《凝固过程数值拟》大作业京江.docx
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《凝固过程数值拟》大作业京江
《凝固过程数值模拟》大作业
一.原理部分
流体动力学数学模型2
网格剖分算法原理3
有限体积法(容积法)原理4
边界元法原理5
微分方程的分类及其数值解法7
代数方程组的求解方法8
场论概要10
张量分析简介11
铸件缩孔疏松缺陷的预测方法12
多相流模拟在铸造充型过程模拟中的应用13
专业软件(模流分析,计算流体力学,铸造),网格剖分,有限差分,有限元,边界元,
一、通用模拟软件
1.ANSYS软件功能特点及其操作要点14
2.ABAQUS软件功能特点及其操作要点(HKS公司)15
3.ADINA软件功能特点及其操作要点16
4.LS-DYNA软件功能特点及其操作要点17
5.MARC软件功能特点及其操作要点(MSC.Software公司)19
6.COSMOS/Works软件功能特点及其操作要点20
二、计算流体力学模拟软件
7.Flow3D软件功能特点及其操作要点21
8.Fluent软件功能特点及其操作要点22
9.MoldFlow软件功能特点及其操作要点23
10.STAR-CD软件功能特点及其操作要点24
三、铸造专业模拟软件
11.华铸CAE/InteCAST软件功能特点及操作要点25
13.铸造之星/FT-STAR软件功能特点及其操作要点(清华大学)26
15.MAGMAsoft软件功能特点及其操作要点(德国MAGMA公司)27
16.ProCAST软件功能特点及其操作要点(法国ESI集团)28
17.AnyCasting软件功能特点及其操作要点(韩国AnyCasting公司)29
其他:
芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。
四、前后处理工具
19.Patran软件功能特点及其操作要点31
20.HyperMesh软件功能特点及其操作要点32
21.Geomesh软件功能特点及其操作要点33
五、相图计算软件
22.Thermo-Calc软件功能特点及其操作要点
23.DICTRA软件功能特点及其操作要点31
六、量子力学计算
23.Materials-Studio软件功能特点及其操作要点32
24.MaterialsExplorer
25.GROMACS
26.HyperChem
27.Lammps
其他:
Tinker4.2,Guass03
七.实验数据处理
28.Origin软件功能特点及其操作要点
常用CAE软件按照功能分类介绍及短评
1.结构分析用常用前后处理器
HyperMesh:
网格划分(前后处理)专用软件中,当属老大
FEMAP:
一个几个人的公司,其产品被各大软件(包括MSC/NASTRAN)捆绑销售,有过骄人业绩。
后归SDRC->EDS。
MSC/PATRAN:
MSC的网格划分软件,前后处理器。
GLviewPro:
挪威船级社认可的专用后处理软件。
2.机构分析软件
ADAMS:
3.设计工程师用CAE分析软件
DesignSpace,ANSYS的简易分析软件
VisualNastran,MSC/NASTRAN的简易分析软件
Cosmos/DesignStar:
COSMOS/NASTRAN的简易分析软件
这类软件只要求使用者会在几何图形上加边界条件和载荷条件即可,自动网格划分后计算求解。
4.隐式线性和非线性结构分析软件
ABAQUS:
隐式非线性结构分析软件中的老大
MSC/MARC,前MARC经营不善,被MSC并购,不错的非线性结构分析软件其前后处理器Mentat可能被Patran取代。
ANSYS:
专业面广,在耦合分析中有过人之处。
ADINA,:
MIT教授K.J.Bathe的作品。
不错的非线性结构分析软件
MSC/NASTRAN,线性结构分析软件中的老大,不足之处在于与CAD的LINK较弱。
可喜的是,将与I-DEAS一样,在CATIA中作求解器。
I-DEAS:
因FORD公司与SDRC公司的合作关系,该软件提供了汽车零部件开发中常用的CAE分析功能。
由于FEM模型与CAD直接LINK,可以很方便地修改形状后再计算。
COSMOS/Works:
前COSMOS/NASTRAN的改良版。
SAP2000:
80年代加州大学Berkley分校的SAP5,曾被北大教授改成SAP85。
CAEFEM:
用C++写的FEM软件,有小内存可进行大规模计算之说。
……
5.显式非线性结构分析软件
LS-DYNA:
(美国)在近几年的冲击,碰撞,爆破,冲压成型加工等分析中出尽风头,其100多种的材料模型可计算包括人体在内的分析。
PAM-CRASH:
(法国)PAM系列的冲击碰撞分析软件,与LS-DYNA是同一个母亲,也被许多汽车公司采用。
http:
//www.esi-
RADIOSS:
(法国)包括结构冲击碰撞,流体CFD,噪音等的大型分析软件
DYTRAN:
MSC开发的冲击碰撞分析软件
MADYMO:
(荷兰)汽车碰撞分析用软件,人体模型不错。
http:
//www.automotive.tno.nl/smartsite.dws?
id=537
6.计算流体力学分析软件(CFD)
STAR-CD:
(英国)热流体,2相流,化学反应等CFD分析软件。
http:
//www.cd.co.uk/
PAM-FLOW:
(法国)PAM系列的CFD软件http:
//www.esi-
FLUENT:
(美国)
SCRYU/Tetra:
(日本)简便的热流体流动分析软件http:
//www.cradle.co.jp/eindex.htm
FLOW3D:
(美国)
FIRE,SWIFT,FAME:
(德国)AVL的发动机用CFD分析软件,汽缸内燃烧等
ICEM:
ANSYS的子公司生产的流体分析软件
GRIDGEN,FIELDVIEW:
RADIOSS:
(法国)有流体噪音计算模块
CFDesign:
(美国)
7.音响分析软件
SYSNOISE:
(比利时)LMS的噪声分析软件,被各大汽车公司采用。
http:
//www.lms.be/
I-DEASVibro-Acoustic:
用I-DEAS的界面,MTS公司的噪声分析软件。
有FEM和BEM的模块。
8.通用最优化分析软件
Optistruct:
Altair开发的专业优化求解器,功能强大。
iSight:
最通用的最优化分析软件,可用于线性,非线性结构分析,CFD,注塑分析MOLDFLOW等最优化分析。
VisualDOC:
也是通用的最优化分析软件。
MSC/OptiShape:
有很多结构优化分析用软件。
引人注意的是拓朴及形状优化在生产设计中已开始被应用。
9.生产过程仿真软件
MOLDFLOW:
包括注塑成型的流动,模具冷却,收缩,翘曲等塑料过程仿真。
是同行中的老大。
PLANETS:
日本产的MoldFlowhttp:
//www.plamedia.co.jp/english/index.html
TIMON:
日本TORAY公司(材料厂商)开发的3D注塑成型仿真软件。
Moldex3D:
台湾产MoldFlow.tw/chinese/news/index.htm
ProCast:
铸造仿真软件。
http:
//www.ues-
这是Simwe的软件板块2006年12月30日的帖子总数统计,应该能够反映国内目前有限元软件用户的分布情况。
ANSYS的用户数量占了绝对的优势,差不多是其它所有软件用户的总和,这应该得益于ANSYS软件在中国大学里十余年的深入推广和优秀的前后处理能力。
与前几年不同的是,ABAQUS的帖子数量有了明显的增长,表明中国的有限元软件用户们,尤其是大学里的研究型用户们,逐渐认识到它的真正价值,也反映出这个行业开始从盲目走向理性。
唯一的国产有限元软件FEPG排到了最后,而且这也只是国内的情况,它在国外的用户基本为零。
易用性超过其它所有软件的ALGOR,居然排名倒数第二,一方面说明软件在中国的推广存在问题,另一方面也反映出用户离成熟还差得很远,虽然正在走向成熟。
收敛性最好,求解速度最快的有限元软件Cosmos仍然少有人问津。
适合工程计算的非线性软件MARC和经典的非线性软件ADINA仍然维持着稳定的用户数量。
LS-DYNA仍然是显式动力学分析的老大,Dytran成了鸡肋。
跟Dytran类似的是MSC的NASTRAN,跟其它的线性或者非线性的求解器相比,越来越落后于时代的步伐,如果不是依靠它的可靠性以及它跟NASA的关系而在航空业占有的垄断地位,估计早就被抛弃了。
Deform的占有量,说明大变形分析有很大的需求,如成型和切削分析,这也是其它强势有限元软件的弱项。
FEMLAB和FEPG有很多相似的地方,都是需要用户编程的有限元软件,具有良好的开放性,当然FEPG更开放,可以获得用户定制的FORTRAN源码。
它最早是作为MATLAB的有限元分析工具箱出现的,后来独立出来,成为FEMLAB,最近又改名COMSOLMultiphysics,一个庸俗奇怪的名字,既容易跟COSMOS弄混,又好像跟ANSYS的Multiphysics有点啥关系,其实都不相干。
Patran本质上只是一个前后处理软件,不是严格意义上的有限元软件。
MSC正在把它打造成MSC旗下所有有限元求解器的前后处理器,考虑到这一点,把它也列了进去。
MARC独立于MSC列出,是因为目前绝大多数MARC用人仍然使用Mentat做前后处理,而不是用PATRAN,PATRAN主要还是用作NASTRAN的前后处理。
另外,NASTRAN有多个公司的不同版本,这里只列出了MSC公司的NASTRAN的帖子数,其它公司的NASTRAN基本可以认为没有用户。
从这个表可以看出常用的五大有限元软件的排名:
1.ANSYS
2.ABAQUS
3.LS-DYNA
4.MARC
5.ADINA
大力推广CAD技术的今天,从自行车到航天飞机,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、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和ARDYNE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1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLab.)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。
虽然提供了十余种岩土介质模型,但每种模型都有不足,缺少基本材料数据和依据,让用户难于选择和使用。
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.SoftwareCorporation(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)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。
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
4ADINA
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。
5ANSYS和NASTRAN
因为和NASA的特殊关系,mscnastran在航空航天领域有着崇高的地位。
而ANSYS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forwindows2.0。
是nsatranv68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nastran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。
另外,从发展上来说,国际上数值模拟软件发展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、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、板、柱产生变形,而墙、板、柱的变形又反过来影响到空气冲击波的传播……这就需要用固体力学和流体动力学的数值分析结果交叉迭代求解,即所谓“流—固耦合”的问题。
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CTH—EPIC,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YNA3D中早期采用的是拉格朗日坐标,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,近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资,开发了诸如LSDYNA3D、ABAQUS和AUTODYN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,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—GraphicsUserInterface),使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,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、等值分布图,便于极值搜索和所需数据的列表输出。
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Auto
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