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Simulation與其他有限元分析軟件的比較
更新時間：2018年08月03日 13:33
現(xiàn)在，企業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)是怎樣快速地推出可以信賴的高品質(zhì)產(chǎn)品。達到這一目標的途徑只有縮短產(chǎn)品的設計周期、降低產(chǎn)品的制造成本。這樣的問題對稍有一些頭腦的人都是可以提出來的，問題是如何去縮短?怎樣來降低呢?
在一個現(xiàn)代化的企業(yè)中，CAD/CAM已經(jīng)減少了不少設計者的負擔，原來被視為CAD/CAM中配角的CAE(計算機輔助工程)已經(jīng)不再是以前的可有可無了，現(xiàn)在已經(jīng)是高品質(zhì)設計中不可缺少的重要一環(huán)，CAE不僅可以減少CAM中制造實體模型的次數(shù)，還可以幫助設計者在CAD中合理去建構(gòu)幾何實體模型。因此合理運用CAE可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，減少產(chǎn)品制造的成本。這也從一個側(cè)面說明，在整體效益上看，CAD/CAE/CAM已經(jīng)是不可分割的了，并且向集成化的方向發(fā)展是一個必然趨勢。說的具體一點，CAE可以使企業(yè)達到現(xiàn)代化的水準，即可以：
1、縮短設計所需的時間和降低設計成本。
2、在精確的分析結(jié)果下制造出品質(zhì)優(yōu)秀的產(chǎn)品。
3、對設計變更能快速作出反應。
4、能充分地與CAD集成并對不同類型的問題進行分析。
5、能準確地預測產(chǎn)品的性能。
怎樣選擇CAE軟件
CAE在企業(yè)中屬高深層技術的范疇，因此，選擇CAE軟件產(chǎn)品應從技術的角度入手，但軟件的計算速度、分析問題所需的硬盤空間、軟件的使用方便性、軟件的分析功能、與其它CAD/CAE軟件的集成性，是評價CAE軟件的基本準則。
目前在全球范圍內(nèi)的CAE軟件產(chǎn)品是非常多的，如Simulation、ANSYS、NASTRAN、PATRAN、ADINA、SAP、MARC、ASKA、RASNA、JIFEX(國產(chǎn))等。
下面將美國加洲理工學院Paul M. McEcroy博士對一些CAE軟件的測試結(jié)果公布于此 ，供一些企業(yè)參考。值得一提的是Paul M. McElroy博士是完全站在公正的、中立的立場上進行這項工作的，并且這些結(jié)果已經(jīng)得了其它有關專家的進一步證實，目前已經(jīng)成為國際公認的結(jié)論。測試這些結(jié)果的前提是：各種分析題目相對于每一種軟件都具有相同數(shù)目的結(jié)點數(shù)、元素數(shù)和DOF，限于篇幅，這些相同的設置結(jié)果不累述于此，分析結(jié)果見表1
表1：Simulation、NASTRAN、ANSYS測試結(jié)果比較
Simulation
NASTRAN
ANSYS
電話手柄
靜力
最高精確度
0.00318
0.00318
0.00320
解題時間
46秒
244秒
460秒
占用磁盤空間
11MB
73MB
240MB
墻掛
靜力
最高精確度
0.00159
0.00159
0.00165
解題時間
70秒
4920秒
360秒
占用磁盤空間
17MB
585MB
70MB
板手
靜力
最高精確度
0.075527
0.075526
0.075666
解題時間
50秒
435秒
200秒
占用磁盤空間
6MB
112MB
50MB
磁盤驅(qū)動器
振動
模型1
2015.3HZ
2015.3 HZ
2032.3 HZ
模型2
2098.7 HZ
2098.7 HZ
2120.2 HZ
模型3
3839.7 HZ
3839.6 HZ
3887.7 HZ
模型4
4154.5 HZ
4154.5 HZ
4203.7 HZ
模型5
4596.1 HZ
4596.2 HZ
4643.2 HZ
解題時間
41秒
180秒
710秒
占用磁盤空間
7.3MB
55MB
205MB
鞍型托架
振動
模型1
2465.4 HZ
2465.4 HZ
2469.5 HZ
模型2
4969.4 HZ
4969.4 HZ
4977.7 HZ
模型3
7340.0 HZ
7339.9 HZ
7352.3 HZ
模型4
7722.4 HZ
7722.4 HZ
7750.9 HZ
模型5
9432.5 HZ
9432.5 HZ
9470.9 HZ
解題時間
160秒
430秒
1500秒
占用磁盤空間
10.3MB
93.3MB
355MB
火花塞
振動
模型1
4980.4 HZ
4981.0 HZ
4964.0 HZ
模型2
5005.0 HZ
5004.8 HZ
4987.5 HZ
模型3
13,142.0 HZ
13,145.7 HZ
13,110.6 HZ
模型4
13,517.0 HZ
13,517.4 HZ
13,437.2 HZ
模型5
14,647.0 HZ
14,656.9 HZ
14,684.0 HZ
解題時間
350秒
1110秒
2340秒
占用磁盤空間
17MB
148MB
544MB
從目前三種流行的分析軟件的測試表中可以看出，Simulation和NASTRAN的分析結(jié)果是很接近的，而ANSYS的誤差要大一些，NASTRAN是通過犧牲速度來達到精度的，而ANSYS是通過放棄精確度和加大解題占用的磁盤時間來提高速度的。分析一下表1技術指標的平均值(當然某個領域的分析可能與這個平均值比會有一些出入)，Simulation、NASTRAN、ANSYS解題速度比為1：16：9，解題占用的磁盤空間比為1：14：22。也就是說Simulation解題的平均速度分別要比NASTRAN和ANSYS快16倍和平倍，而解題占用的磁盤空間分別減少14倍和22倍。從這些數(shù)字也可以看出Simulation軟件在有限元分析軟件中是技高一籌的。
有限元分析軟件──Simulation
Simulation軟件是美國SRAC(Structure Research and Analysis Corporation )公司的產(chǎn)品，它具有計算速度快、解題時占用磁盤空間少、使用方便、分析功能全面、與其他CAD/CAE軟件集成性好等優(yōu)點，下面簡要介紹一下這些特點。
Simulation為什么速度快?
要解釋清楚這個問題應該考查一下有限元分析軟件的算法。有限元分析軟件現(xiàn)在基于的算法有兩種：一種是所謂的直接解法，一種是所謂的迭代解法。因為有限元軟件處理的對象大部分是高元方程組，因此直接解法總能求得解，但速度就不能保證很快，雖然迭代法解題的速度很快，但不能保證所有的算法都是收斂的，因此傳統(tǒng)的有限元分析軟件大都采用直接解法。1982年，前蘇聯(lián)的三位數(shù)學物理博士致力于研究有限元分析的迭代算法的收斂性問題，因為，如果能保證迭代法總是收斂的，就可以大幅度提高解題速度。他們采用窮舉法，分析迭代法中所有發(fā)散的算法，最后總結(jié)出500多種導致迭代法發(fā)散的原因并加以有效的對癥下藥，終于在11年后的1993年發(fā)明了舉世矚目的FFE(快速有限元法，F(xiàn)ast Finite Element )算法。FFE方法其實就是針對不同的迭代算法總能保證其收斂的改進的迭代法，現(xiàn)在的Simulation就是采用的這種FFE方法。這是Simulation解題速度快的一個重要的原因。
Simulation解題時為什么占用的磁盤空間那么少?
Simulation采用的算法是FFE技術，而FFE技術是1993年才發(fā)明的，要想把這種快速有限元技術應用到Simulation軟件中，必須重新編寫Simulation的源代碼，1993年世界上比較先進的C++語言技術已經(jīng)成熟，面向?qū)ο蠹夹g、內(nèi)存優(yōu)化管理技術、磁盤管理技術也已上了一個新臺階。正是因為在Simulation的新的源代碼中利用了這些新技術，所以Simulation才具有用少的磁盤空間解決復雜的分析問題的能力。雖然SRAC在重新編寫Simulation源碼上付出了代價，但卻換回了其他CAE軟件不能比擬的功能。
使用方便
Simulation是基于PC+WINDOWS上的軟件，這在使用上很顯然要比基于工作站+Unix上的軟件好用的多。這對熟悉WINDOWS和UNIX使用的人就更清楚，因為有很多文章作這方面的說明，所以，就WINDOWS和UNIX的使用方面在此也不再累述。但值得說明的一點是很多有限元分析軟件都是很早以前用FORTRAN編寫的，所以界面并不都是很友好的，但Simulation基于的操作系統(tǒng)就是PC機上的WINDOWS，所以就其界面來說必將越來越好。另外，Simulation為各種分析類型建立了分析步驟示意圖，如果對分析步驟不很明了，可以打開分析步驟示意圖，它會提示應該做的每個步驟，就象馬路的交通指揮燈一樣;Simulation還建立了智慧導向型菜單系統(tǒng)，如果分析問題的準備工作未做好，Simulation就使相應的功能項變暗，使分析無法進行下去，這節(jié)省了誤操作所浪費的時間。
Simulation的功能
Simulation軟件是按模組進行封裝的，也就是說你可以有選擇地購買需要的模組，不需要的模組不必購買。CosWorks是Simulation的一個小產(chǎn)品，它是專門為SOLIDWORKS軟件做無縫集成的。它可以做的分析有：線性靜力分析(位移與應力應變計算)、挫曲分析(關鍵挫曲力與相對變形計算)、頻率分析(共振頻率與相對變形量計算)、熱傳分析(穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)熱流問題及溫度變化速率與熱流量計算)。
Simulation/M是一個全面的CAE軟件，它除了包含Cosworks具有的全部功能外，還具有可以選擇的其它模組：
動力分析模組，包括：參數(shù)式材料性質(zhì)與挫曲負截輸入、可平移之頻率輸入、剛體模式、整體質(zhì)量模式、檢查Missed模態(tài)、可與Simulation/M進階動力模組集成在一起分析。
進階動力分析模組，包括：二維與三維穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)線性動態(tài)分析。含模態(tài)時域分析、頻域分析、隨機振動、地震力風力以及反應頻譜分析等。
非線性分析模組，包括：二維與三維非線性靜力與動力分析。含大變形分析、塑性變形分析、貼彈分析、裂縫分析、非線性熱傳與后挫曲分析等。
熱傳分析模組，包括：二維與三維穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)熱傳導、熱對流與熱幅射分析、計算溫度，等溫線與熱流量等。
電磁分析模組，包括：二維與三維，高頻與低頻電磁問題分析。
疲勞分析模組，包括：二維與三維結(jié)構(gòu)分析，并且計算疲勞壽命、此外尚可計算裂縫在疲勞應力下的發(fā)展趨勢。
計算流力分析模組，包括：二維與三維穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)可壓縮或不可壓縮流的分析。并且可以和熱傳分析集成做C0upling效應分析。
設計最佳分析模組，包括：二維與三維形狀與大小最佳化分析與設計、結(jié)與熱傳靈敏度分析等。
FFE-Statics/FFE-Dynamics/Ffe-Thermal，包括：使用FFE技術去做靜力、動力與熱傳分析。
值得一提的是Simulation的功能雖然很強大，但它的硬件需求只是PC機，這也為企業(yè)引進分析軟件節(jié)約大量的投資。
Simulation的集成性
Simulation在CAD/DAE軟件的集成上做得是比較出色的，Simulation的基本模組產(chǎn)品Cosworks與風靡全球的三維CAD軟件SOLIDWORKS已經(jīng)做到了無縫集成的境界。另外Simulation可以直接利用SOLIDWORKS、Pro/E、IDEAS、CADKEY、AMD等三維CAD軟件的幾何模型，與CAE軟件ANSYS、NASTRAN、PATRAN等也可以進行數(shù)據(jù)溝通。因此Simulation在企業(yè)以后的集成方面應是高枕無憂的。
結(jié)論
CAE軟件是現(xiàn)代化企業(yè)比較高層技術的操作，它與CAD/CAM是密不可分的，如果只抓CAD，不抓CAE，企業(yè)的產(chǎn)品就擺脫不了傻大黑粗的陰影。CAD也發(fā)揮不出它的真正作用。所以，CAE必將越來越受到企業(yè)的重視，必將成為企業(yè)競爭的有力幫手。(注：CAE其實不只限于有限元分析，其它如動力學、運動學仿真問題也屬此范疇，但本文不就這些方面進行探討，以后將在其它專文中論述。)
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