几款常用有限元软件的比较

tangwx

　　经常有朋友问到常用几款有限元软件的优劣问题，笔者也很关注，也用过一些常用软件，下面首先转发网上一些朋友对于常用有限元软件的评价，最后表明自己的观点。

　　下面是网上一些朋友的评价。

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　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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　　下面是一些CAE软件用户的体会。

　　如果要学CAE软件，俺认为应首选msc/patran+nastran。

　　ansys据俺的体会，唯一的强项就是多场耦合。不过，ansys的apdl语言比较高级，是其最大优势。

　　abaqus的强项是其分析功能很全面，特别是非线性部分，基本上都包含了。abaqus最大的缺点是上手慢，其教程太差，除了几本手册，基本上等于没有教程。如果愣要用非线性分析，而nastran/ansys都没用，也只能用abaqus了。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。

　　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。

　　鄙人是先用MARC/Mentat，后用ABAQUS/Patran。在做学术问题的时候，更倾向于使用ABAQUS求解。对于习惯于使用数据输入文件的人来说，在模型比较简单情况下，ABAQUS有一定的优势。因为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。Mentat的网格划分功能也十分地强。其功能绝对不比Partran差。

　　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。有的时候我就是先采用 Mentat生成网格(尤其是不规则边界的模型)，然后再用Patran将网格数据转化成ABAQUS的输入文件。在大多数情况下，其速度要比单独用 Patran快而且网格的质量也较好。

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　　下面是笔者的体会。

　　对于上述软件，笔者大部分都用过，不过用得最多的还是ANSYS，所以还是把这些软件与ANSYS比较来谈。

　　LS-DYNA,是公认的计算冲击，碰撞问题的很牛的软件。ANSYS也的确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。

　　ABAQUS，非线性计算的行家。笔者使用ABAQUS，印象最深的是它对于多载荷步的计算和规划，以及它的软件设计思想，非常严密而且直观。而笔者在用ANSYS进行结构非线性计算的时候，则总要进行很多参数的设置，也比较容易不收敛。我想，如果做非线性结构分析，ABAQUS的确无可替代。

　　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，笔者用它做分析，没有很特别的感觉。

　　COSMOS，多物理场分析专家。计算速度飞快，设置耦合条件也很好，操作也很方便。有时候感觉是太方便了，都有点不习惯。不过笔者也只是在七，八年以前用过，并没有用得很深入。

　　HYPERMESH，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。

　　MARC，据说是做非线性很牛的软件。只是操作界面实在不敢恭维，用起来很费劲，以至于笔者都很难去感受它的优点。

　　ANSYS，是笔者用得最多的软件。当初笔者之所以用ANSYS，是因为做博士论文要用多物理场耦合，而ANSYS做多物理场耦合的确非常好。在近些年，ANSYS相继收购了一堆很牛的软件，现在对于流体分析，电磁分析，以及瞬态动力学分析已经很强大。至于热分析则很一般，对于岩土结构的静力学计算也不过尔尔。

　　我想，很难评价哪个软件好，哪个软件不好。就一般使用而言，NASTRAN,ABAQUS,ANSYS感觉都差不多，界面都很友好，操作都很方便。如果说最明显的感觉，就是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则很正规，用户多，但是没有很特别的感觉。萝卜白菜，各有所爱，只是看我们接触哪个最早，使用最多一些。正因为如此，所以有限元软件领域才没有只被哪个软件所垄断，呈现出百家争鸣的局面，这就很好。也正如世界上有十几亿小孩，到底哪个孩子好呢?我想，我们都会认为，自己的孩子最好。


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