转：Simulation与其他有限元分析软件的分析比较

6zgtgai2me · 发表于 2010-4-26 13:34:35

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现在，企业面临的最大挑战是怎样快速地推出可以信赖的高品质产品。达到这一目标的途径只有缩短产品的设计周期、降低产品的制造成本。这样的问题对稍有一些头脑的人都是可以提出来的，问题是如何去缩短？怎样来降低呢？
　　在一个现代化的企业中，CAD/CAM已经减少了不少设计者的负担，原来被视为CAD/CAM中配角的CAE（计算机辅助工程）已经不再是以前的可有可无了，现在已经是高品质设计中不可缺少的重要一环，CAE不仅可以减少CAM中制造实体模型的次数，还可以帮助设计者在CAD中合理去建构几何实体模型。因此合理运用CAE可以缩短产品的开发时间，减少产品制造的成本。这也从一个侧面说明，在整体效益上看，CAD/CAE/CAM已经是不可分割的了，并且向集成化的方向发展是一个必然趋势。说的具体一点，CAE可以使企业达到现代化的水准，即可以：
　　1、缩短设计所需的时间和降低设计成本。
　　2、在精确的分析结果下制造出品质优秀的产品。
　　3、对设计变更能快速作出反应。
　　4、能充分地与CAD集成并对不同类型的问题进行分析。
　　5、能准确地预测产品的性能。
怎样选择CAE软件
　　CAE在企业中属高深层技术的范畴，因此，选择CAE软件产品应从技术的角度入手，但软件的计算速度、分析问题所需的硬盘空间、软件的使用方便性、软件的分析功能、与其它CAD/CAE软件的集成性，是评价CAE软件的基本准则。
　　目前在全球范围内的CAE软件产品是非常多的，如Simulation、ANSYS、NASTRAN、PATRAN、ADINA、SAP、MARC、ASKA、RASNA、JIFEX（国产）等。
　　下面将美国加洲理工学院Paul M. McEcroy博士对一些CAE软件的测试结果公布于此，供一些企业参考。值得一提的是Paul M. McElroy博士是完全站在公正的、中立的立场上进行这项工作的，并且这些结果已经得了其它有关专家的进一步证实，目前已经成为国际公认的结论。测试这些结果的前提是：各种分析题目相对于每一种软件都具有相同数目的结点数、元素数和DOF，限于篇幅，这些相同的设置结果不累述于此，分析结果见表1
Simulation、NASTRAN、ANSYS测试结果比较
最高精确度解题时间占用磁盘空间
Simulation 0.00318 46秒 11MB
NASTRAN 0.00318 244秒 73MB
ANSYS 0.00320 460秒 240MB
电话手柄静力
最高精确度解题时间占用磁盘空间
Simulation 0.00159 70秒 17MB
NASTRAN 0.00159 4920秒 585MB
ANSYS 0.00165 360秒 70MB
墙挂静力
板手静力
最高精确度解题时间占用磁盘空间
Simulation 0.075527 50秒 6MB
NASTRAN 0.075526 435秒 112MB
ANSYS 0.075666 200秒 50MB
磁盘驱动器振动
模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 解题时间占用磁盘空间
Simulation 2015.3HZ 2098.7 HZ 3839.7 HZ 4154.5 HZ 4596.1 HZ 41秒 7.3MB
NASTRAN 2015.3 HZ 2098.7 HZ 3839.6 HZ 4154.5 HZ 4596.2 HZ 180秒 55MB
ANSYS 2032.3 HZ 2120.2 HZ 3887.7 HZ 4203.7 HZ 4643.2 HZ 710秒 205MB
鞍型托架振动
模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 解题时间占用磁盘空间
Simulation 2465.4 HZ 4969.4 HZ 7340.0 HZ 7722.4 HZ 9432.5 HZ 160秒 10.3MB
NASTRAN 2465.4 HZ 4969.4 HZ 7339.9 HZ 7722.4 HZ 9432.5 HZ 430秒 93.3MB
ANSYS 2469.5 HZ 4977.7 HZ 7352.3 HZ 7750.9 HZ 9470.9 HZ 1500秒 355MB
火花塞振动
模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 解题时间占用磁盘空间
Simulation 4980.4 HZ 5005.0 HZ 13,142.0 HZ 13,517.0 HZ 14,647.0 HZ 350秒 17MB
NASTRAN 4981.0 HZ 5004.8 HZ 13,145.7 HZ 13,517.4 HZ 14,656.9 HZ 1110秒 148MB
ANSYS 4964.0 HZ 4987.5 HZ 13,110.6 HZ 13,437.2 HZ 14,684.0 HZ 2340秒 544MB
　　从目前三种流行的分析软件的测试表中可以看出，Simulation和NASTRAN的分析结果是很接近的，而ANSYS的误差要大一些，NASTRAN是通过牺牲速度来达到精度的，而ANSYS是通过放弃精确度和加大解题占用的磁盘时间来提高速度的。分析一下表1技术指标的平均值（当然某个领域的分析可能与这个平均值比会有一些出入），Simulation、NASTRAN、ANSYS解题速度比为1：16：9，解题占用的磁盘空间比为1：14：22。也就是说Simulation解题的平均速度分别要比NASTRAN和ANSYS快16倍和平倍，而解题占用的磁盘空间分别减少14倍和22倍。从这些数字也可以看出Simulation软件在有限元分析软件中是技高一筹的。
有限元分析软件──Simulation
　　Simulation软件是美国SRAC（Structure Research and Analysis Corporation ）公司的产品，它具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、使用方便、分析功能全面、与其他CAD/CAE软件集成性好等优点，下面简要介绍一下这些特点。
Simulation为什么速度快？
　　要解释清楚这个问题应该考查一下有限元分析软件的算法。有限元分析软件现在基于的算法有两种：一种是所谓的直接解法，一种是所谓的迭代解法。因为有限元软件处理的对象大部分是高元方程组，因此直接解法总能求得解，但速度就不能保证很快，虽然迭代法解题的速度很快，但不能保证所有的算法都是收敛的，因此传统的有限元分析软件大都采用直接解法。1982年，前苏联的三位数学物理博士致力于研究有限元分析的迭代算法的收敛性问题，因为，如果能保证迭代法总是收敛的，就可以大幅度提高解题速度。他们采用穷举法，分析迭代法中所有发散的算法，最后总结出500多种导致迭代法发散的原因并加以有效的对症下药，终于在11年后的1993年发明了举世瞩目的FFE（快速有限元法，Fast Finite Element ）算法。FFE方法其实就是针对不同的迭代算法总能保证其收敛的改进的迭代法，现在的Simulation就是采用的这种FFE方法。这是Simulation解题速度快的一个重要的原因。
Simulation解题时为什么占用的磁盘空间那么少？
　　Simulation采用的算法是FFE技术，而FFE技术是1993年才发明的，要想把这种快速有限元技术应用到Simulation软件中，必须重新编写Simulation的源代码，1993年世界上比较先进的C++语言技术已经成熟，面向对象技术、内存优化管理技术、磁盘管理技术也已上了一个新台阶。正是因为在Simulation的新的源代码中利用了这些新技术，所以Simulation才具有用少的磁盘空间解决复杂的分析问题的能力。虽然SRAC在重新编写Simulation源码上付出了代价，但却换回了其他CAE软件不能比拟的功能。
使用方便
　　Simulation是基于PC+WINDOWS上的软件，这在使用上很显然要比基于工作站+Unix上的软件好用的多。这对熟悉WINDOWS和UNIX使用的人就更清楚，因为有很多文章作这方面的说明，所以，就WINDOWS和UNIX的使用方面在此也不再累述。但值得说明的一点是很多有限元分析软件都是很早以前用FORTRAN编写的，所以界面并不都是很友好的，但Simulation基于的操作系统就是PC机上的WINDOWS，所以就其界面来说必将越来越好。另外，Simulation为各种分析类型建立了分析步骤示意图，如果对分析步骤不很明了，可以打开分析步骤示意图，它会提示应该做的每个步骤，就象马路的交通指挥灯一样；Simulation还建立了智慧导向型菜单系统，如果分析问题的准备工作未做好，Simulation就使相应的功能项变暗，使分析无法进行下去，这节省了误操作所浪费的时间。
Simulation的功能
　　Simulation软件是按模组进行封装的，也就是说你可以有选择地购买需要的模组，不需要的模组不必购买。CosWorks是Simulation的一个小产品，它是专门为SolidWorks软件做无缝集成的。它可以做的分析有：线性静力分析（位移与应力应变计算）、挫曲分析（关键挫曲力与相对变形计算）、频率分析（共振频率与相对变形量计算）、热传分析（稳态与暂态热流问题及温度变化速率与热流量计算）。
　　Simulation/M是一个全面的CAE软件，它除了包含Cosworks具有的全部功能外，还具有可以选择的其它模组：
动力分析模组，包括：参数式材料性质与挫曲负截输入、可平移之频率输入、刚体模式、整体质量模式、检查Missed模态、可与Simulation/M进阶动力模组集成在一起分析。
进阶动力分析模组，包括：二维与三维稳态与暂态线性动态分析。含模态时域分析、频域分析、随机振动、地震力风力以及反应频谱分析等。
非线性分析模组，包括：二维与三维非线性静力与动力分析。含大变形分析、塑性变形分析、贴弹分析、裂缝分析、非线性热传与后挫曲分析等。
热传分析模组，包括：二维与三维稳态与暂态热传导、热对流与热幅射分析、计算温度，等温线与热流量等。
电磁分析模组，包括：二维与三维，高频与低频电磁问题分析。
疲劳分析模组，包括：二维与三维结构分析，并且计算疲劳寿命、此外尚可计算裂缝在疲劳应力下的发展趋势。
计算流力分析模组，包括：二维与三维稳态或暂态可压缩或不可压缩流的分析。并且可以和热传分析集成做C0upling效应分析。
设计最佳分析模组，包括：二维与三维形状与大小最佳化分析与设计、结与热传灵敏度分析等。
FFE-Statics/FFE-Dynamics/Ffe-Thermal，包括：使用FFE技术去做静力、动力与热传分析。
　　值得一提的是Simulation的功能虽然很强大，但它的硬件需求只是PC机，这也为企业引进分析软件节约大量的投资。
Simulation的集成性
　　Simulation在CAD/DAE软件的集成上做得是比较出色的，Simulation的基本模组产品Cosworks与风靡全球的三维CAD软件SolidWorks已经做到了无缝集成的境界。另外Simulation可以直接利用SolidWorks、Pro/E、IDEAS、CADKEY、AMD等三维CAD软件的几何模型，与CAE软件ANSYS、NASTRAN、PATRAN等也可以进行数据沟通。因此Simulation在企业以后的集成方面应是高枕无忧的。
结论
　　CAE软件是现代化企业比较高层技术的操作，它与CAD/CAM是密不可分的，如果只抓CAD，不抓CAE，企业的产品就摆脱不了傻大黑粗的阴影。CAD也发挥不出它的真正作用。所以，CAE必将越来越受到企业的重视，必将成为企业竞争的有力帮手。（注：CAE其实不只限于有限元分析，其它如动力学、运动学仿真问题也属此范畴，但本文不就这些方面进行探讨，以后将在其它专文中论述。）