ANSYS学习方法汇总

有限元好文章

从对有限元仅停留在课程的单调乏味到对结果的精益求精,一路感觉如下

(1)有限元是一种模拟真实世界的方法,所以重点是方法和精度,软件只是一种工具,相对来说，软件的难度不过是整个过程的1/3左右,与自己对软件的操控所匹配或凌驾于软件操作之上的理论深度是理解和解决问题的关键。常常我们碰到问题首先想到的是怎么在软件中作出来，却没有去想这个问题出现的原因和导致的后果，没有应用我们在大学里和时间中积累的力学、数学等基础理论去还原客观世界。软件只是还原了客观世界的一个存在的数学模型，我们更需要做的是还原这个数学模型的全貌。

（2）有限元发展到现在，各种各样的软件已经成为CAE工程师的必备工具。从静力到动力，从固体到流固耦合，从极限工况到疲劳工况，目前的软件行业几乎跨越了整个工程界。然而，很多工程师仅仅停留于操作软件而已。所谓共欲善其事，必先利其器。因此，加深对软件的熟练操作也是无可厚非的。然而，我认为将自己的理论同软件的内核设计思想结合起来才是打破自己的CAE分析瓶颈的重要一步。

（3）好的CAE工程师不是一天就能够解决一个突破性的问题。走入有限元这个领域，就象走入一个迷宫。软件、思想、问题，这些都是我们工程师的困惑。所以失败、重复是常有的事，所以交流、坚持是必须的事。只有交流才有创意，只有坚持才有成功。有限元中不是没有创意，谁又敢说好的有限元分析结果不是令人赏心悦目的工艺品！ 一般来说，ＣＡＥ分析有如下三个过程

（1）前处理 目前来说，有限元前处理的软件应用最广泛的是HYPERWORKS中的HYPERMESH，其实我想画网格大家只要学好它的帮助里的day1和day2教程，差不多可以入手一些简单的前处理了，入门是关键，至于深入，那是一个柳暗花明的过程，就靠大家的积累了。 （2）分析软件。目前来说做结构线形分析的最常用的MSC公司的nastran，做结构非线形分析的做权威的应该算是达索公司的ABAQUS了，做结构动力学和运动学的是MSC公司的adams，做跌落和汽车碰撞访真分析的是ETA公司的LSDYNA。每一个软件内容都很多，但其实入门很简单。因为软件其实就是程序，关键字就是语法，所以理解了软件的关键字就是理解了软件的剑诀，至于剑招就是软件的帮助文件，所以建议大家从软件的帮助和关键字着手。经验总是积累的，循序渐进才能事半功倍。

（3）后处理 很多人都忽视了这一点。但其实它跟求解组成了整个分析过程。所以要充分运用对结果的后处理。一般说来，主要有下面几点需要注意：

a 判断结果的正确性 这个内容就多了，我想不是一时半会就能说完了。。。。。 b 理解软件的求解思路，对模型进行优化 这是一个不断精益求精的过程 c 验证模型 这是开拓创新的一个好方法，是检验自己创意的工具 仁者见仁，最好的方法就是最适用于自己的方法，

二

准确的说，应该是谈谈我对发在这里的帖子质量的看法。因为专业的原因，我对有限元及其软件是有很深感情的。又因为一直对清华深有好感，可惜因为一些原因最终没有来清华深造，所以比较关注清华的BBS。写这篇文章要耗费我差不多一个完整的下午，但是我愿意。我知道学有限元其实不是一件容易的事情，我把我的想法说出来，希望对初学者有所裨益。 坦率的说，我认为这里有限元板块的质量是不高的。之所以如此，是因为在这里很多人问的问题是太简单而且对自己不负责任的。这不是版主的错，是因为我们许多人还没有养成良好的专业素养和严谨的精神。 请不要轻易的否认我的这个评价，好吗？至少，现在请不要。就是对我的话不屑一顾，也应该是在看完我的话之后吧。

我用我的思维方式来说话，并不是每一个人都会习惯，请见谅！我还要声明的是，我本人的水平一般般，自己也对自己有很多的不满，所以在这里说的很可能很幼稚或者有错误。请大家指教！我们应该有一个良好的讨论气氛。

有限元对许多工科的人而言，其必要性和重要性不言而喻。问题在于，应该怎样的学习它呢？学习它，至少不用它到处害人也害己的话，我觉得至少要在下面四个方面有些基本知识：1、有限元基本理论及其求解基本步骤（数学基础）；2、有限元专业英语（英语基础）；3、你自己所属专业的东东（专业基础）；4、几何造型及拓扑学知识（建模基础）。这个排序是由重到轻的。

接下来，我首先说一说上面四个方面的意义和作用；之后谈一下为什么我认为在这里问的相当一部分问题是太简单而且对自己不负责任的。

1、做专业就要有做专业的样子。咱们理工科的学生，没有辛苦的付出是不可能有真正收获的。收获和付出在这里成正比。常常有人觉得有限元的软件很难，不好学，不好用，很多东西搞不懂，一提就头痛。其实这里面相当的一部分是有限元基本理论可以解决的问题，而不是软件的设计思想不好。现在的商用有限元软件，比如我用过的abaqus，ansys，adina以及algor，应该说它们的界面已经很友好了，包括帮助文档等等都不错。很大程度上使用者的问题是使用者自己对有限元基本理论漠不关心造成的。比如，许多人不清楚ansys里面几何信息如keypoint、line、area等到底和有限元模型是什么关系，其实他们和有限元模型没有任何必然的联系。它们只是软件为了方便建立有限元模型而提供的中间手段。又如二维的实体单元（2－D solid element ）和三位空间的壳单元（shell

element）有什么区别？从根本上说，两者的自由度不同。这样的概念在几乎任何一本有限元书籍中一开始不多久就会提到。只要你有弹性力学的基本知识，看这些应该不会很难的。但是，当遇到问题的时候，你考虑过是自己的有限元基本知识不够吗？

2、 有限元理论完全可以看中文的书籍了。但是，学习有限元软件仅仅有中文是不够的。当前我们使用的大型有限元软件几乎都是欧美的产品。他们几乎无一例外都用英语。为了解决这个语言上的问题，国内已经出了不少有限元软件方面的中文使用参考书，其中尤以讲述ansys的书最多最滥，害人不浅！虽然每一本这样的书上都赫然写着作者的名字，但是只要你稍微耐着性子坚持看一段ansys的英文联机帮助，你就会明白，那些中文的ansys使用参考书其实就是把帮助文档的某些部分翻译过来ok。这样的作者其实还有一个名字——“贼”。因为这样的书以及这样的人的存在，所以如果你长期坚持看那样的中文书，你就被害了。原因很简单，那些书所

能提供的内容，你在软件英文帮助里面很快其实就可以学到。如果有问题，英文帮助文档解决不了，那么我敢打赌，你看的那些国内“名家”的“著作”也绝对会亵渎你的眼球。

很多人不习惯看英语的帮助，反而习惯看中文的那些书，原因大致是对自己的英语信心不足，还有一开始对中文的依赖造成的。久了你就会发现，不接触那些英语，你想继续前进是不可能的。当然，有两点要说明，一是，在刚刚开始的时候，你可以看看中文的使用参考书，但是越早使用英语越对你有利，二是，一开始你觉得看英语帮助很难，往不是语言本身的问题，而是你对有限元基本理论的陌生造成的。这个时候看中文的使用参考你还是不懂的，应该看有限元的书。

3、有限元可以解决很多问题。简单的说，凡是关于连续介质的问题，它差不多都是可以解决的。所以，电磁场问题、力学场问题（包括固体力学、流体力学）、温度场问题以及耦合问题等等，在进行计算机数值分析模拟的时候，有限元往往会成为首选。因此，不同专业的人在使用有限元的时候，当然要理解自己的专业了。不过，这个许多人不会出大毛病，就不废话了。（呵呵，别人的专业其实我也“废话”不了，偶不懂嘛^_^）。还是要提醒一点，将自己专业问题抽象成有限元模型，还是要小心严谨为好！！

4、最好还要知道一点几何造型以及拓扑学知识。这么说吧，在用ansys建模的时候，如果你是在三维空间里先建立几何模型，然后以它为基础建立有限元网格，那么你可能会因为在有的地方很难剖出六面体的网格而头痛，以至你不得不用“free mesh”来生成你自己看了都觉恶心的网格。那么，什么样的几何模型可以剖出良好的网格呢？要把事情做的像样，仅仅知道几何形体的形状不要太畸形这一点是不够的。你知道“拓扑结构不变性”以及“拓扑结构不变量”不？要是知道了，你的建模思路就会比较理性、清晰。而这些知识，你可以参考拓扑学的相关书籍。苏步清老先生在几十年前写过一本很薄的书，讲拓扑学最基本的知识，写的很生动、通俗。要不，哥们（或者美女傻冒）您老人家也看看？

下面说一下为什么我认为在这个板块问的相当一部分问题是太简单而且对自己不负责任的。有暴力倾向并且不怕大侠我报复的，而且想对号入座的家伙，可以去找砖头了，呵呵。 我不是反对使用网络，我反对的是使用网络不负责任的对待自己。比如说，有人问了这样的问题：

“ 请问：下面这个警告什么意思？

*** WARNING *** CP= 16348.630 TIME=

19:44:35 Small equation solver pivot term= 3.698915243E-04 encountered at UY DOF of node 108112. Check for an insufficiently constrained model. ”

我知道这是怎么回事。因为这段英语说的清清楚楚：Check for an insufficiently constrained model！！——检查你的模型，因为这个模型的约束不够。并且这段英语还指出是108112号节点y方向的自由度约束不够。这段警告信息言简意赅，你让我如何再来添油加醋的回答“下面这个警告什么意思”？如果你不知道自己的约束到底错在哪里，而希望在网上有人准确的回答，那么应该是不可能的。因为引起这个警告信息的原因很多。接触问题、约束方程的问题、位移约束的问题等等都可以引发这个警告。在网上没有人知道你的模型是分析什么问题的模型，所以面对这个警告，除了把它翻译成汉语之外，又能给你多少帮助呢？

网上确实有高手，但是网上没有算命先生，更没有能掐会算的神仙。我的意思是说，不是不能问问题。而是应该学会问问题。不要脱口就问，要想一想，你问的问题就算有人懂，那么他能以什么样的方式回答到什么样的水平，尤其是在距离你可

能千里之遥的网络上。这是在说应该会问问题。

我知道很多问问题的人是因为身边没有合适的人可以请教，或者事情很急，就想到了理论速度为每秒30万公里的网路。可是，古人的一句话却经常被人遗忘：“欲速则不达”。当你急得冒汗的时候，请想一想，为什么就是你急呢？为什么你现在才急呢？你越是试图用网络在几秒钟的时间里解决专业问题，越是说明你是浮躁的，没有严谨的专业治学精神。

如果你不是专门搞计算机的，而你的机子中毒了，那么你当然可以在网上求助如果你是学数学的，而还没有mm关注过你，你也可以在网上求教。但是如果你是解决有限元专业问题而试图在网上三下五除二的搞定，错的人是你。因为那是不可能实现的。别人可以告诉你高斯点的位移和单元位移是不同的，但是别人无法在网上使你明白位移有限元法的前因后果。别人可以一句话说你的温度场问题有必要和力学问题进行有限元耦合分析，但是很难有人在网上可以使你明白你的有限元模型抽象的是否合适。别人可以告诉你采用abaqus进行本构关系的二次开发应该注意哪些问题，但是当你一开始工作的时候，你还是会一头雾水。简单些说，别人可以给你指个方向，但是别人无法帮你走过本该属于你去走的路。如果你提出问题只是想得到他人方向性的指点，从而避免南辕北辙的危险，那么你是聪明的；但是如果你在细节上出现问题就尝试依靠别人帮助你，那只能说明你还没有学会走路。这个时候的你看似聪明，实际上却失去了在困难中得到磨练和感悟的机会，朋友，这样的话你在日后的道路上可以走多远？如果你急得连静静的啃啃书本的时间都没有了，恨不得直接有人带你飞跃专业上的万水千山，那说明你本来就没有认真的准备过。不要期望在专业知识和水平上有暴发户。无论你长得多么漂亮，也必须付出理性和长期的努力才可能成为专业上的“模特”。

ansys学习方法汇总

一 学习ANSYS需要认识到的几点

相对于其他应用型软件而言，ANSYS作为大型权威性的有限元分析软件，对提高解决问题的能力是一个全面的锻炼过程，是一门相当难学的软件，因而，要学好ANSYS，对学习者就提出了很高的要求，一方面，需要学习者有比较扎实的力学理论基础，对ANSYS分析结果能有个比较准确的预测和判断，可以说，理论水平的高低在很大程度上决定了ANSYS使用水平；另一方面，需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。在学习ANSYS的方法上，为了让

初学者有一个比较好的把握，特提出以下五点建议： （1）将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来

毫无疑问，刚开始接触ANSYS时，如果对有限元，单元，节点，形函数等《有限元单元法及程序设计》中的基本概念没有清楚的了解话，那么学ANSYS很长一段时间都会感觉还没入门，只是在僵硬的模仿，即使已经了解了，在学ANSYS之前，

也非常有必要先反复看几遍书，加深对有限元单元法及其基本概念的理解。

作为工程力学专业的学生，虽然力学理论知识学了很多，但对许多基本概念的理解

许多人基本上是只停留于一个符号的认识上，理论认识不够，更没有太多的感性认识，比如一开始学ANSYS时可能很多人都不知道钢材应输入一个多大的弹性模量是合适的。而在进行有限元数值计算时，需要对相关参数的数值有很清楚的了解，比如材料常数，直接关系到结果的正确性，一定要准确。实际上在学ANSYS时，以前学的很多基本概念和力学理论知识都忘得差不多了，因而遇到有一定理论难度的问题可能很难下手，特别是对结果的分析，需要用到《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》里面的知识进行理论上的判断，所以在这种情况下，复习一下《材料力学》，《弹性力学》和《塑性力学》是非常有必要的，加深对基本概念的理解，实际上，适当的复习并不要花很多时间，效果却很明显，不仅能勾起遥远的回忆，

加深理解，又能使遇到的问题得到顺利的解决。

在涉及到复杂的非线性问题时（比如接触问题），一方面，不同的问题对应着不同的数值计算方法，求解器的选择直接关系到程序的计算代价和问题是否能顺利解决；另一方面，需要对非线性的求解过程有比较清楚的了解，知道程序的求解是如何实现的。只有这样，才能在程序的求解过程中，对计算的情况做出正确的判断。因此，要能对具体的问题选择什么计算方法做出正确判断以及对计算过程进行适当控制，对《计算方法》里面的知识必须要相当熟悉，将其理解运用到ANSYS的计算过程中来，彼此相互加强理解。要知道ANSYS是基于有限元单元法与现代数值计算方法的发展而逐步发展起来的。因此，在解决非线性问题时，千万别忘了复习一下《计算方法》。此外，对《计算固体力学》也要有所了解（一门非常难学的课），ANSYS对非线性问题处理的理论基础就是基于《计算固体力学》里面所讲到的复杂理论。

作为学工程力学的学生，提高建模能力是非常急需加强的一个方面。在做偏向于理论的分析时，可能对建模能力要求不是很高，但对于实际的工程问题，有限元模型的建立可以说是一个最重要的问题，而后面的工作变得相对简单。建模能力的提高，需要掌握好的建模思想和技巧，但这只能治标不能治本，最重要的还是要培养较强看图纸的能力，而看图纸的能力培养一直是我们所忽视的，因此要加强对《现代工

程图学》的回忆，最好能同时结合实际的操作。

以上几个方面，只是说明在ANSYS的过程中，不要纯粹的把ANSYS当作一门功课来学，这样是不可能学好ANSYS的，而要针对问题来学，特别是遇到的新问题，首先要看它涉及到那些理论知识，最好能作到有所了解，然后与ANSYS相关设置结合起来，作到心中有数，不至于遇到某些参数设置时，没一点概念，不知道如何下手。工程力学专业更多的偏向于理论，往往觉得学了那么多的力学理论知识没什么用，不知道将来自己能作什么，而学ANSYS实际起到了沟通理论与实践的桥梁

作用，使你能够感到所学的知识都能用上，甚至激发出对本专业的热爱。

（2）多问多思考多积累经验

学习ANSYS的过程实际上是一个不断解决问题的过程，问题遇到的越多，解决的越多，实际运用ANNSYS的能力才会越高。对于初学者，必将会遇到许许多多的问

题，对遇到的问题最好能记下来，认真思考，逐个解决，积累经验。只有这样才会印象深刻，避免以后犯类似的错误，即使遇到也能很快解决。因此，建议一开始接

触ANSYS就要注意以下三点：

第一， 要多问，切记不要不懂就问。在使用ANSYS处理具体的问题时，虽然会遇到大量ERROR提示，实际上，其中许多ERROR经过自己的思考是能够解决的简单问题，只是由于缺乏经验才感觉好难。因此，首先一定要自己思考，实在自己解决不了的问题才去问老师，在老师帮你解决的问题的过程中，去享受恍然大悟的感

觉。

第二， 要有耐心，不要郁闷，多思考。对初学者而言，感觉ANSYS特别费时间，又作不出什么东西，没有成就感，容易产生心理疲劳，缺乏耐心。“苦中作乐”应是学ANSYS的人所必须保持的一种良好心态，往往就是那么一个ERROR要折磨你好几天，使问题没有任何进展，遇到这种情况要能调整自己的心态，坦然面对，要有耐心，针对问题积极思考，发现原因，坚信没有自己解决不了的问题，要能把解决问题当作一种乐趣，时刻让自己保持愉快的心情，真正当你对问题有突破性进展

时，迎接的必定是巨大的成就感。

第三， 注意经验的积累，不断总结经验。一方面，初学时，要注重自己经验的积累（前面两点说的就是这个问题），即在自己解决的问题中积累经验；另一方面，当灵活运用ANSYS的能力达到一定程度时，要注重积累别人的经验，把别人的经验为自己所用，使自己少走弯路，提高效率，方便自己问题的解决。对于ANSYS越学到后面就越感觉是一个经验问题，因为该懂得的基本都懂了，麻烦的就是一些参数的调试，需要的是用时间去摸索，对同一类型的问题，别人的参数已经调试好了，

完全没有必要自己去调试，直接拿来用即可。

（3）练习使用ANSYS最好直接找力学专业书后的习题来做

可能这一点与学习ANSYS的一般方法相背，我开始学ANSYS时也是照着书上现成的例子做，但照着书上的做就是做不出来，实在没有耐心，就干脆从书上（如材力，弹力）直接找些简单的习题来做。尽管简单，但每一步都需要自己思考，只有思考了的东西才能成为自己的东西，慢慢的自己解决的问题多了，运用ANSYS的能力提高相当明显，这可能是我无意中对学ANSYS在方法上的一点创新吧。我觉得直接从书上找习题做有以下好处：

第一， 从书上找习题练习是一种更加主动的学习方法，由于整个分析过程都要独立思考，实际上比照着书上练习难度更大。对初学者来说，照着书上练习很难理解为什么要这么做，因此，尽管做出来了，但以后遇到类似问题可能还是不知道。

第二， 书上现成的例子基本上是非常经典的，是不可能有错的，一旦需要独立解决问题时，由于没有对错误的处理经验，遇到错误还是得要从头摸索，可以说，ANSYS的使用过程就是一个解决ERROR的过程，ERROR实际上提供了问题的解决思路，而自己找问题做，由于水平并不高，必将会遇到大量的ERROR，对这些ERROR的解决，经验的积累就是ANSYS运用能力的提高。

第三， 将书上的习题用ANSYS来实现，可以将习题的理论结果和ANSYS计算的数值结果进行对比，验证ANSYS计算结果的正确性，比较两者结果的差异，分析产生差异的原因，加深对理论的理解，这是照着现成的例子练习所作不到的。

当然，并不就说书上的例子毫无用处，多多看下书上的例子可以对ANSYS的整个分析问题的过程有比较清楚的了解，还可以借鉴一些处理问题的方法。 （四）保持带着问题去看ANSYS是怎样处理相关问题的良好习惯

可能平时在看关于ANSYS的参考书籍时，对其中如何处理各种复杂问题的部分，看起来觉得也并不是很难理解，而一旦要自己处理一个复杂的非线性问题时，就有点束手无策，不知道所分析的问题与书上的讲的是怎么相关的。说明要将书上的东西真正用到具体的问题中还不是一件容易的事情。带着问题去看ANSYS是怎样处理相关问题的部分，可能是解决以上问题的一个好方法：当着手分析一个复杂的问题时，首先要分析问题的特征，比如一个二维接触问题，就要分析它是不是轴对称，是直线接触还是曲线接触（三维问题：是平面接触还是曲面接触），接触状态如何等等，然后带着这些问题特征，将ANSYS书上相关的部分有对号入座的看书，一遇到与问题有关的介绍就其与实际问题联系起来重点思考，理解了书上东西的同时问题也就解决了，这才真正将书上的知识变成了自己的东西，比如上个问题，如果是轴对称，就需要设置KEYOPT（3），如果是曲线接触就要设置相应的关键字以消除初始渗透和初始间隙。可能就会有这样的感慨：原来书上已经写得很清楚了，以前看书的时候怎么就没什么印象了。

如果照着这种方法处理的问题多了的话，就会进一步体会到：其实，ANSYS的使用并不难，基本上是照着书上的说明一步一步作，并不需要思考多少问题，学ANSYS真正难得是将一个实际问题转化成一个ANSYS能够解决且容易解决的问题。这才是学习ANSYS所需要解决的一个核心问题，可以说其他一切问题都是围绕它而展开的。对于初学者而言，注重的是ANSYS的实际操作，而提高“将一个实际问题转化成一个ANSYS能够解决且容易解决的问题” 的能力是一直所忽视的，这可能是造成许多人花了很多时间学ANSYS，而实际应用能力却很难提高的一个重要原因。 （五）熟悉GUI操作之后再来使用命令流

ANSYS一个最大的优点是可以使用参数化的命令流，因而，学ANSYS最终应非常熟练的使用命令流，一方面，可以大大提高解决问题的效率；另一方面，只有熟悉

命令流之后，才会更方便的与人交流问题。

老师一开始讲授ANSYS时往往把ANSYS吹得天昏地暗，其中一条必定是夸ANSYS的命令流是如何的方便，并且拿GUI与命令流大加对比一番。问题也确实如此，但对那些积极性相当高且有点好高骛远的同学可能就会产生误导：最终是要掌握命令流，学了GUI还去学命令流多麻烦诺，干脆直接学命令流算了，不是可以省很多事吗？如将这种想法付诸于实践的话往往是适得其反，不仅掌握命令流的效率底，而且GUI又不熟悉，结果使用ANSYS处理问题来就有点无所适从，两头用得都不爽。因此，初学者容易一心想着使用命令流，忽视对GUI操作的练习，难以认识到命令流与GUI的联系：没有对GUI的熟练操作要掌握好命令流是很难的，或者代价是很高的。

直接去学命令流之所以难，一个是命令太多，不易知道那些命令是常用的，那些是不常用的，我们只要掌握最常用的就足够了，而如果GUI使用得多的话，就会很清楚那些命令是常用的（实现的目的一样），以后掌握命令流就有了针对性；另一个是一个命令的参数太多，同一个命令，通过参数的变化可以对应不同的GUI操作，事先头脑里没有GUI印象的话，对参数的变化可能就没有很多的体会，难以加深对参数的理解。因此，建议初学者不用管命令，踏踏实实的熟悉GUI操作，当GUI操作达到一定程度后，再去掌握命令流就是一件很容易的事情，当然也需要大量的练习。实际上，大多数使用者而言，基本上是将GUI操作与命令流结合起来使用，没有人会完全用命令流解决问题的，因为没有必要去记那么多命令，有些操作GUI用起来更加直观方便。一般而言，前处理熟悉使用命令流比较方便，求解控制里面使用GUI比较好。

此外，还有一点初学者也需注意，一开始学ANSYS主要是熟悉ANSYS软件，掌握处理问题的一般方法，不是用它来解决很复杂的问题来体现你的能力有多强，一心只想着找有难度的问题来着，往往容易被问题挂死在一棵树上而失去了整片森林。因此，最好多找些容易点的，涉及到不同类型问题的题来做练习。

三

摘要:阐述有限元的应用范围,对NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等市面上主要流行有限元软件进行分析比较，预测当今国际国内CAE软件的发展趋势

关键词:有限元软件 对比评价 发展趋势 引言

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视,国内外的专业人士相继开发了各种类型的应用软件，其中NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等功能强大的CAE软件的广泛应用，为实际工程中解决复杂的理论计算提供了非常有用的工具。但是，各种软件均有各自的优缺点，其应用领域也不尽相同。本文将就有限元的应用范围及当今国际国内CAE软件的发展趋势做具体的阐述，并对市面

上主要流行有限元软件做一下比较。 一 有限元软件的应用范围

近年来随着计算机技术的普及和计算机速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：<1>增加产品和工程的可靠性； <2>在产品的设计阶段发现潜在的问题；

<3>经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；<4>缩短产品投向市场的时间；<5>模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费。

二 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(Stiffness Stabilization),自动步进法(Automatic Time Stepping),外力-变位同步控制法(Load-Displacement Control)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。

三 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，使设计和分析紧密结合、融为一体。

有限元是大有可为的分析方法和技术。随着计算机技术的普及和计算机速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中必将得到越来越广泛的重视，有限元软件也将成为解决复杂的工程分析计算问题所不可或缺的工具，使设计水平发生质的飞跃

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