常用CAE软件对比分析：功能、性能与应用

ABAQUS
关键词：非线性 全面

如果要给ABAQUS贴一个标签，那么毫无疑问是“非线性”这个词。虽然ABAQUS是以“高端通用有限元系统软件”的姿态出现的，但是它的王者之气明显存在于非线性分析领域。ABAQUS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，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。ABAQUS为业界赞誉的“分析功能全面”这一特点也是在非线性部分才表现得特别突出。比如说，用ANSYS进行结构非线性计算的时候，总要进行很多参数的设置，也比较容易不收敛，而ABAQUS却无需这方面的担忧；ABAQUS解决岩土、混凝土等的非线性问题比MARC要好，光本构就一大堆，而且例子也多，而ANSYS岩土能力为零。另外它的先进的软件设计思想、严密直观的系统，以及多载荷步的计算和规划也是值得大家点赞的。
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。
它最大的缺点是上手慢，也没有看到什么read friendly的教程。


ANSYS
关键词：多场耦合 多模块

ANSYS软件是一款大型通用有限元分析软件，之所以这么说是因为它的模块很多（但是它们核心的计算部分变化不大），这些模块是在收购很多很牛掰的软件后整合形成的。目前ANSYS融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的，擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析,对于流体分析，电磁分析，瞬态动力学分析已经很强大,在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。它的明显优势在多场耦合，尤其是物理场耦合。至于热分析则很一般，对于岩土结构的静力学计算也不是很强悍。另外值得一提的是ANSYS的apdl语言非常高级，这也是非常多工程师喜欢使用这款软件的原因之一。
目前ANSYS又推出了ANSYS16.0软件，在结构、流体、电磁、多物理场耦合仿真、嵌入式仿真各方面都有发展，我只能说，为了仿真ANSYS也是蛮拼的。

LS-DYNA
关键词：冲击、碰撞

LS-DYNA由LSTC公司开发，是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，也是公认的计算冲击，碰撞问题的很牛的软件。LS-DYNA最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由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。
由于 LS-DYNA在冲击、碰撞领域的成绩斐然，ANSYS也购买了它的求解器进行冲击，碰撞问题的计算。不过，在ANSYS WORKBENCH中的AUTODYN软件计算冲击，碰撞的功能与LS-DNYA相似，也非常好。该软件不仅具有FEM求解器，也具有有限体积求解器用于计算流体，以及无网格方法进行爆炸的仿真，做得非常好，并不比LS-DYNA差。


DYTRAN
关键词：高度非线性、流固耦合

DYTRAN软件由MSC.software公司开发，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。


ADINA
关键词：特殊解法

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。


NASTRAN
关键词：原代码程序 航空航天

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。
NASTRAN,结构分析做得很好，用起来感觉不出与ANSYS有多大的差别。在中国也占领了相当大的用户市场。


ALGOR
关键词：友好

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。


COSMOS
关键词：速度

COSMOS相对影响比较小,但Cosmos可以说是多物理场分析专家，其最大特点是运算速度飞快快，这是其他软件所不能比拟的。因Cosmos的研发者将收敛的迭代法--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。另外COSMOS设置耦合条件也很好，操作也很方便。有些人甚至感觉太方便了，都有点不习惯了哈哈。


HYPERMESH
关键词：前处理 网格

HYPERMESH被业界人士称为前处理专家。在网格划分方面，恐怕没有哪个软件可与之匹敌。其对网格的精密而底层的控制，令人叹为观止。所以，设若要做几何清理，划分网格，HYPERMESH的确是首选。
汽车领域90%以上的LICENSE是hypermesh+nastran。HYPERMESH是万金油，在汽车领域的另外常用搭配是 HYPERMESH+ABAQUS也占相当比重。


MARC
关键词：任性

MARC 是做非线性很牛的软件，具有极强的结构分析能力。可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。但是其操作界面用起来很费劲，有自虐倾向的人可能会被虐得很爽。比较一下文件输入和读取这两项：MARC的输入文件要比ABAQUS难读懂，工况的变化也不如ABAQUS灵活。但是，MARC 的求解器速度非常地快，类似的问题要比ABAQUS快几倍。Patran的通用性远比MARC强。它可以产生Nastran，ABAQUS，MARC等所需的文件，也可以读取它们的结果文件。
所以，如果驾驭好了MARC这个任性的小子，还是很可以显摆下你的动手能力的。

总结

总之，据小编观察，每款软件都有自己的粉丝，像 NASTRAN,ABAQUS,ANSYS这种界面友好、操作方便、试用范围较广的软件还是比较受初学者欢迎的。ANSYS做得很全面，流体分析，电磁分析，多物理场分析超级强大，而非线性分析弱一些；ABAQUS非线性分析最厉害；而NASTRAN则非常正规。不管从哪种软件入手，学好了以后再涉足其它软件也会有事半功倍的效果。

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