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1、-有限元分析软件比较分析-第 12 页l有限元分析软件有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是 50 年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分 析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 四个比较 知名比较大的公司，其中 ADINA、ABAQUS 在非线性分析方面有较强的能力目前是 业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC 进入中国比较早所以在国内知名 度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦
2、合 分析，但是除 ADINA 以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到 真正流固耦合的软件只有 ADINA。 ANSYS 是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。AB AQUS 专注结构分析目前没有流体模块。MSC 是比较老的一款软件目前更新速度比 较慢。ADINA 是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但 进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQU
3、S 性价比排名：最好的是 ADINA，其次 ABAQUS、再次 ANSYS、最后MSCABAQUS 软件与 ANSYS 软件的对比分析 ：1 在世界范围内的知名度 ： 两种软件同 为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内 具有各 自广泛的用户 群。ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利 用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS 软件则致力于更复杂和深 入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的 认可。 由于 ANSYS 产品进入中国市场早于 ABAQUS，并且在五年前 ANSYS 的界面是 当时最好的界面之一，所
4、以在中国，ANSYS 软件在用户数量和市场推广度方面要高 于 ABAQUS。但随着 ABAQUS 北京办事处的成立，ABAQUS 软件的用户数目和市 场占有率正在大幅度和稳步提高，并可望在今后的几年内赶上和超过 ANSYS。 3 性价比 ： ANSYS 软件由于价格政策灵活，具有多种销售方案，在解决常规的线性及耦合 问题时，具有较好的性价比。但在实际工程中，非线性是比线性远为普遍的自然现象， 线性通常只是非线性的理想化假设。随着研究水平的提高和研究问题的深入，非线性问题必然成为工程师和 研究人员面临的 课题， 并成为制约深入研究和精确设计的瓶 颈。购买 ABAQUS 软件可以很好地解决这些问题
5、，缩短研制周期、减少试验投入，避免重新设计。工欲善其事，必先利其器，使用不恰当或低档的分析工具进行工作的 成本要远超过使用合适工具的成本。因此，从综合效益和长远效益而言，ABAQUS 软件的经济性也是非常突出的。 4 求解器功能 对于常规的线性问题，两种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、 计算时间等方面都较为接近。 ABAQUS 软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势。其非线性涵盖材料非 线性、几何非线性和状态非线性等多个方面。 另外，由于 ABAQUS/Standard(通用程序)和 ABAQUS/Explicit(显式积分)同为 A BAQUS 公司的产品，它们之间的数据传
6、递非常方便，可以很容易地考虑预紧力等静 力和动力相结合的计算情况。 ABAQUS 软件的求解器是智能化的求解器，可以解决其它软件不收敛的非线性 问题，其它软件也收敛的非线性问题5 人机交互界面 ABAQUS/CAE 是 ABAQUS 公司新近开发的软件运行平台， 他汲取了同类软件和 CAD 软件的优点，同时与 ABAQUS 求解器软件紧密结合。 与其他有限元软件的界面程序比，ABAQUS/CAE 具有以下的特点： l 采用 CAD 方式建模和可视化视窗系统，具有良好的人机交互特性。 l 强大的模型管理和载荷管理手段，为多任务、多工况实际工程问题的建模和仿 真提供了方便。 l 鉴于接触问题在实际
7、工程中的普遍性，单独设置了连接(interaction)模块，可以 精确地模拟实际工程中存在的多种接触问题。 l 采用了参数化建模方法，为实际工程结构的参数设计与优化，结构修改提供了 有力工具。 6 综合性能对比 综合起来，ABAQUS 软件具有： l 更多的单元种类，单元种类达 433 种，提供了更多的选择余地，并更能深入反 映细微的结构现象和现象间的差别。除常规结构外，可以方便地模拟管道、接头以及 纤维加强结构等实际结构的力学行为 l 更多的材料模型，包括材料的本构关系和失效准则等，仅橡胶材料模型就达 1 6 种。除常规的金属材料外 ANSYS 软件与 ABAQUS 软件 、 ADINA
8、软件的对比分析 1 在世界范围内的知名度 ： 三种软件同 为国际 知名的有限元分 析软件 ，在世界范围内 具有各 自广泛的用户 群。 ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉；ABAQUS 软件则致力 于复杂和深入的非线性工程问题；而 ADINA 软件除了求解非线性问外，其多物理场 的流固耦合求解功能也是全球唯一的专利技术。 2 应用领域 ： 三种软件同为大型通用分析软件，都具有各自广泛的应用领域。 ANSYS 注重应用领域的拓展和合并，目前已覆盖结构、温度、流体、电磁场和 多物理场耦合等十分广泛的研究领域；ABAQUS 则只具备结构分析功能，功能仅局 限于结构力学领域；而 AD
9、INA 软件和 ANSYS 软件一样都包括结构、温度、流体及 流固耦合的功能，因此其应用领域也是相当广泛。 3 性 价比 三种软件同为美国的有限元分析软件，在价格方面相差不是特别大，不过由于 A BAQUS 软件仅具有结构分析的功能，因此从整体来看 ABAQUS 软件是最为便宜的； 不过如果需要进行流体计算或者多物理场耦合求解功能的话，则相信 ANSYS 软件和 ADINA 软件都会是更好的选择。 4 求解器功能 对于常规的结构线性问题，三种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算 流程、计算时间等方面都较为接近。 ABAQUS 软件和 ADINA 软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势；
10、而 AN SYS 软件和 ADINA 软件则在流体和多物理场耦合功能方面具有无可比拟的优势。 5 人机交互界面 ANSYS/Workbench、ABAQUS/CAE、ADINA/AUI 都是采用 CAD 方式建模和可 视化视窗系统，都具有良好的人机交互特性。三种软件都除了提供窗口操作外都还提 供命令流输入，但是 ABAQUS/CAE 并不对所有的命令流都支持 CAE 界面操作。 6 建模方式 ANSYS 软件和 ADINA 软件都采用 Parasolid 为核心的实体建模技术，因此可以 和其它 Parasolid 为核心的 CAD 软件实行真正无缝的双向数据交换，且该两种软件 自身的建模功能很
11、强大。 ABAQUS 软件的 CAE 模块和输入文件两种建模方式是由 而 两家不同的公司研制的。 7 网格划分 三种软件都提供多种网格划分器，可以进行复杂模型的自由网格划分。 除常见网格划分外， ANSYS 软件和 ADINA 软件还可以对复杂模型进行自动六面 体网格划分，从而在节省技术人员工作时间的情况下又保证了网格的精度。 8 综合性能对比 ANSYS 软件的命令流操作非常方便，对于结构循环优化方面比较有优势，但目 前还只是局限于线性方面，非线性方面功能很差而且基本没有； ABAQUS 软件则在显式非线性方面有些特色， 但隐式非线性方面比不上 ADINA， 且不具备流体的功能； ADINA
12、 软件则在结构非线性及多物理场耦合方面非常出色，是全球非线性功能 最强大的有限元软件之一，而且具有全球最好的流固耦合分析功能。 l有限元分析软件的比较及展望随着现代科学技术的发展,人们正在不断建造更为快速的交通工具,更 大规模的建筑物, 更大跨度的桥梁, 更大功率的发电机组和更为精密的机械设备. 这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能, 需要对结构的静,动力强度以及温度场,流场,电磁场和渗流等技术参数进行分析计算.例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发 生破坏性事故;分析计算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析涡轮机叶片内的流
13、体动力学参数,以提高其运转效率.这些都可归结为求解物 理问题的控制偏微分方程式,这些问题的解析计算往往是不现实的.近年来在计 算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( FEA,Finite Element Analysis)方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径.在工 程实践中, 有限元分析软件与 CAD 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃, 主要表现在以下几个方面:增加设计功能,减少设计成本; 缩短设计和分析的循环周期; 增加产品和工程的可靠性;模拟各种试验方案,减少试验时间和经费; 进行机械事故分析,查找事故原因. 在大力推广 CAD 技术的今天,从自行车到航
14、天飞机,所有的设计制造都离 不开有限元分析计算,FEA 在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视.国 际上早 20 世纪在 50 年代末,60 年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大 功能的有限元分析程序.其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在 1965 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 NASTRAN 有限元分析系 统.该系统发展至今已有几十个版本,是目前世界上规模最大,功能最强的有限 元分析系统.从那时到现在,世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小 但使用灵活,价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的 ASKA, 英国的PAFEC 法国的 SYSTUS
15、, 美国的 ABQUS, ADINA, ANSYS, BERSAFE, BOSOR,COSMOS,ELAS,MARC 和 STARDYNE 等公司的产品. 以下对一些常用的软件进行一些比较分析: 1. LSTC 公司的 LS-DYNA 系列软件 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(Lawrence Livermore National Lab.)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.此软件受到美国能源部的大力资助以及世界十余家 著
16、名数值模拟软件公司(如 ANSYS,MSC.software,ETA 等)的加盟,极大 地加强了其的前后处理能力和通用性,在全世界范围内得到了广泛的使用.在软 件的广告中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.即使是这样一个被人们所称道的 数值模拟软件,实际上仍在诸多不足,特别是在爆炸冲击方面,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. 2. MSC.software 公司的 DYTRAN 软件 当前另一个可以计算侵彻与爆炸的商业通用软件是 MSC
17、.Software Corporation ( MSC 公司) 的 MSC.DYTRAN 程序.该程序在是在 LS-DYNA3D 的框架下, 在程序中增加荷兰 PISCESINTERNATIONAL 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.在同类软件中,其高度非线性,流固耦 合方面有独特之处. MSC.DYTRAN 的算法基本上可以概况为:MSC.DYTRAN 采用基于 Lagrange 格式的有限单元方法(FEM)模拟结构的变形和应力,用基于纯 Euler 格式的有 限体积方法(FVM)
18、描述材料(包括气体和液体)流动,对通过流体与固体界 面传递相互作用的流体结构耦合分析,采用基于混合的 Lagrange 格式和纯 Euler 格式的有限单元与有限体积技术,完成全耦合的流体-结构相互作用模拟. MSC.DYTRAN 用有限体积法跟踪物质的流动的流体功能, 有效解决了大变形和 极度大变形问题,如:爆炸分析,高速侵彻.但 MSC.DYTRAN 本身是一个混合物,在继承了 LS-DYNA3D 与 PISCES 的优 点同时,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
19、算功能. 3. HKS 公司的 ABAQUS 软件 ABAQUS 是一套先进的通用有限元系统,也是功能最强的有限元软件之一,可 以分析复杂的固体力学和结构力学系统.ABAQUS 有两个主要分析模块: ABAQUS/Standard 提供了通用的分析能力,如应力和变形,热交换,质量传递 等;ABAQUS/Explicit 应用对时间进行显示积分求解,为处理复杂接触问题提供 了有力的工具,适合于分析短暂,瞬时的动态事件,但对爆炸与冲击过程的模拟 相对不如 DYTRAN 和 LS-DYNA3D 4 .ADINA ADINA 是一个古老的有限元软件, 有一些很老的版本,它们只有基本的计算功 能,没有前
20、后处理.用它算题,必须自己手工建模,现在看来这些实在是太落后 了,但是,重要的一点是它有源代码.有了源码,就可以对程序进行改造,满足 特殊的需求.其实国内对 ADINA 的改造还是很多的,比如将等带宽存储改为变 带宽存储,将元素库从整个程序中分离出来,可以有选择的将将元素编译连接到 程序中.还有的在程序中加入了自己的材料本构关系,也有在元素库中加进了新 的单元等等.经过这些改进,程序的功能得到了扩展,效率得到了提高,更重要 得是在一定程度上具有了自己的知识产权. 5 .ANSYS 和 NASTRAN 因为和 NASA 的特殊关系,msc nastran 在航空航天领域有着崇高的地位.而 ANS
21、YS 则在铁道,建筑和压力容器方面应用较多.尽管目前, ANSYS 已发展了 很多版本, 其实它们核心的计算部分变化不大,只是模块越来越多.比如 5.1 没 有 lsdyna,和 cad 软件的接口,到了 5.6 还有疲劳模块等等.其实这些模块并 不是 ANSYS 公司自己搞的,就是把别人的东西买来集成到自己的环境里. NASTRAN 最早是用的 for windows 2.0.是 nsatran v68 集成在 femap5 里. nastran 的求解器效率比 ansys 高一些. 有一个算例可以说明, 20000 多个节点, D 版的 ansys56 建模,用 femap7.0 转成 n
22、astran 的 dat 文件,静力计算及前 5 阶的线性频率,结果 ansys56 在 PIII450 上所用的时间和 D 版的 nastran707 在 赛杨 400 上用的时间相当,内存都是 128M,全部选项都是缺省的,nastran 用 子空间迭代法求频率,ansys 没仔细看,计算的结果倒是没什么大的差别.其他 还有一些软件例如 sap, algor,cosmos 等, 只是影响比较小. 还有一点值得说明, 目前的有限元软件,求出的位移结果都很准,可应力就不太一样了,这是一个有 趣的现象, 大家可以讨论. 呈现出以下一些趋势特征A.由二维扩展为三维 早期计算机的能力十分有限,受计算
23、费用和计算机储存能力的限制,数值模 拟程序大多是一维或二维的,只能计算垂直碰撞或球形爆炸等特定问题.随着第 三代,第四代计算机的出现,才开始研制和发展更多的三维计算程序.现在,计 算程序一般都由二维扩展到了三维,如 LSDYNA2D 和 LSDYNA3D, AUTODYN2D 和 AUTODYNA3D,但也有完全在三维基础上开发的,如 MSC.DYTRAN,就没有二维功能. B.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 数值模拟分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来,逐步推广到板,壳和实体 等连续体固体力学分析,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法.近年来数 值模拟方法已发展到流体力学,
24、温度场,电传导,磁场,渗流和声场等问题的求 解计算,最近又发展到求解几个交叉学科的问题.例如内爆炸时,空气冲击波使 墙, 柱产生变形, 板, 而墙, 柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播 板. C.从单一坐标体系发展多种坐标体系 数值模拟软件在开始阶段一般采用单一坐标,或采用拉格朗日坐标或采用欧 拉坐标,由于这两种坐标自身的缺陷,计算分析问题的范围都有很大的限制.为 克服这种缺陷,采用了三种方法,一是两个程序简单组合,如 CTHEPIC,爆 炸与侵彻由不同的程序分开计算;二是在同一程序中采用多种坐标体系,如 另外,从发展上来说,国际上数值模拟软件发展。DYNA3D 中早期采用的是拉格朗日坐标
25、,而 LSDYNA3D 的最新版除原有类型 外,新加了欧拉方法以及拉格朗日与欧拉耦合方法,而最近几年才发展的 DYTRAN 则是拉格朗日型的 LSDYNA3D(1988 版)与欧拉型的 PISCES 的整合 体;三是采用新的计算方法,如 SPH 等,SPH 法不用网格,没有网格畸变问题, 所以能在拉格朗日格式下处理大变形问题,同时,SPH 法允许存在材料界面, 可以简单而精确地实现复杂的本构行为, 也适用于材料在高加载速率下的断裂等 问题的研究D. 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 随着科学技术的发展, 线性理论已经远远不能满足设计的要求. 诸如岩石, 土壤, 混凝土等,仅靠线性计算理论
26、就不足以解决遇到的问题,只有采用非线性数值算 法才能解决.众所周知,非线性的数值计算是很复杂的,它涉及到很多专门的数 学问题和运算技巧,很难为一般工程技术人员所掌握.为此,近年来国外一些公 ABAQUS 和 AUTODYN 司花费了大量的人力和投资, 开发了诸如 LSDYNA3D, 等专长于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践.这些软件 的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库.E. 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 早期数值模拟计算软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度 的单元.随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度的飞速发展,
27、整 个计算系统用于求解运算的时间越来越少, 而数据准备和运算结果的表现问题却 日益突出.在现在的工程工作站上,求解一个包含 10 万个方程的有限元模型只 需要用几十分钟.但如果用手工方式来建立这个模型,然后再处理大量的计算结 果则需用几周的时间.可以毫不夸张地说,工程师在分析计算一个工程问题时有 80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上14.因此目前几乎所有的商业化 数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块.在强调可视 化的今天, 很多程序都建立了对用户非常友好的 GUI 图形用户界面Graphics ( User Interface),使用户能以可视图形方式直观快速地进行网
28、格自动划分,生 成有限元分析所需数据, 并按要求将大量的计算结果整理成变形图. F.与 CAD 软件的无缝集成 与通用 CAD 软件的集成使用,即在用 CAD 软件完成结构设计后,自动生成 有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行构造和计 算,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率.今天,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在以前无法应付的复杂工程分 析问题.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 AutoCAD,Pro/ENGINEER,Unigraphics,SolidEdge,SolidWorks,ID
29、EAS 等)的接口.G工作平台多样化 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 展到以工程工作站(EWS,Engineering Work Station)上,它们的共同特点都 是采用 UNIX 操作系统.PC 机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化,工 程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实. 但是早期的 PC 机采用 16 位 CPU 和 DOS 操作系统,内存中的公共数据块受到限制,因此当时计算模 型的规模不能超过 1 万阶方程.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
30、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.最新高档 PC 机的求解能力已和中低档的 EWS 不相上 下.为了将在大中型计算机和 EWS 上开发的有限元程序移值到 PC 机上,常常 需要采用 Hummingbird 公司的一个仿真软件 Exceed.这样做的结果比较麻烦, 而且不能充分利用 PC 机的软硬件资源.所以最近有些公司,例如 ANSYS, MSC.software 等开始在 Windows 平台上开发有限元程序, 大多采用了 OpenGL 图形编程软件,同时还有在 PC 机上的 Linux
31、操作系统环境中开发的有限元程序 包. 再谈一下国内的发展情况和前景 1979 年美国的 SAP5 线性结构静,动力分析程序向国内引进移植成功,掀 起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮.这个高潮一直持续到 1981 年 ADINA 非线性结构分析程序引进, 一时间许多一直无法解决的工程难题 都迎刃而解了. 大家也都开始认识到有限元分析程序的确是工程师应用计算机进 行分析计算的重要工具.但是当时限于国内大中型计算机很少,大约只有杭州汽 轮机厂的 Siemens7738 和沈阳鼓风机厂的 IBM4310 安装有上述程序,所以用 户算题非常不方便,而且费用昂贵.PC 机的出现及其性能奇迹般的
32、提高,为移 植和发展 PC 版本的有限元程序提供了必要的运行平台.可以说国内 FEA 软件 的发展一直是围绕着 PC 平台做文章. 在国内开发比较成功并拥有较多用户 (100 家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的 FIFEX95,北京大学 力学与科学工程系的 SAP84,中国农机科学研究院的 MAS5.0 和杭州自动化技 术研究院的 MFEP4. 等.但正如上面所述,国外很多著名的有限元分析公司已 经从前些年对 PC 平台不屑一顾转变为热衷发展,对国内 FEA 程序开发者来说 发展 PC 版本不再具有优势,而以后应该从下面几方面加以努力: 1. 研究开发求解非固体力学和交叉学科的
33、 FEA 程序经过几十年的研究和发展, 用于求解固体力学的有限元方法和软件已经比较成熟, 现在研究的前沿问题是流 体动力学,可压缩和不可压缩流体的流动等非固体力学和交叉学科的问题.由于 国内没有类似功能的商品化软件,所以国外的软件就卖得非常贵.为了破这种垄 断局面,我们必须发展有自主版权,用于分析流体等非固体力学和交叉学科的软 件.因为流体力学问题远比固体复杂得多,而且很少有现成的软件可以借鉴,所 以需要投入大量的人力和经费.这就必须有国家和大型企业集团来支持. 2. 开发具有中国特色的自动建模技术和 GUI 开发建模技术和 GUI 的投入比前述 课题要少得多,但却可以大大提高 FEA 软件的
34、性能和用户接受程度,从而起到 事半功倍的效果.国内不少人在这方面做了很多工作,但是由于当时 PC 机上的 图形支撑环境有限,所以开发的效果都不甚理想.Windows 中提供了 OpenGL 图形标准,为在 PC 机上应用可视化图形技术开发 GUI 提供了强有力的工具. OpenGL 是当今国际上公认的高性能图形和交互式视景处理标准, 应用它开发出 来的三维图形软件深受专业技术人员的钟爱, 目前世界上占主导地位的计算机公司都采用了这一标准.正如前面所述,近年来国外有的 FEA 程序已抛开仿真软 件. 3. 与具有我国自主版权的 CAD 软件集成前面已经讲过, 当今有限元方法的一个 重要特点是和
35、CAD 软件的无缝集成. 作为我国自行开发的 FEA 程序, 首先要考 虑和我国自主版权的 CAD 软件集成.因为有限元分析主要用于形状比较复杂的 零部件, 所以要和具有三维造型功能和 CAD 软件集成, 使设计和分析紧密结合, 融为一体.注塑成型流动模拟技术的新进展从中面流到双面流再到实体流从中面流到双面流再到实体流华中科技大学 李德群注塑成型流动模拟技术旨在预测塑料熔体流经流道,浇口并填充模具型腔的 过程,计算浇注系统及模具型腔的压力场,温度场,速度场,剪切应变速率场和 剪切应力场的分布,并将分析结果以图表,等值线图和真实感图的方式直观地反 映在计算机的屏幕上.由于采用流动模拟可优化浇口数
36、目,浇口位置和注射成型 工艺参数,预测所需的注射压力和锁模力,并发现可能出现的注射不足,烧焦, 不合理的熔接痕位置和气穴等缺陷, 流动模拟软件一经问世便得到了塑料行业和 模具界的好评, 应用范围与日俱增. 二十余年的推广应用, 成千上万的成功范例, 日新月异的塑料工业又推动着注塑成型流动模拟技术不断的改进和发展, 经历了 从中面流技术到双面流技术再到实体流技术这三个具有重大意义的里程碑.图1 基于中面模型的模拟过程 (a) 3 维实体/表面模型; (b)中面模型;(c)中面模型网格划分;(d)模拟 结果显示 二,中面流技术 中面流技术的应用始于 20 世纪 80 年代.其数值方法主要采用基于中
37、面的有限 元/有限差分/控制体积法.所谓中面是需要用户提取的位于模具型腔面和型芯中 间的层面,其模拟过程如图 1 所示. 基于中面流技术的注塑流动模拟软件应用的时间最长,范围也最广,其典型代表 如国外 Moldflow 公司的 MF 软件,原 AC-Tech 公司(被 Moldflow 公司并购) 的 C-Mold 软件,国内华中科技大学国家模具技术国家重点试验室的 HSCAE -F3.0 软件.实践表明,基于中面流技术的注塑成型流动软件在应用中具有很 大的局限性,具体表现为:(1)用户必须构造出中面模型,采用手工操作直接由 实体/表面模型构造中面模型十分困难; (2)独立开发的注塑成型流动模
38、拟软件(如 上述的 MF,C-Mold 和 HSCAE-F3.0 软件)造型功能较差,根据产品模型构 造中面往往需要花费大量的时间;(3)由于注塑产品的千变万化,由产品模型直 接生成中面模型的 CAD 软件的成功率不高,覆盖面不广;(4)由于 CAD 阶段使 用的产品模型和 CAE 阶段使用的分析模型不统一,使二次建模不可避免,CAD 与 CAE 系统的集成也无法实现. 由此可见,中面模型已经成为了注塑模 CAD/CAE/CAM 技术发展的瓶颈,采用 实体/表面模型来取代中面模型势在必然,在 20 世纪 90 年代后期基于双面流技 术的流动模拟软件便应运而 图2 基于双面流的模拟过程 (b)表
39、面网格划分; (c)流动前沿显示 (a) 3 维实体/表面模型(STL 格式); 三,双面流技术 摒弃中面模型的最直接办法是采用三维有限元方法或三维有限差分方法来 代替中面流技术中的二维有限元(流动方向)与一维有限差分(厚度方向)的耦 合算法.三维流动模拟一直是当今塑料注射成型领域中的研究热点,其技术 难点多,经历实践考验的时间短,计算量巨大,计算时间过长与中面流技术 的简明,久经考验.计算量小,即算即得形成了鲜明的反差.在三维流动模 拟技术举步维艰的时刻, 一种既保留中面流全部技术特点又基于实体/表面技 术模型的注塑流动模拟新方法双面流技术悄然问世.其商品化软件的典 型代表是我国华中科技大学
40、模具技术国家重点实验室的 HSCAE 3DRF5.0 , 称为三维真实感注塑成型流动分析系统以及澳大利亚 MoldFlow 公司的 Part advisor,称为注塑制品顾问. 所谓双面流是指将模具型腔或制品在厚度方向上分成两部分,有限元网格在 型腔或制品的表面产生,而不是在中面.相应的,与基于中面的有限差分法 是在中面两侧进行不同,厚度方向上的有限差分仅在表面内侧进行.在流动 过程中上下两表面的塑料熔体同时并且协调的流动, 其模拟过程如图 2 所示. 显然,双面流技术所应用的原理与方法与中面流没有本质上的差别,所不同 的是双面流采用了一系列相关的算法,将沿中面流动的单股熔体演变为沿上 下表面
41、协调流动的双股流.由于上下表面处的网格无法一一对应,而且网格 形状,方位与大小也不可能完全对称,如何将上下对应表面的熔体流动前沿 所存在的差别控制在工程上所允许的范围内是实施双面流技术的难点所在. 目前基于双面流技术的注塑流动模拟软件主要是接受三维实体/表面模型的 STL 文件格式. 也由过去的数周缩短为几小时.因此,基于双面流技术的注塑流动模拟软件 问世时间虽然只有短短数年,便在全世界拥有了庞大的用户群,得到了广大 用户的支持和好评. 双面流技术具有明显优点的同时也存在着明显的缺点:分析数据的不完 整.双面流技术在模拟过程中虽然计算了每一流动前沿沿厚度方向的物理 量,但并不能详细地记录下来.
42、由于数据的不完整,造成了流动模拟与冷却 分析,应力分析,翘曲分析集成的困难.此外,熔体仅沿着上下表面流动, 在厚度方向上未作任何处理,缺乏真实感.如图 3 所示,当在透明的模具型 腔内作注塑流动时该缺点便暴露无遗. 图3 双面流技术应用于型腔流动时的缺陷 (b)流动中期; (c)流动末期; (d)流动结束 (a) 流动初期; 四,实体流技术 从某种意义上讲,双面流技术只是一种从二维半数值分析(中面流)向三维数 值分析(实体流)过渡的手段.要实现塑料注射制品的虚拟制造,必须依靠实 体流技术. 实体流技术在实现原理上仍与中面流技术相同,所不同的是数值分析方法有 较大差别. 在中面流技术中, 由于制
43、品的厚度远小于其他两个方向(常称流动 方向)的尺寸,塑料熔体的粘度大,可将熔体的充模流动视为扩展层流,于是 熔体的厚度方向速度分量被忽略,并假定熔体中的压力不沿厚度方向变化, 这样才能将三维流动问题分解为流动方向的二维问题和厚度方向的一维分 析.流动方向的各待求量,如压力与温度等,用二维有限元法求解,而厚度 方向的各待求量和时间变量等,用一维有限差分法求解.在求解过程中,有 限元法与有限差分法交替进行,相互依赖.在实体流技术中熔体的厚度方向 的速度分量不再被忽略,熔体的压力随厚度方向变化,这时只能采用立体网 格,依靠三维有限差分法或三维有限元法对熔体的充模流动进行数值分析. 因此,与中面流或双
44、面流相比,基于实体流的注塑流动模拟软件目前所存在 的最大问题是计算量巨大,计算时间过长,诸如电视机外壳或洗衣机缸这样 的塑料制品,用现行软件,在目前配置最好的微机上仍需要数百小时才能计 算出一个方案.如此冗长的运行时间与虚拟制造的宗旨大相径庭,塑料制品 的虚拟制造是将制品设计与模具设计紧密结合在一起的协同设计,追求的是 高质量,低成本和短周期.如何缩短实体流技术的运行时间是当前注塑成型 计算机模拟领域的研究热点和当务之急.由于高科技的迅猛发展和塑料工业 的迫切需求,可以预见, 满足虚拟制造要求的三维注塑流动模拟软件会在近两 年内涌现. 华中科技大学模具技术国家重点实验室在成功推出中面流软件 H
45、SCAE- F3.0 和双面流软件 HSCAE-3DRF 后,正在开发全新的实体流模拟软件,由于 继承和发扬了中面流和双面流的主要技术特点, 其运行时间预期可达到虚拟制造 中即算即得的要求,该软件的原型开发已按预定目标完成,其商品化版本计划在 2002 年 10 月正式发布. 参考文献 1 李德群等,注射模软件三个发展阶段,模具工业,No. 6,1998 2 周华民等,基于表面模型的注射成型充填模拟,自然科学进展,No. 3,2001 3 周华民,塑料注射成型三维真实感流动保压过程模拟及实验研究,武汉:华 中科技大学博士学位论文, 2001 4 H.Zhou and D.Li,A Numerical Simulation of the Filling Stage in Injection Molding Based on Surface Model,Advances in Polymer Technology,No. 2, 2001