浅谈我用过的有限元软件

来源：CAE机械师

今天，想跟大家分享一下我用过的一些有限元软件，聊聊它们的历史起源、功能特点以及我学习的经历和使用心得。

有限元分析的流程总体可以分成三大步：前处理(几何清理、网格划分及材料属性施加);求解(构建连接关系及边界条件定义);后处理(查看结果云图及数据曲线)。实际上，目前主流前处理软件前两步是都可以实现的。设定好仿真环境之后，只需要导入到求解器进行计算就可以了，不能说很方便，但也不是很难。

Hypermesh

先来说一说Hypermesh。

Hypermesh 是Altair 公司闻名世界的软件，我看过的几乎所有软件介绍里面都称：它是世界上最优秀的前处理软件。其功能强大不言而喻，进入国内市场这么些年，发展到今天，可以说在前处理方面它是老大了，其最大的特点就是几何清理功能非常强，但这个事因人而异，可能你用其他前处理软件会比它顺手。

对于Hypermesh，建议大家一定要系统地、由浅入深地进行学习，循序渐进，可以跟着书学，也可以跟着视频学，一个算例一个算例地跟着做，

Hypermesh 中有两大模块的功能非常值得大家深入研究，自由网格变形技术 (Hypermorph) 和批量网格处理 (BatchMesh)。

自由网格变形技术可以智能调节网格的形状，进行拉伸，缩小，旋转等等，一次可进行多个变形操作，可实现改变结构姿态而不改变单元形状。

批量网格处理功能，对于时间紧、任务重的项目，不需要打开操作界面，只需要把模型导入进去，设置好参数，系统会自动进行网格划分，壳单元、体单元都可以。大大节省了使用操作界面前处理的时间，节约了计算机资源，而且批处理可以用于二次开发，运用编程语言控制程序运行脚本。

我平时主要用的有限元求解软件有三款：Ansys、Abaqus 和Nastran。

Ansys 和Abaqus 这两款软件，在仿真界里面，就好比威震江湖的倚天剑和屠龙刀一样，不管你是结构还是流体;是静力还是动力;是线性还是非线性;是稳态还是瞬态，这两款软件统统都能拿捏，完全覆盖了目前所有的有限元分析类型，可以说这两款来自欧美不同国家的软件占据了中国仿真行业的半壁江山，全国多数院校及科研院所都是这两款软件的客户。

Ansys

Ansys 软件是美国Ansys 公司研发的大型通用有限元分析软件，是目前世界范围内增长最快的CAE软件，其实从它在全球市场的发展态势，尤其是收购了Fluent 等软件，推出Workbench 的协同仿真环境平台之后，就可以看出这款软件的野心是想称霸武林。

对于Ansys 软件我用过比较多的是经典版，可能是我刚开始接触这款软件就用的经典版，所以感觉比较顺手，虽然界面比较老，但是现在有点看习惯了，Workbench 给我的感觉反而有点不适应了。当然，对于我来说Ansys 这款软件经典版和Workbench 都要学习，反正也是学，那不如都学了，我有强迫症，一个都不能少。我觉得经典版最大的好处就是命令流，如果真正学会了命令流，那真是牵着软件走，让它往东，它就不敢往西。但是学起来比较难一些，如果只学GUI 也行，软件怎么样都是操作。

Abaqus

Abaqus 软件是法国飞机制造商达索公司研发的通用有限元软件，功能同样非常强大，尤其是在非线性分析方面那更是独树一帜。据说，越庞大复杂的高度非线性问题，Abaqus 越厉害，看来这软件是专吃硬骨头的。

baqus 这款软件，我觉得学起来比Ansys 方便，它把每一个步骤给分好了功能模块，你按照步骤操作就可以，如果出现了问题，你可以到相应的功能模块下去检查修正。总之，我觉得操作界面做的比Ansys 人性化很多，以前在学校的时候我只用Ansys，后来自学了Abaqus 的一些功能，到毕业参加工作开始系统的学习，它让我有一种感觉，越用越喜欢，这种感觉挺奇妙。

这两款软件的计算精度也都相差不多，顶多差个0.00x。这个我是有验证过的，我的工作就是对比各种商用软件的计算结果。

Ansys 和Abaqus 两款软件都可以独立完成整个有限元分析的流程，也就是说它们都具备前处理、求解及后处理的功能。但是，它们的前处理功能相比于专业的前处理软件还是逊色了很多，毕竟人家是专门做前处理的，术业有专攻。对于初学者往往有一种错觉就是，要学习这款软件我需要从头学到尾，一个功能都不落下，抱着书从头啃到尾，我觉得倒也不至于如此。

比如Ansys 软件的前处理功能，我觉得可以不学，而Abaqus 的前处理功能可以了解一下，必要时知道如何操作就行。毕竟前处理是有限元分析过程中，最耗费时间与精力的一步，多少CAE工程师的头发都埋葬在了这里，所以为了保护你的头发，请选择一款适合自己的专门前处理软件。

使用前处理软件几何清理，划分网格，然后导入到求解器进行计算，要充分地利用好人家前处理软件把软件接口做得那么好的优势，各种软件联合起来仿真，发挥每款软件的巨大优势。

MSC Patran VS Nastran

MSC Patran和Nastran这两款软件是全球著名多学科仿真厂商——MSC公司的主打产品，其公司旗下还有如Adams、Marc、Dytran 等在中国仿真市场比较流行的一些商用软件。

Patran 同Hypermesh 一样是业界使用较为广泛的有限元前后处理软件，可为多个解算器提供建模、分析及后处理方案。而Nastran就更厉害了，其原是美国航空航天局 (NASA) 主持开发的，作为世界CAE标准的大型通用结构有限元分析软件，后经过改良成为了MSC公司的重要产品并推广至全世界，它的江湖地位可不是Ansys和Abaqus能比得了的。

我在学校的时候总以为Nastran 比Ansys和 Abaqus 差一些，但是用过之后才发现Nastran 和另外两款软件平分秋色，在功能的全面性与计算精度的准确性上Nastran 丝毫不逊色。可能因为近十几年，另外两款软件的风头太大，所以显得Nastran 有点小众，但就在航天航空领域，Nastran 永远是不可或缺的。这点也是我来到公司后才发现的，公司是做航空航天领域的，一个算例要用三款软件的计算结果进行对比，Nastran 是永远不会缺席的。

Patran 和Nastran 两个软件就像干将莫邪一样，已经融为了一体，在Patran 中画好网格直接就可以提交Nastran 进行计算，非常方便快捷。如果用其他软件前处理，仅用Nastran 作为求解器进行求解计算也可以，但是有时间Patran 这款软件可以学一学，说不定用起来会比其他软件顺手。

Altair Optistruct

Altair Optistruct是我做硕士论文期间使用的一款软件，在之前我没有听说过，但是使用之后感觉很方便，而且很实用。

有限元分析可以分为很多种，比如：静力分析和动力分析，线性分析和非线性分析，稳态分析和瞬态分析等等。其中有一种有限元分析技术不管是在低端制造业还是在高端科技领域都占据着非常大的份量，那就是结构优化技术，而Optistruct 就是为结构优化技术而生的。

说到Optistrut软件有的人可能比较陌生，相比于其他赫赫有名的商用软件，Optistruct 用的人少一些，但是这并不能说明这款软件的求解能力不如其他软件，它的结构分析能力绝对是一流的，但这并不是它最擅长的领域，让它闻名世界的是其无可比拟的结构优化能力，其在结构优化领域的统治力，好比当年的奥尼尔。

Optistruct 有限元求解器是Hyperworks 系列中一款非常卓越的软件，是业界公认的算法稳健、优化类型全面的商业优化设计软件。它也是Altair 软件公司的旗舰产品，其与Hypermesh 之间无缝衔接，两个软件的协同分析能力堪称一绝，绝对不亚于之前提到的Patran 和Nastran。

Optistruct 的优化设计能力在现有的各种商业软件中占据第一，其基于有限单元和多体动力的方法，能够轻松处理百万级别自由度的结构，且能在很短时间内解决具有成千上万设计变量的优化问题。不仅如此，Optistruct 充分汲取了其他软件在可制造加工性上的缺陷，设置了便于结构制造加工的模式重复模块，把优化结果最大限度的应用于实际。

Optistruct 支持优化分析类型有拓扑优化，尺寸和自由尺寸优化，形状和自由形状优化。这里我就主要讲讲拓扑优化，其他优化类型要是有时间再单独拿出来说。拓扑优化是目前比较新颖的一种结构优化技术，实质是在给定的优化空间内，根据确定的边界条件，找到满足各种性能指标的最佳传力路径，从而获得质量最轻，用材最少的结构。其属于概念设计阶段的技术，利用拓扑优化设计，工程师可以较为明确地找到性能更佳的初步设计方案。目前，连续体拓扑优化技术已经发展得非常成熟，其使用的变密度法已经被广泛应用到商用优化软件中。Otistruct 软件使用的就是变密度法的拓扑优化技术，其主要思想就是引入一种假想密度概念，把优化区域离散成有限单元，设想优化区域是一种密度在0-1之间的材料，以优化区域的单元密度作为设计变量，在0-1之间连续取值，当密度趋于0时，表示该单元处材料可以去除;密度趋于1时，表明该单元处材料比较重要，应该保留。

利用结构优化技术实现轻量化设计已经成为航天航空、汽车及轨道交通、航海船舶等研究领域不可或缺的技术，而Optistruct 绝对是进行结构优化设计时必不可少的利器。我的毕业论文就是用Optistruct 软件做的拓扑优化设计，虽然没有得到足以实用的拓扑结构，但是让我感受到了Optistruct 软件的强大及便捷。

结语

有限元这个行业跟其他的行业不一样，需要不断地学习新东西，学习理论知识，学习软件操作，学到了还需要多用，不用长时间就忘了。相对于软件而言，想要真正学好，任何学习方式都离不开多操作，如果我读研期间明白这个道理，那真的会少走很多弯路，在此也特别提出，以供大家参考。