有限元計算與計算機配置

   最近領導想在單位推廣有限元計算，問題需要什么樣配置的電腦。誠然，對于想學習有限元的學生、工程師或者單位想配備CAE工程師，可能第一個問題是選什么樣的有限元軟件，買或得配置什么樣計算機。對這個問題，本人將結合自己多年經驗和網友們經驗進行詳細的掰一掰。

引言

有限元計算的任務是基于有限元模型完成有關的數值計算，并輸出需要的計算結果。它的主要工作包括單元和總體矩陣的形成、邊界條件的處理和特性方程的求解，由于計算的運算量非常大，所以這部分工作由計算機完成。除計算前需要對計算方法、計算內容、計算參數和工況條件等進行必要的設置和選擇外，一般不需要人的干預。簡單的說，就是把網格參數，材料參數，載荷參數等輸入信息形成各種矩陣，然后在電腦上進行相關運算，最后得到結果。因此節點數越多，矩陣規模越大，計算量越大，對計算機的硬件資源要求也越高。

通常決定計算速度的因素有三個方面：

1）計算機硬件配置：CPU核數和頻率、內存容量、硬盤IO，顯卡等。
2） 工程問題的計算模型大小和復雜度 （這在后面一節會詳細講解）
3） 所選的有限元計算軟件

1.有限元計算與計算硬件的關系

CPU：決定計算速度
   首先CPU和內存頻率越高,計算速度就會越快。如確保CPU所有的核心100%進行運算,所進行運算的數據容量一定不要超過可使用的空閑內存容量,否則整個計算過程要被內存空間不足,從虛擬內存、硬盤中頻繁數據調用讀取,造成cpu時間延遲等待.關于網絡計算規模對應CPU核數：從現有規格Xeon E3、Xeon5600處理器規格來講，通常小規模（300萬網格以內）推薦4核圖形工作站，中大規模（600萬網格以內）推薦8核圖形工作站，超大規模（1000萬網格）推薦12核圖形工作站。

內存：決定的網絡計算規模

每個核與內存數據計算量大概在1:4~8比較合理 ，例如4核對應內存16GB~32GB，8核對應32GB~64GB，12核對應48GB~96GB，當然內存越大越好，XASUN獨有的內存虛擬硬盤軟件可以幫助你大幅縮短數據交換時間。網格規模與內存容量合理分配：如果設置使用的內存上限超過實際的物理內存，調用的數據就會從虛擬內存、硬盤來讀去，CPU的等待時間大大變長，造成計算速度整體下降。所以務必保證控制好數據占用內存容量上限，必須是計算機物理內存實際能空閑提供給有限元程序使用的內存。

 

硬盤：決定隱式計算中間數據回寫性

 

計算過程中，如果內存容量不夠, 數據文件是放在硬盤上的, 如果內存足夠大的話, 這個文件則會由有限元程序進行任務調度放入內存以提高速度, 即設定內存使用量的百分比. 這個不是指所需的內存量, 而是作為一個控制磁盤剩余空間的參數. 內存容量畢竟有限，如果模型特別大的話，兩類文件加起來得幾十個GB，肯定得往硬盤里寫數據。所以提升效率最經濟的方法就是把硬盤讀寫的速度提上去，就得通過RAID方式提升硬盤的讀寫性能，詳細推薦參考下面配置方案中得硬盤使用。

 

4、顯卡：決定計算結果的圖形生成可視化模型規模和性能

一般計算所用的操作系統，基本都是window和linux 64位，但是基于Linux環境的計算時間普遍比Windows環境要短的多，另外安裝過程也有很多注意事項，只有對整個運行過程非常了解，設置合理，對計算速度提升非常大的。在ABAQUS，comsoL，ansys 等有限元模型分析計算中，會生成臨時文件，盡量將文件存儲介質放到最快的存儲介質上，對整體運算也是非常重要的。由于內存讀寫速度比硬盤讀寫速度快，所以如果計算機配置不變的情況下，要達到最快計算速度，就要在計算時讓兩種臨時文件都放在內存中。

 

2、 計算模型及復雜度與硬件配置的關系

以ansys ，abaqus 軟件為例，這兩款軟件分為三大類仿真計算類型，分別為顯式計算，隱式計算，流體計算。大多數非線性動力學問題一般是采用顯示求解計算，特別是在求解大型結構的瞬時高度非線性問題，顯示求解方法有明顯的優越性。這種求解方法沒有收斂性問題，不需要求解聯立方程組，其缺點是時間步長受到數值積分穩定性的限制，不能超過系統的臨界時間步長。隱式求解方法，不考慮慣性效應，對于線性問題，無條件穩定，可用大時間步計算，對于非線性問題，通過一系列線性逼近來求解，因此一般用于線性分析和非線性結構靜動力分析，包括結構固有頻率和振型計算。以下是ansys 三種計算類型對計算硬件配置的要求特點。

 

 

3、所選的有限元計算軟件

   如老子所言，“道淵兮，似萬物之宗”。這紛紛擾擾的萬花世界，到頭來都可以歸結為數學問題，且多半都可以用數值偏微分方程來建模，而后又可以利用有限元法，有限差分法，有限體積法等求解。大多數工程問題都是由如下6個場的一個或多個或多個相互作用 產生。

CAE軟件很多，每個軟件都有其擅長的領域，同一個問題，其求解效率也各有春秋--- 筆者曾計算過一個金屬薄膜的鍛壓過程的殘余應力仿真，使用abaqus 的顯式計算，各種網格加密，自適應網格，初始預接觸等操作，一開始死活不能得到計算結果。折騰了好幾天，也算了好幾天勉強得到一個結果，可結構設計稍微動一下，又得痛苦幾天。后來，在朋友建議下，索性花一天時間學了下deform , 而后用deform 軟件去結算這個問題，結果只要2個小時就能得到結果。

 

 

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

 

1）ANSYS

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，發展了很多版本，但是它們核心的計算部分變化不大，只是模塊越來越多，這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，而是把別人的東西買來集成到自己的環境里。ANSYS相繼收購了一堆很牛的軟件，如2000年開始，ANSYS收購 ICEMCFD Engineering、法國的CADO；2003年，收購AEA公司的CFX軟件業務；2006年，ANSYS完成對Fluent的收購活動；2008年，ANSYS收購電子設計軟件EDA；2019，收購了光學仿真領域小有名氣的軟件OPTIS。

ANSYS 分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力，現在對于流體分析，電磁分析，以及瞬態動力學分析已經很強大。

特別一提是，自 ANSYS workbench 問世后不久，ANSYS 經典面板已經停止更新，自 ANSYS workbench 是新一代的CAE分析環境和應用平臺，它提供了統一的開發和管理CAE信息的工作環境，提供高級功能的易用性，更加適合工程設計人員使用。

 

2）HKS公司的ABAQUS軟件

ABAQUS是一套先進的通用有限元系統，屬于高端CAE軟件。它長于非線性有限元分析,可以分析復雜的固體力學和結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大的復雜問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統級的分析和研究，其系統級分析的特點相對于其他分析軟件來說是獨一無二的。需要指出的是，ABAQUS對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3D。abaqus解決巖土、混凝土等的非線性問題比marc要好，光本構就一大堆，而且例子也多，而ansys巖土能力為零.

 筆者接觸有限元最開始出于ansys 海量的學習資料學習 經典面板的ANSYS，工作后出于計算模型多為非線性用了幾年ABaqus, 對ABaqus其在熱電耦合，熱固耦合，接觸問題、非線性求解能力、建模速度上 用起來感覺可以碾壓經典面板ANSYS。

但在需要用戶自定義程序，軟件控制程序運行，靈敏度計算，可靠性計算（6 西格瑪優化設計）上，ANSYS 又是無可撼動的地位。

 

3）LSTC公司的LS-DYNA系列軟件。

    LSDYNA長于沖擊、接觸等非線性動力分析。LS-DYNA是一個通用顯式非線性動力分析有限元程序，最初是1976年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室由J.O.Hallquist主持開發完成的，主要目的是為核武器的彈頭設計提供分析工具，后經多次擴充和改進，計算功能更為強大。雖然該軟件聲稱可以求解各種三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等接觸非線性、沖擊載荷非線性和材料非線性問題，但實際上它在爆炸沖擊方面，功能相對較弱，其歐拉混合單元中目前最多只能容許三種物質，邊界處理很粗糙，在拉格朗日——歐拉結合方面不如DYTRAN靈活。

 

4）MSC.software公司的DYTRAN軟件

在同類軟件中，DYTRAN在高度非線性、流固耦合方面有獨特之處。MSC.DYTRAN程序是在LS-DYNA3D的框架下，在程序中增加荷蘭PISCES;INTERNATIONAL公司開發的PICSES的高級流體動力學和流體結構相互作用功能，還在PISCES的歐拉模式算法基礎上，開發了物質流動算法和流固耦合算法發展而來的。但是，由于MSC.DYTRAN是一個混合物，在繼承了LS-DYNA3D與PISCES優點的同時，也繼承了其不足。首先，材料模型不豐富，對于巖土類處理尤其差，雖然提供了用戶材料模型接口，但由于程序本身的缺陷，難于將反映材料特性的模型加上去；其次，沒有二維計算功能，軸對稱問題也只能按三維問題處理，使計算量大幅度增加；在處理沖擊問題的接觸算法上遠不如當前版的LS-DYNA3D全面。

 

5）ADINA

    ADINA是近年來發展最快的有限元軟件，它獨創有許多特殊解法, 如勁度穩定法(Stiffness Stabilization),自動步進法(Automatic Time Stepping),外力-變位同步控制法(Load-Displacement Control)以及BFGS梯度矩陣更新法,使得復雜的非線性問題(如接觸,塑性及破壞等), 具有快速且幾乎絕對收斂的特性, 且程式具有穩定的自動參數計算,用戶無需頭痛于調整各項參數。另外值得一提的就是它有源代碼，我們可以對程序進行改造，滿足特殊的需求。

6）NASTRAN

     NASTRAN是大型通用結構有限元分析軟件，也是全球CAE工業標準的原代碼程序。NASTRAN系統長于線性有限元分析和動力計算，因為和NASA(美國國家宇航局)的特殊關系，它在航空航天領域有著崇高的地位。NASTRAN的求解器效率比ANSYS高一些。

 

7）Algor

    ALGOR屬于中高檔CAE分析軟件，在汽車，電子, 航空航天，醫學，日用品生產，軍事，電力系統，石油，大型建筑以及微電子機械系統等諸多領域中均有廣泛應用。它最大的特點是易學易用，界面友好，操作簡單，這可以極大提高軟件應用者在工程實際中的效率。

 

8）COSMOSL

  COMSOL 是 多物理場分析專家，設置耦合條件也很好，操作也很方便。有時候感覺是太方便了。筆者這幾年由于需要經常計算，結構熱應力，熱流耦合，熱電耦合，濕應力及光機耦合，因此不得不求助與COMSOL，且越來越喜歡這個軟件。COMSOL 在與SOLIDWROKS

通信非常方便（比workbench 與solidworks更便捷，功能更強大），在物理場建模、網格劃分、后處理，二次開發上都很強大。對于一些特殊問題，如濕度場，射線追跡，波動光學，電化學，聲學，腐蝕，化學反應，電鍍等是一個非常好的選擇。 在這之前，算熱應力，磁場，熱流耦合，結構可靠性，用workbench ， 因為3D模型 連同結構參數等可通過solidwroks 直接導入；算熱固耦合，接觸問題，非線性問題用abaqus；算光學射線追跡問題用zemax;

算電子產品大模塊用workbench 下的ICEPEAK 或FLUENT。總之感覺很雜，很煩，又很無奈的感覺。融會貫通COMSOL 后，恍然間有萬物歸宗的感覺。在COMSOL 所有計算都是用一樣的前處理，后處理，求解器設置等平臺。

 

 

 總結：

對選什么樣的有限元軟件，應根據自己工程問題模型、預算，未來發展等做一個權衡。本人只用過ANSYS經典面板，WORKBENCH，ABAQUS，FLUENT，ICEPAK，FLOTHERM,COMSOL 。

對求解復雜的流場問題，比如湍流，音障等，FLUENT比COMSOL，ABAQUS 強大的不止一個檔次；

對電子機箱等產品熱流計算問題，ICEPAK，FLOTHERM 比FLUENT，COMSOL，ABAQUS 好用到不止一個檔次，它們提供有對電子領域常見的TEC，電路板，風扇，散熱翅等建模，熱輻射，接觸熱阻、網格劃分等設置非常容易，計算效率也高很多。

對于復雜的非線性問題，如沖擊，跌落，超彈性，蠕變等ABAQUS 為首選，模型一大WROKEBNCH ,COMSOL 會讓你有砸電腦的沖動。

對于磁場，電磁場、熱電，熱流，熱偶等耦合場等計算，WORKBENCH 與COMSOL 均不會讓你失望。如果耦合場的熱源比較復雜，如激光焊接，電阻焊等，需要定義一些比較復雜的自制程序的邊界條件，或者進行一些復雜的后處理，WORKBENCH 會你抓狂，而COMSOL 會讓你美得懷疑人生，倍感之前付出多么不值。

如果你要計算光機耦合，熱濕結構耦合或電鍍，電化學反應，腐蝕等，或者你同時需要做各種類型的仿真，那COMSOL　絕對是一個不二人選。

 

對于需要什么的計算機配置。需要依據自己工程問題，計算規模，預算，未來情況做個權衡。對于想學習有限元的朋友，七八千的電腦足以應付，更低配置也湊合，畢竟你可以用簡化模型來學習；但想跑出有限元計算結果的朋友，那最好拿你最大的預算，不然總有那么一天你想砸電腦。

 

 

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