岩土工程有限元软件及其发展趋势

简介：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1978年HKS (Hilbitt, Karlson, and Sorensen) 开发。2005年 HKS将ABAQUS以4.13亿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。

简介：John Swanson 在Westinghouse Electric Corp. 开发了一个主要用于核反应的有限元程序，1969年Swanson 离开了Westinghouse 将此程序推向市场并名为ANSYS。1996年, 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。

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 与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。

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 strain，Axi-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 和 PlaxFlow 模块，Plaxis 3D tunnel 和 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，精度高。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。

简介：FLAC3D（3D Fast Lagrangian Analysis Code）是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法开发，广泛用于岩土、采矿工程分析和设计的三维高端数值分析程序，特别适合处理有限元方法（FEM）难于解决的岩土体复杂课题，典型如复杂多工况、大变形、非线性材料行为、失稳破坏的发生和发展历程、接触面非连续张开和滑移变形等问题。

特点：岩土工程集大成着，开放性好，但是但是这个软件的前后处理不太友好，对于初学者而言，感觉不好用，科研人员绝对首选。想做博士级别以上的论文，就要学flac，他开放性比较强。但是你可以用midas做前处理，midas是中文的好学，而且和flac有直接的接口。如果就做个项目或硕士论文，midas就可以了。

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：

用户图形界面（GUI 或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AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS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。

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 Tunnel和Plaxis 3D Foundation；LS-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。

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，ABAQUS和COMSOL 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。

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（meshfree或meshless）技术，如SPH（Smooth 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。

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-热-力耦合分析等），使得一部分软件向综合型发展，例如ABAQUS，COMSOL Multiphysics和GeoFEA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， GeoStudio，Midas GTS，PLAXIS，Rocsciences，Z-Soil和SoilVision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。

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。

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。

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。

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。

来源：河南省建筑科学研究院地下空间院