有限元分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

2013-06-24  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

  隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計階段就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能,需要對結(jié)構(gòu)的靜、動力強(qiáng)度以及溫度場、流場、電磁場和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計算。例如分析計算高層建筑和大跨度橋梁在地震時所受到的影響,看看是否會發(fā)生破壞性事故;分析計算核反應(yīng)堆的溫度場,確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理;分析渦輪機(jī)葉片內(nèi)的流體動力學(xué)參數(shù),以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這些都可歸結(jié)為求解物理問題的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年來在計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑。我國在"九五"計劃期間大力推廣CAD技術(shù),機(jī)械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率從"八五"末的20%提高到目前的70%。隨著企業(yè)CAD應(yīng)用的普及,工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板,而將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計,提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量,計算機(jī)輔助工程分析(CAE,Computer Aided Engineering)方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實(shí)踐中,有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:增加設(shè)計功能,減少設(shè)計成本;
    縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期;
    增加產(chǎn)品和工程的可靠性;
    采用優(yōu)化設(shè)計,降低材料的消耗或成本;
    在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題;
    模擬各種試驗方案,減少試驗時間和經(jīng)費(fèi);
    進(jìn)行機(jī)械事故分析,查找事故原因。 
在大力推廣CAD技術(shù)的今天,從自行車到航天飛機(jī),所有的設(shè)計制造都離不開有限元分析計算,FEA在工程設(shè)計和分析中將得到越來越廣泛的重視。下圖是美國舊金山海灣大橋地震響應(yīng)計算的有限元分析模型。
發(fā)展方向及重大進(jìn)展國際上早20世紀(jì)在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局(NASA)在1965年委托美國計算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十個版本,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,尤其是計算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展,整個計算系統(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算結(jié)果則需用幾周的時間?？梢院敛豢鋸埖卣f,工程師在分析計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)計后,自動生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計算,如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求則重新進(jìn)行造型和計算,直到滿意為止,從而極大地提高了設(shè)計水平和效率。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proeNGINEER、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 V7.3版在PC機(jī)的Windows NT環(huán)境和SGI工作站上同時計算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 V7.3版幾種機(jī)器上的運(yùn)行時間比較   

為了將在大中型計算機(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R&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)用計算機(jī)進(jìn)行分析計算的重要工具。但是當(dāng)時限于國內(nèi)大中型計算機(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FIFEX95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、中國農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的MAS5.0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。因為流體力學(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1997-1999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。因為有限元分析主要用于形狀比較復(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)計和分析緊密結(jié)合、融為一體。

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