岩土工程有限元软件及其发展趋势

2013-02-20 21:31  来源:中国岩土网  阅读:12981
随着我国基础工程建设的发展,有限元等数值方法和有限元软件在实际工程中获得了大量的应用。目前已开发的有限元软件可以粗略地分为两大类,即通用有限元软件和岩土工程专用软件,软件使用者则需要根据拟解决问题选择合适的岩土工程软件,提高数值模型的效率,实现经济效益;软件开发者则需要关注有限元软件的未来发展趋势,提高软件的竞争力。

xichen.geo@gmail.com

2013-02-20

随着数值方法和计算机技术的快速发展,有限单元(finite element)理论和方法已经成为数值仿真技术的基本方法之一,有限单元法的快速发展又极大地促进了数值仿真技术的进步,使其广泛应用于航天飞行器、汽车、土木建筑、水利等行业,具体涉及固体、流体、热物理、电磁场、多物理场耦合等领域。近年来,在数学家、力学家和工程师的共同努力下,有限元方法进入了新的发展阶段,从基本的有限单元法发展出广义有限元法、随机有限元法、扩展有限元法、多尺度有限元法以及随机多尺度有限元法,这些发展充分地显示了有限元方法强大的适应能力和扩展能力。

1. 有限元软件介绍

与有限差分法、有限体积法、边界单元法、离散单元法以及无网格法等数值仿真技术相比,有限元法在岩土工程中应用最为广泛。可用于岩土工程分析的有限元软件可粗略地分为两大类,即通用有限元软件和岩土工程专用软件。通用的有限元软件主要有ABAQUSADINAANSYSCOMSOL Multiphysics, LS-DYNANASTRAN等,而岩土工程专用有限元软件主要有CRISPGeoFEAGeoStudioMidas GTSPLAXISRocsciencesZ-SoilSoilVision等,这里仅简单介绍其中一些常用的有限元软件:

(1)    ABAQUS

简介:介绍ABAQUS的命名来自中国古老的计算工具算盘 (ABACUS) ,软件也采用了算盘作为它的图标。ABAQUS 由创建于1978HKS (Hilbitt, Karlson, and Sorensen) 开发。2005HKSABAQUS4.13亿美元的价格卖给达索(Dassault Systemes Simulia Corp.)。由于 ABAQUS软件进入中国市场较晚,早期版本前后处理功能有限,复杂模型主要借助于Patran软件来产生ABAQUS的输入文件,这些因素制约了ABAQUS在工业界的应用。新版本ABAQUS/CAE已经得到了显著改善,为ABAQUS更好地发展奠定了基础。

特点在非线性计算和接触问题等方面具有业内具有领先优势。新版本(6.5以后版本)前后处理图形界面和建模能力有了大幅的改善。尤其是,Abaqus有模型树,所有的操作一目了然,思路也很清晰和明朗。二次开发功能强大,留有47个用户接口如提供了用户本构模型接口,用户单元接口,Python脚本编程,适合高级用户使用。在众多通用有限元软件中,ABAQUS更适合解决岩土、混凝土等非线性问题。但ABAQUS在工业界应用没明显不如在科研领域广泛。用户需要购买软件一定期限的使用权限,费用较昂贵。

(2)    ADINA

简介ADINA R & D, Inc. 由美国麻省理工学院的K. J. Bathe教授和他的同事于1986年创建。当时公司的一个专门任务就是开发用于固体和结构,热传导,计算流体动力学的线性和非线性有限元分析系统ADINA

特点在桥梁结构的动力学分析,生物医学及核反应等方面具有较高的可靠度,也可以处理流体-结构相互作用,热力耦合等多物理场等问题。

(3)    ANSYS

简介John Swanson Westinghouse Electric Corp. 开发了一个主要用于核反应的有限元程序,1969Swanson 离开了Westinghouse 将此程序推向市场并名为ANSYS1996, ANSYS 正式发布。ANSYS Inc.由美国的Swanson Analysis System Inc. 拥有,2006年又收购了Fluent Inc. 的母公司爱美达 (Aavid Thermal Technologies, Inc.) Fluent是世界最大的计算流体力学 (CFD) 软件供应商和服务提供商。 到2006年止,ANSYS公司资产已经达到 18亿美元。由于进入中国市场较早,ANSYS在中国拥有广泛的客户群。

特点图形界面友好,前后处理和建模功能强大。Ansys应用领域广泛,在结构优化设计、拓扑优化设计和随机有限元等方面有一定的优势。Ansys可通过自己的APDL程序语言来编程序建模,所有结构尺寸都可以参数化。目前主要用于机械和结构分析。

(4)    LS-DYNA

简介LS-DYNA 源于开源程序DYNA3DDYNA3D最初由美国劳伦斯·利弗摩尔 (Lawrence Livermore) 国家实验室的John Hallquist开发。1987, John Hallquist离开实验室创建他自己的公司LSTC (Livermore Software Technology Corporation),并开始将LS-DYNA推向市场。 目前,ANSYS 也具有LS-DYNA求解模块,即ANSYS LS-DYNA

特点最著名的通用显式动力分析程序,能够模拟真实世界的各种复杂问题,特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。虽然提供了十余种岩土介质模型,但每种模型都有不足,缺少基本材料数据和依据。

(5)    NASTRAN

简介美国国家航空航天局NASA1965 投入了300万美元来资助由Dick MacNeal 提出的开发一个通用有限元软件的项目,这个有限元程序定名为NASTRAN。后来,Dick MacNeal Bruce McCormick 创建了MSC公司来进一步完善这个程序。MSC公司自1963年开始从事计算机辅助工程领域CAE产品的开发和研究, 1966年美国国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求,主持开发大型应用有限元程序的招标,MSC中标并参与了整个 NASTRAN的开发过程。1969NASA推出了其第一个NASTRAN版本NASTRAN Level 12。到1990 , NASTRAN 已经被许多大的公司所采用。

特点NASTRAN是大型通用结构有限元分析软件,长于线性有限元分析和动力计算。主要可以进行二维、三维应力分析,可以分析航天器的梁、壳等复杂结构以及进行振动分析和动荷载作用下响应。MSC.Nastran是计算用的,属于后处理软件,需要结合MSC.Patran来使用。而Patran建模简单易用。尽管Patran建模简单易用,与ABAQUS的模型树建模方式相比,操作仍显死板。Nastran在计算过程中也不如ABAQUS那样有监视器窗口来给出监测信息和计算时间。

(6)    CRISP

简介CRISP由英国剑桥大学的研究人员于1975年开发的临界状态土力学非线性有限元分析程序。1982年研究人员将FORTRAN程序代码公布,程序主要在学术圈流传,参见Britto AM Gunn MJ. 的书Critical State Soil Mechanics via Finite Elements, 1987”1990, 基于个人电脑的MS DOS测试版本CRISP90被发布。此版本包含了早期版本所有特点,可以模拟耦合荷载和固结问题。1995SAGE 开发了二维Windows图形用户界面,推出软件SAGE CRISP2002SAGE CRISP推出三维捆绑产品,这个三维捆绑软件包括FEMAP程序,CRISP程序,和 SAGE CRISP三维工具。

特点临界状态土的本构模型较完善,图形用户界面一般,三维功能发展滞后。

(7)    GeoFEA

简介GeoFEA 由新加坡国立大学的研究人员基于CRISP90开发的非线性有限元软件,经过10多年的发展于2006年推向市场,软件一开始就具有二维和三维建模能力。

特点:继承了Crisp的特点,临界状态土的本构模型较完善,三维建模能力较强,岩土工程专业化前后处理功能还有待加强。

(8)    GeoStudio

简介GeoStudio是由GEO-SLOPE International Ltd.公司开发的软件,GEO-SLOPE的主要创始人是非饱和土力学的奠基人之一Delwyn G. Fredlund教授GeoStudio最新版本(20075月发布)共包含9个专业分析模块。软件系列模块有:计算边坡稳定的SLOPE/W;用于地下水渗流分析的SEEP/W ;用于应力-变形分析的SIGMA/W ;用于地震地震应力应变分析的QUAKE/W;用于地热分析的TEMP/W;用于地下污染物传输的CTRAN/W;用于气流分析的AIR/WVADOSE/W: 专业的模拟环境变化、蒸发、地表水、渗流及地下水对某个区或对象的影响分析软件;三维渗流分析软件Seep3D

特点界面简单,非饱和土和非稳定渗流计算方面较好。软件开放性差,不便于进行二次开发。

(9)    Midas GTS

简介Midas GTS是韩国MIDAS IT公司的系列产品之一,MIDAS IT最初是韩国的浦项制铁(POSCO)集团的一个子公司。自从1989年,MIDAS IT为土木工程师开发了一系列有限元分析软件,涉及建筑结构、桥梁、岩土和隧道工程领域。目前,MIDAS IT TNO DIANA 宣布合作,两个公司都有较好的有限元软件开发经验和历史。

特点界面简单易用,有中文版本。三维建模能力也较强,但缺乏命令流。

(10)    PLAXIS

简介:20世纪后半期,Pieter A. Vermeer领导一个研究组在荷兰理工大学开展有限元和本构模型等方面的研究。最初的研究目的是为了回答荷兰公共事业部的问题如何预测著名的东斯海尔德闸坝(Oosterschelde dam) 可能发生的位移,来保护荷兰一个重要的地区,防止被海水淹没。课题组开发了基于高阶单元的平面应变问题弹塑性有限元计算的程序。后来程序被进一步完善,还可以求解轴对称问题。开始使用PLAXIS这个名字,PLAXIS就是Plasticity Axi-Symmetry(或Plane strainAxi-symmetric analysis)的缩写。1986年是PLAXIS发展的一个新的阶段,荷兰公共事业部与荷兰代尔夫特理工大学(Technical University of Delft)开始一个新的计划,把PLAXIS推向岩土工程师。这一步证明是关键的一步,PLAXIS被应用到各种项目中。1993年成立的公司PLAXIS bv.来专门负责PLAXIS业务。自2000年以来,PLAXIS的客户群增长迅速。目前,PLAXIS 除了主要的平面应变和轴对称问题计算程序,还开发了dynamics PlaxFlow 模块,Plaxis 3D tunnel Plaxis 3D Foundation专业分析模块。

特点:具有友好的图形用户界面,前后处理简单易用。计算速度较快。目前PLAXIS已有中文版,具有简单易用的c-phi强度折减功能。三维建模能力有限,三维网格只是在二维网格基础上沿单一方向的延展(准三维)。因此,还不能对弯曲的隧道等进行建模。开放性和二次开发功能不足。

(11)    Rocscience

简介:Evert Hoek教授为Rocscience 软件公司的创立者,因此软件开发初期主要面向岩石力学工程问题,后发拓展到更多的岩土工程问题。软件共包含十三种专业分析模块:开挖和边坡有限元分析模块Phase 2;二维边坡稳定分析模块Slide;三维固结沉降分析模块Settle3D;地质数据的几何学和统计学分析模块Dips;三维地下开挖应力分析模块Examine 3D;三维边坡面土楔分析模块Swedge;地表以下土楔稳定性分析模块Unwedge;岩石、土和不连续体强度分析模块RocData;岩石支护分析模块RocSupport;岩质边坡平面滑移稳定性分析模块RocPlane;落石的统计分析模块RocFall;片状矿体三维应力分析模块Examine TAB;顶梁稳定性分析模块CPillar

特点:GUI用户图形界面简单友好,在岩土工程分析和设计方面都很方便,但部分模块只限于二维分析,三维建模能力有限。

(12)   Z_Soil

简介:Z_Soil是由瑞士的工程软件公司Zace开发的产品,Zace软件公司Thomas Zimmermann博士于1982年创建。1985年诞生了第一个Z_soilPC版本,主要用于单相介质问题的求解。上个世纪90年代初开始着力发展Z_soil3D PC版本,2002年才被一些感兴趣的公司使用。目前,Z_Soil已成功用于用于各类岩土工程问题,如边坡工程,填方工程,基坑工程,基础工程,大坝工程,挡土结构,桩-土-结构共同作用,基础-边墙共同作用,隧道工程,结构工程,桥涵工程,结构构件,采矿工程等

特点:基于 Windows图形界面,建模简便,支持 ANSYS或其他商业软件生成的网格和DXF格式文件导。对于稳定性分析,可采用c-phi强度折减功能;可进行预应力锚杆、固结,蠕变分析(与时间有关的效应)分析。Z_Soil的复杂三维建模功能还还显薄弱。

 

2. 有限元软件的选择

如何选择一个有限元软件?看似简单,但要求对所涉及领域,需要解决问题的性质、以及软件的求解能力等方面有一个比较全面的了解。选择一个有限元软件可从以下三个主要方面进行考虑:

    * 根据专业问题进行选择;

    * 根据财力进行选择;

    * 根据软件的求解和计算能力进行选择。

其中,“根据专业问题进行选择”,即是否能够求解目标问题,是为首要参考依据;在“根据财力进行选择”所描述的财力允许情况下,应尽可能选择求解和计算能力强的软件,一个可以节省计算时间的软件可以显著提高经济效益。此外,还可以补充以下参考依据:

    * 根据二维或三维建模能力进行选择;

    * 根据用户图形界面(GUI)友好性(简单易用性)进行选择;

    * 根据材料模型库或单元类型库是否丰富将进行选择。

 

3. 有限元软件的发展趋势

根据各种有限元软件的特点和不足,可以预计有限元软件的未来发展趋势主要有:

(1)   用户图形界面友好程度的加强

用户图形界面(GUI Graphics User Interface)是否功能强大易学易用关系的软件的长远发展。用户图形界面的设计应该基于软件所面向的主要用户群。如果主要用户群为工程师,需要软件尽可能友好,具有快速的网格生成和强大的建模能力,并且尽可能增强软件的后处理功能,提供多种数据的可视化能力(如生成变形图,等值线图和动画等),便于形成计算结果的报表。

当前,工程师可以在集成的CAD和数值模拟软件环境中快捷地解决一个复杂工程问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件(例如AutoCADPro/ENGINEERUnigraphicsSolidEdgeSolidWorksIDEAS等)的接口。有时,生成的有限元网格质量不好或者需要增添新的域,要对已生成的有限元网格进行修改和重生成。因此,有限元软件技术的发展应该考虑尽可能减少网格修改和再生成所带来的工作量。

(2)   建模能力从二维扩展到三维

尽管某些岩土工程问题(例如基坑开挖、群桩基础和曲线隧道等)具有明显的三维特征,很多数值模拟仍将其简化为平面问题。为了准确模拟实际工程问题,有效地揭示岩土工程中某些三维效应,应尽可能采用三维建模和数值模拟。由于三维有限元建模需要先进的计算机图形技术,并且对计算机的硬件有较高的要求。随着计算机图形学和硬件等技术的快速发展,目前普通个人计算机已经具备很强的三维模型处理能力。有限元软件的建模能力也开始从二维扩展到三维。例如,Crisp最初版本只有二维,现在也具备了三维版本;Plaxis在最初的二维平面应变软件基础上也开发了Plaxis 3D TunnelPlaxis 3D FoundationLS-DYNA 2D 也扩展到LS-DYNA 3D。但也有完全在三维基础上开发的,如MSC.DYTRAN,就没有二维功能。

(3)   从单一物理场和单相问题到多物理场多相耦合问题

数值模拟初期只是分析简单的单一物理场问题,结构工程通常只研究梁、板和壳等,岩土工程只是研究土体,这些问题但可以归结为单一的位移场问题。而数值模拟发展到今天,能够更加反映实际的多物理场和耦合物理场开始得到重视。例如,结构构件的变形也可能受到温度场的影响;岩土工程中土骨架和孔隙水压力也是相互耦合相互作用的,是个很典型的流-固耦合问题,冻土是一种由固体土颗粒、固态冰、未冻水和空气构成的四相岩土介质,多物理场多相耦合是复杂岩土介质的基本特征。更加复杂的问题可能涉及位移场、液体压力场、温度场、电传导、 磁场和声场等问题。例如,ABAQUSCOMSOL Multiphysics等有限元软件就具有很强的多物理场多相耦合分析能力。

(4)   从单坐标体系扩展到多坐标体系

早期的数值模拟软件通常只采用单一坐标系,或采用拉格朗日坐标或采用欧拉坐标。由于不同问题的求解基于不同的坐标系统,基于单一坐标体系,计算分析问题的范围受到很大的限制。因此有的问题需要从单坐标体系扩展到多坐标体系进行求解,或采用新的计算方法,例如无网格(meshfreemeshless)技术,如SPHSmooth Particle Hydrodynamics),SPH法不用网格,所以没有网格畸变问题,因此能在拉格朗日格式下处理大变形问题。

(5)   综合型和模块化的两极化发展趋势

一方面,岩土工程的复杂性要求我们不能只停留在单一物理场和单相的简化求解,需要发展到更加实际的多物理场多相耦合求解。这要求岩土工程软件能够处理复杂的多物理场多相耦合岩土工程问题(例如边坡稳定性的非饱和流-固耦合分析,冻土的水--力耦合分析等),使得一部分软件向综合型发展,例如ABAQUSCOMSOL MultiphysicsGeoFEA等。

另一方面,综合型的有限元软件包过于庞大,价格十分昂贵,限制了普通用户的数量,而根据用户需要的模块式程序是多数岩土工程有限元软件的一个发展趋势,例如, GeoStudioMidas GTSPLAXISRocsciencesZ-SoilSoilVision等都包含了一系列的软件模块,使开发者可以根据软件的功能模块来进行定价,用户可以根据实际需要购买专门的模块,这可能是岩土工程软件模块化发展的主要原因。此外,岩土工程软件模块化也有利于提高软件数值计算的效率。

(6)   提供更多的二次开发功能

尽管有限元软件要有友好的用户图形界面,软件还需要给高级用户提供更多二次开发功能。例如允许用户直接修改输入文件,并使用界面直接运行已经存在的输入文件;允许用户使用自己的材料模型和单元类型。在软件的二次开发功能方面,通用的有限元软件发展得很好,如ABAQUS提供了用户模型接口UMAT和用户单元接口UEL,允许用户编制自己的本构模型和有限单元的Fortran程序,此外,ABAQUS还允许用户采用Python脚本语言进行编程,扩展其处理能力。相比之下,多数岩土工程专业软件(例如PLAXIS等)重视提高用户图形界面(GUI)的友好性,却忽视了二次开发功能。因此,如何在保持提高用户图形界面(GUI)的友好性的同时,增强软件的二次开发功能是开发者所面临的一个课题。

(7)   跨平台Cross-platform

早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的,后来又发展到工作站(Work Station),它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出,为PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件 移值到Windows平台上。而由于跨平台编程语言的出现,使得发展跨平台的有限元软件成为可能,这使得用户不必担心自己拥有什么样的操作系统。

(8)   从单机单核CPU计算到单机多核CPU,多机CPU并行,CPU-GPU混合并行和云计算

数值模拟分析软件也应该顺应计算机硬件技术的快速发展。目前,个人计算机已经从单机单核像单机多核发展。对于高性能计算,还需要多机并行处理。这使得依赖于计算机硬件的软件系统必须适应硬件的发展,达到更加有效地进行数值模拟和计算。例如,ABAQUS在生成任务时会选择使用几个CPU来进行计算,ANSYS也提供了分布式并行计算功能。ABAQUS可以使用单机多核(CPU)技术。未来还要向多机多核并行计算发展。

近年来,计算图形处理器(GPU-Graphics Processing Units)技术发展迅速,其应用范围已经从单一的图形处理扩展到通用数值计算。由于GPU具有流处理、可编程流水线和高密度并行处理能力,与CPU 相比,GPU具有更强的浮点运算能力,通常拥有一个或更高数量级的浮点运算速度。由于具有高性价比和低功耗等优点,GPU已经成为高性能通用计算的一种选择。由于GPU在高强度浮点计算方面具有独特的优势,采用CPU-GPU混合计算来求解一个问题也可能成为未来有限元计算的一个趋势。

云计算是一种新兴的资源使用和交付模式,通过交付和支付的方式有效利用互联网分布式计算资源和计算能力,它是一种区别于网格计算、效用计算、自主计算的一种新型计算模式。

(9)   从单一的有限元数值模拟到包括有限元在内的多种数值方法的数值模拟

传统的有限元方法(FEM)在求解某些问题时可能能力有限,例如对于裂缝扩展问题,基于传统的有限元方法的网格重划分和裂尖加密技术效率较低,而扩展有限元法(XFEM)能够较好地解决这一问题,XFEM技术利用富集基函数或形函数的方法避免了网格重划分,使其成为当前研究的热点领域。XFEM基于传统的有限元方法理论框架,扩展了FEM的应用。对于某些问题,如岩石边坡失稳崩塌的过程模拟,基于连续介质力学的有限元法仅仅能处理前期的边坡稳定和变形问题,对于崩塌的滑落块体则需要借助其它方法,如离散元法(DEM),将不同数值方法结合使用也是未来有限元软件需要发展的一种能力。例如,CDEM就是中科院开发的一个基于连续—非连续介质力学的岩土工程数值分析软件。

 

随着我国基础工程建设的发展,有限元等数值方法和有限元软件在实际工程中获得了大量的应用。目前已开发的有限元软件可以粗略地分为两大类,即通用有限元软件和岩土工程专用软件,软件使用者则需要根据拟解决问题选择合适的岩土工程软件,提高数值模型的效率,实现经济效益;软件开发者则需要关注有限元软件的未来发展趋势,提高软件的竞争力。

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全部评论(3)

  • guojinwen发表于 04月01日 15:19超算科技—专注于工程计算 岩土工程及地下工程数值模拟计算 邮箱:guojinwen@supcompute.com
  • 您好,陈老师,读了您关于有限元发展的文章,受益匪浅!我是北京超算科技有限公司的,我们公司自主研发的有限元分析软件SaiFEA。我将我公司资料发至您邮箱,希望您在百忙之中指点一二。谢谢!
点评:
  • guojinwen发表于 04月01日 15:14超算科技—专注于工程计算 岩土工程及地下工程数值模拟计算 邮箱:guojinwen@supcompute.com
  • 赞!不过好像都是国外的软件。
点评:
  • whuwym发表于 01月30日 15:18虎仔
  • 对常用有限元软件总结得挺透彻
点评:

陈曦

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博士
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