是采用新的计算方法，如SPH等，SPH法不用网格，没有网格畸变问题，所以能在拉格朗日格式下处理大变形问题，同时，SPH法允许存在材料界面，可以简单而精确地实现复杂的本构行为，也适用于材料在高加载速率下的断裂等问题的研究。

  <8>增强可视化的前置建模和后置数据处理功能      早期数值模拟计算软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。

随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。

在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。

目前几乎所有的商业化数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。

在强调“可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI（图形用户界面—Graphics User Interface），使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。

 <9>工作平台多样化      早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站（EWS，Engineering Work Station）上，它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。

PC机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。

最近有些公司，例如ANSYS、MSC.software等开始在Windows平台上开发有限元程序，同时还有在PC机上的Linux操作系统环境中开发有限元程序包。

 <10> 软件开发强强联合      由于数值软件的开发是一项长期而艰巨的任务，开发一个通用软件是十分困难的，各家开发的软件由于应用背景的不同而各有千秋。

随着数值模拟软件商业化的进展，各数值模拟软件公司为扩大市场，追求共同的利润，出现了强强联合的局面。

典型的如ANSYS与LSDYNA3D联合，MSC.software软件公司对ABAQUS、LS DYNA3D及PISCES等的购买。

2.国内限元分析软件的发展情况和前景      1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。

这个高潮一直持续到1981年ADINA非线性结构分析程序引进，一时间许多一直无法解决的工程难题都迎刃而解了。

大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进行分析计算的重要工具。

但是当时限于国内大中型计算机很少，大约只有杭州汽轮机厂的Siemens7738和沈阳鼓风机厂的IBM4310安装有上述程序，所以用户算题非常不方便，而且费用昂贵。

PC机的出现及其性能奇迹般的提高，为移植和发展PC版本的有限元程序提供了必要的运行平台。

可以说国内FEA软件的发展一直是围绕着PC平台做文章。

在国内开发比较成功并拥有较多用户（100家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4 等。

但是，国外很多著名的有限元分析公司已经从前些年对PC平台不屑一顾转变为热衷发展，对国内FEA程序开发者来说发展PC版本不再具有优势，而以后应该从下面几方面加以努力:

 <1>发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件

   研究开发求解非固体力学和交叉学科的FEA程序经过几十年的研究和发展，用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟，现在研究的前沿问题是流体动力学、可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题。

由于国内没有类似功能的商品化软件，所以国外的软件就卖得非常贵。

为了打破这种垄断局面，我们必须发展有自主版权、用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软件。

 <2>开发具有中国特色的自动建模技术和GUI开发建模技术

  开发具有中国特色的自动建模技术和GUI开发建模技术成本比前述课题要少得多，但却可以大大提高FEA软件的性能和用户接受程度，从而起到事半功倍的效果。

Windows中提供了OpenGL图形标准，为在PC机上应用可视化图形技术开发GUI提供了强有力的工具。

近年来国外有的FEA程序已抛开仿真软件，直接在Windows平台上开发有限元程序。

杭州自动化技术研究院1997-1999年采用OpenGL图形标准和相应的Visual C++等编程工具，在PC机上成功地开发了一套可视化有限元程序包。

它能直观地通过对"菜单"、"窗口"、"对话框"和"图标"等可视图形画面和符号的操作，自动建立有限元分析模型，并以交互方法式实现计算结果的可视化处理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精确性，也便于用户学习和掌握。

<3>与具有我国自主版权的CAD软件集成

  作为我国自行开发的FEA程序，首先要考虑和我国自主版权的CAD软件集成。

因为有限元分析主要用于形状比较复杂的零部件，所以要和具有三维造型功能和CAD软件集成，使设计和分