【導(dǎo)讀】thedesignfunction,reducedesigncost;cost;analysismodel.

　　

【正文】 個版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的有限元分析系統(tǒng)。從那時到現(xiàn)在，世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的 PAFEC、法國的 SYSTUS、 美國的 ABQUS、 ADINA、ANSYS、 BERSAFE、 BOSOR、 COSMOS、 ELAS、 MARC 和 STARDYNE等公司的產(chǎn)品。當(dāng)今國際上 FEA 方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征： 1 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場問題有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電 傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題。例如當(dāng)氣流流過一個很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來影響到氣流的流動 ……這就需要用固體力學(xué)和流體動力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂 流固耦合 的問題。 2 由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問題；諸 如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開發(fā)諸如 MARC、 ABQUS和 ADINA 等專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫。 3 增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能早期有限元分析軟件的 研究重點(diǎn)在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時間越來越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個包含 10 萬個方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但是如果用手工方式來建立這個模型，然后再處理大量的計(jì)算結(jié)果則需用幾周的時間。可以毫不夸張地說，工程師在分析計(jì)算一個工程問題時有 80%以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理 模塊。在強(qiáng)調(diào) 可視化 的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的 GUI（ Graphics User Interface） ,使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。 4 與 CAD 軟件的無縫集成當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點(diǎn)是與通用 CAD 軟件的集成使用 即 ,在用 CAD 軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，自動生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。今天，工程師可以在集成的 CAD 和 FEA 軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的 CAD 軟件（例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、 IDEAS、 Bentley 和 AutoCAD等）的接口。 5 在 Wintel 平臺上的發(fā)展早期的有 限元分析軟件基本上都是在大中型計(jì)算機(jī)（主要是 Mainframe）上開發(fā)和運(yùn)行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（ EWS， Engineering WorkStation）為平臺，它們的共同特點(diǎn)都是采用 UNIX 操作系統(tǒng)。 PC 機(jī)的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復(fù)雜工程分析的夢想成為現(xiàn)實(shí)。但是早期的 PC 機(jī)采用 16 位 CPU 和 DOS 操作系統(tǒng)，內(nèi)存中的公共數(shù)據(jù)塊受到限制，因此當(dāng)時計(jì)算模型的規(guī)模不能超過 1 萬階方程。Microsoft Windows操作系統(tǒng)和 32位的 Intel Pentium處理器 的推出為將 PC 機(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當(dāng)前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件移值到Wintel 平臺上。下表列出了用 ADINA 版在 PC 機(jī)的 Windows NT環(huán)境和 SGI 工作站上同時計(jì)算 4 個工程實(shí)例所需要的求解時間。從中可以看出最新高檔 PC 機(jī)的求解能力已和中低檔的 EWS 不相上下。 表 ADINA 版幾種機(jī)器上的運(yùn)行時間比較 計(jì)算問題的特征 方程數(shù) NEQ 運(yùn)行時間（秒） PentiumII450MHZ PentiumIII450MHZ 工程工作站 非線性三維接觸 （計(jì)算一步） 51159 219 188 219 線性靜力分析 58707 262 234 249 動力分析頻率計(jì)算 31205 311 258 287 三維流動分析 36162 218 183 208 為了將在大中型計(jì)算機(jī)和 EWS 上開發(fā)的有限元程序移值到 PE 機(jī)上，常常需要采用 Hummingbird 公司的一個仿真軟件 Exceed。這樣做的結(jié)果比較麻煩，而且不能充分利用 PC 機(jī)的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如 IDEAS、 ADINA 和 Ramp。D 開始在 Windows 平臺上開發(fā)有限元程序，稱作 Native Windows版本，同時還有在 PC 機(jī)上的 Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中開發(fā)的有限元程序包。 國內(nèi)發(fā)展情況和前景 1979 年美國的 SAP5 線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計(jì)算工程問題的高潮。這個高潮一直持續(xù)到 1981 年 ADINA 非線性結(jié)構(gòu)分析程序引進(jìn)，一時間許多一直無法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開始認(rèn)識到有限元分析程序的確是工程師應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的重要工具。但是當(dāng) 時限于國內(nèi)大中型計(jì)算機(jī)很少，大約只有杭州汽輪機(jī)廠的 Siemens7738 和沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠的 IBM4310 安裝有上述程序，所以用戶算題非常不方便，而且費(fèi)用昂貴。 PC 機(jī)的出現(xiàn)及其性能奇跡般的提高，為移植和發(fā)展 PC 版本的有限元程序提供了必要的運(yùn)行平臺?？梢哉f國內(nèi) FEA 軟件的發(fā)展一直是圍繞著 PC 平臺做文章。在國內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶（ 100 家以上）的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的 FIFEX9北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的 SAP8中國農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的 和杭州自動化技術(shù)研究院的 MFEP4. 0 等。但正如上面所述，國外很多著名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對 PC平臺不屑一顧轉(zhuǎn)變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對國內(nèi) FEA 程序開發(fā)者來說發(fā)展 PC 版本不再具有優(yōu)勢，而應(yīng)該從下面幾方面加以努力： 1 研究開發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的 FEA程序經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)在研究的前沿問題是流體動力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動等非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的問題。由于國內(nèi)沒有類似功能的商品化軟件，所以國外的軟件就賣得非常貴。為了破這種壟斷局面，我們必須發(fā)展有自主版權(quán)、用于分析流體等 非固體力學(xué)和交叉學(xué)科的軟件。因?yàn)榱黧w力學(xué)問題遠(yuǎn)比固體復(fù)雜得多，而且很少有現(xiàn)成的軟件可以借鑒，所以需要投入大量的人力和經(jīng)費(fèi)。這就必須有國家和大型企業(yè)集團(tuán)來支持。 2 開發(fā)具有中國特色的自動建模技術(shù)和 GUI 開發(fā)建模技術(shù)和 GUI的投入比前述課題要少得多，但卻可以大大提高 FEA 軟件的性能和用戶接受程度，從而起到事半功倍的效果。國內(nèi)不少人在這方面做了很多工作，但是由于當(dāng)時 PC 機(jī)上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開發(fā)的效果都不甚理想。 Windows 中提供了 OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)，為在 PC 機(jī)上應(yīng)用可視化圖形技術(shù)開發(fā) GUI 提 供了強(qiáng)有力的工具。 OpenGL 是當(dāng)今國際上公認(rèn)的高性能圖形和交互式視景處理標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用它開發(fā)出來的三維圖形軟件深受專業(yè)技術(shù)人員的鐘愛，目前世界上占主導(dǎo)地位的計(jì)算機(jī)公司都采用了這一標(biāo)準(zhǔn)。正如前面所述，近年來國外有的 FEA 程序已拋開仿真軟件，直接在 Windows 平臺上開發(fā)有限元程序。杭州自動化技術(shù)研究院 19971999 年采用 OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的 Visual C++等編程工具，在 PC 機(jī)上成功地開發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀地通過對 菜單 、 窗口 、 對話框 和 圖標(biāo) 等可視圖形畫面和符號的操作， 自動建立有限元分析模型，并以交互方法式實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化處理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精確性，也便于用戶學(xué)習(xí)和掌握。 3 與具有我國自主版權(quán)的 CAD 軟件集成前面已經(jīng)講過，當(dāng)今有限元方法的一個重要特點(diǎn)是和 CAD 軟件的無縫集成。作為我國自行開發(fā)的FEA 程序，首先要考慮和我國自主版權(quán)的 CAD 軟件集成。因?yàn)橛邢拊治鲋饕糜谛螤畋容^復(fù)雜的零部件，所以要和具有三維造型功能和CAD 軟件集成，使設(shè)計(jì)和分析緊密結(jié)合、融為一體。