有限元计算与计算机配置

   最近领导想在单位推广有限元计算，问题需要什么样配置的电脑。诚然，对于想学习有限元的学生、工程师或者单位想配备CAE工程师，可能第一个问题是选什么样的有限元软件，买或得配置什么样计算机。对这个问题，本人将结合自己多年经验和网友们经验进行详细的掰一掰。

引言

有限元计算的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。它的主要工作包括单元和总体矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解，由于计算的运算量非常大，所以这部分工作由计算机完成。除计算前需要对计算方法、计算内容、计算参数和工况条件等进行必要的设置和选择外，一般不需要人的干预。简单的说，就是把网格参数，材料参数，载荷参数等输入信息形成各种矩阵，然后在电脑上进行相关运算，最后得到结果。因此节点数越多，矩阵规模越大，计算量越大，对计算机的硬件资源要求也越高。

通常决定计算速度的因素有三个方面：

1）计算机硬件配置：CPU核数和频率、内存容量、硬盘IO，显卡等。
2） 工程问题的计算模型大小和复杂度 （这在后面一节会详细讲解）
3） 所选的有限元计算软件

1.有限元计算与计算硬件的关系

CPU：决定计算速度
   首先CPU和内存频率越高,计算速度就会越快。如确保CPU所有的核心100%进行运算,所进行运算的数据容量一定不要超过可使用的空闲内存容量,否则整个计算过程要被内存空间不足,从虚拟内存、硬盘中频繁数据调用读取,造成cpu时间延迟等待.关于网络计算规模对应CPU核数：从现有规格Xeon E3、Xeon5600处理器规格来讲，通常小规模（300万网格以内）推荐4核图形工作站，中大规模（600万网格以内）推荐8核图形工作站，超大规模（1000万网格）推荐12核图形工作站。

内存：决定的网络计算规模

每个核与内存数据计算量大概在1:4~8比较合理 ，例如4核对应内存16GB~32GB，8核对应32GB~64GB，12核对应48GB~96GB，当然内存越大越好，XASUN独有的内存虚拟硬盘软件可以帮助你大幅缩短数据交换时间。网格规模与内存容量合理分配：如果设置使用的内存上限超过实际的物理内存，调用的数据就会从虚拟内存、硬盘来读去，CPU的等待时间大大变长，造成计算速度整体下降。所以务必保证控制好数据占用内存容量上限，必须是计算机物理内存实际能空闲提供给有限元程序使用的内存。

硬盘：决定隐式计算中间数据回写性

计算过程中，如果内存容量不够, 数据文件是放在硬盘上的, 如果内存足够大的话, 这个文件则会由有限元程序进行任务调度放入内存以提高速度, 即设定内存使用量的百分比. 这个不是指所需的内存量, 而是作为一个控制磁盘剩余空间的参数. 内存容量毕竟有限，如果模型特别大的话，两类文件加起来得几十个GB，肯定得往硬盘里写数据。所以提升效率最经济的方法就是把硬盘读写的速度提上去，就得通过RAID方式提升硬盘的读写性能，详细推荐参考下面配置方案中得硬盘使用。

4、显卡：决定计算结果的图形生成可视化模型规模和性能

一般计算所用的操作系统，基本都是window和linux 64位，但是基于Linux环境的计算时间普遍比Windows环境要短的多，另外安装过程也有很多注意事项，只有对整个运行过程非常了解，设置合理，对计算速度提升非常大的。在ABAQUS，comsoL，ansys 等有限元模型分析计算中，会生成临时文件，尽量将文件存储介质放到最快的存储介质上，对整体运算也是非常重要的。由于内存读写速度比硬盘读写速度快，所以如果计算机配置不变的情况下，要达到最快计算速度，就要在计算时让两种临时文件都放在内存中。

2、 计算模型及复杂度与硬件配置的关系

以ansys ，abaqus 软件为例，这两款软件分为三大类仿真计算类型，分别为显式计算，隐式计算，流体计算。大多数非线性动力学问题一般是采用显示求解计算，特别是在求解大型结构的瞬时高度非线性问题，显示求解方法有明显的优越性。这种求解方法没有收敛性问题，不需要求解联立方程组，其缺点是时间步长受到数值积分稳定性的限制，不能超过系统的临界时间步长。隐式求解方法，不考虑惯性效应，对于线性问题，无条件稳定，可用大时间步计算，对于非线性问题，通过一系列线性逼近来求解，因此一般用于线性分析和非线性结构静动力分析，包括结构固有频率和振型计算。以下是ansys 三种计算类型对计算硬件配置的要求特点。

3、所选的有限元计算软件

   如老子所言，“道渊兮，似万物之宗”。这纷纷扰扰的万花世界，到头来都可以归结为数学问题，且多半都可以用数值偏微分方程来建模，而后又可以利用有限元法，有限差分法，有限体积法等求解。大多数工程问题都是由如下6个场的一个或多个或多个相互作用 产生。

CAE软件很多，每个软件都有其擅长的领域，同一个问题，其求解效率也各有春秋--- 笔者曾计算过一个金属薄膜的锻压过程的残余应力仿真，使用abaqus 的显式计算，各种网格加密，自适应网格，初始预接触等操作，一开始死活不能得到计算结果。折腾了好几天，也算了好几天勉强得到一个结果，可结构设计稍微动一下，又得痛苦几天。后来，在朋友建议下，索性花一天时间学了下deform , 而后用deform 软件去结算这个问题，结果只要2个小时就能得到结果。

目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。

1）ANSYS

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，发展了很多版本，但是它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多，这些模块并不是ANSYS公司自己搞的，而是把别人的东西买来集成到自己的环境里。ANSYS相继收购了一堆很牛的软件，如2000年开始，ANSYS收购 ICEMCFD Engineering、法国的CADO；2003年，收购AEA公司的CFX软件业务；2006年，ANSYS完成对Fluent的收购活动；2008年，ANSYS收购电子设计软件EDA；2019，收购了光学仿真领域小有名气的软件OPTIS。

ANSYS 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，现在对于流体分析，电磁分析，以及瞬态动力学分析已经很强大。

特别一提是，自 ANSYS workbench 问世后不久，ANSYS 经典面板已经停止更新，自 ANSYS workbench 是新一代的CAE分析环境和应用平台，它提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境，提供高级功能的易用性，更加适合工程设计人员使用。

2）HKS公司的ABAQUS软件

ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，属于高端CAE软件。它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，其系统级分析的特点相对于其他分析软件来说是独一无二的。需要指出的是，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D。abaqus解决岩土、混凝土等的非线性问题比marc要好，光本构就一大堆，而且例子也多，而ansys岩土能力为零.

 笔者接触有限元最开始出于ansys 海量的学习资料学习 经典面板的ANSYS，工作后出于计算模型多为非线性用了几年ABaqus, 对ABaqus其在热电耦合，热固耦合，接触问题、非线性求解能力、建模速度上 用起来感觉可以碾压经典面板ANSYS。

但在需要用户自定义程序，软件控制程序运行，灵敏度计算，可靠性计算（6 西格玛优化设计）上，ANSYS 又是无可撼动的地位。

3）LSTC公司的LS-DYNA系列软件。

    LSDYNA长于冲击、接触等非线性动力分析。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。虽然该软件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，但实际上它在爆炸冲击方面，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。

4）MSC.software公司的DYTRAN软件

在同类软件中，DYTRAN在高度非线性、流固耦合方面有独特之处。MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES;INTERNATIONAL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发展而来的。但是，由于MSC.DYTRAN是一个混合物，在继承了LS-DYNA3D与PISCES优点的同时，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，没有二维计算功能，轴对称问题也只能按三维问题处理，使计算量大幅度增加；在处理冲击问题的接触算法上远不如当前版的LS-DYNA3D全面。

5）ADINA

    ADINA是近年来发展最快的有限元软件，它独创有许多特殊解法, 如劲度稳定法(Stiffness Stabilization),自动步进法(Automatic Time Stepping),外力-变位同步控制法(Load-Displacement Control)以及BFGS梯度矩阵更新法,使得复杂的非线性问题(如接触,塑性及破坏等), 具有快速且几乎绝对收敛的特性, 且程式具有稳定的自动参数计算,用户无需头痛于调整各项参数。另外值得一提的就是它有源代码，我们可以对程序进行改造，满足特殊的需求。

6）NASTRAN

     NASTRAN是大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准的原代码程序。NASTRAN系统长于线性有限元分析和动力计算，因为和NASA(美国国家宇航局)的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

7）Algor

    ALGOR属于中高档CAE分析软件，在汽车，电子, 航空航天，医学，日用品生产，军事，电力系统，石油，大型建筑以及微电子机械系统等诸多领域中均有广泛应用。它最大的特点是易学易用，界面友好，操作简单，这可以极大提高软件应用者在工程实际中的效率。

8）COSMOSL

  COMSOL 是 多物理场分析专家，设置耦合条件也很好，操作也很方便。有时候感觉是太方便了。笔者这几年由于需要经常计算，结构热应力，热流耦合，热电耦合，湿应力及光机耦合，因此不得不求助与COMSOL，且越来越喜欢这个软件。COMSOL 在与SOLIDWROKS

通信非常方便（比workbench 与solidworks更便捷，功能更强大），在物理场建模、网格划分、后处理，二次开发上都很强大。对于一些特殊问题，如湿度场，射线追迹，波动光学，电化学，声学，腐蚀，化学反应，电镀等是一个非常好的选择。 在这之前，算热应力，磁场，热流耦合，结构可靠性，用workbench ， 因为3D模型 连同结构参数等可通过solidwroks 直接导入；算热固耦合，接触问题，非线性问题用abaqus；算光学射线追迹问题用zemax;

算电子产品大模块用workbench 下的ICEPEAK 或FLUENT。总之感觉很杂，很烦，又很无奈的感觉。融会贯通COMSOL 后，恍然间有万物归宗的感觉。在COMSOL 所有计算都是用一样的前处理，后处理，求解器设置等平台。

 总结：

对选什么样的有限元软件，应根据自己工程问题模型、预算，未来发展等做一个权衡。本人只用过ANSYS经典面板，WORKBENCH，ABAQUS，FLUENT，ICEPAK，FLOTHERM,COMSOL 。

对求解复杂的流场问题，比如湍流，音障等，FLUENT比COMSOL，ABAQUS 强大的不止一个档次；

对电子机箱等产品热流计算问题，ICEPAK，FLOTHERM 比FLUENT，COMSOL，ABAQUS 好用到不止一个档次，它们提供有对电子领域常见的TEC，电路板，风扇，散热翅等建模，热辐射，接触热阻、网格划分等设置非常容易，计算效率也高很多。

对于复杂的非线性问题，如冲击，跌落，超弹性，蠕变等ABAQUS 为首选，模型一大WROKEBNCH ,COMSOL 会让你有砸电脑的冲动。

对于磁场，电磁场、热电，热流，热偶等耦合场等计算，WORKBENCH 与COMSOL 均不会让你失望。如果耦合场的热源比较复杂，如激光焊接，电阻焊等，需要定义一些比较复杂的自制程序的边界条件，或者进行一些复杂的后处理，WORKBENCH 会你抓狂，而COMSOL 会让你美得怀疑人生，倍感之前付出多么不值。

如果你要计算光机耦合，热湿结构耦合或电镀，电化学反应，腐蚀等，或者你同时需要做各种类型的仿真，那COMSOL　绝对是一个不二人选。

对于需要什么的计算机配置。需要依据自己工程问题，计算规模，预算，未来情况做个权衡。对于想学习有限元的朋友，七八千的电脑足以应付，更低配置也凑合，毕竟你可以用简化模型来学习；但想跑出有限元计算结果的朋友，那最好拿你最大的预算，不然总有那么一天你想砸电脑。

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