一）有限元分析介紹
有限元分析（FEA）借助高性能計(jì)算機(jī)工具，用“數(shù)值近似”和“離散化”方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，如求解結(jié)構(gòu)、熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題
 



有限元法在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用普及，已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

主要仿真計(jì)算專業(yè)領(lǐng)域
瞬態(tài)結(jié)構(gòu)仿真、靜態(tài)仿真計(jì)算、流體仿真計(jì)算(CFD） 、電磁仿真計(jì)算（EM）、多物理場(chǎng)仿真仿真、熱分析、聲波仿真計(jì)算等

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（二）有限元仿真計(jì)算特點(diǎn)分析



2.1 有限元分析各個(gè)環(huán)節(jié)計(jì)算過(guò)程分析

第一階段  前后處理器計(jì)算過(guò)程分析

 

有限元前處理器是從幾何模型形成物理模型的物理建模（幾何建模）、由物理模型形成數(shù)學(xué)模型（網(wǎng)格劃分）的數(shù)學(xué)建模兩個(gè)過(guò)程，

常見(jiàn)有限元分析前處理軟件：
ANSYS SpaceClaim，Meshing，ICEM CFD
Altair HyperMesh
MSC Patran
ANSA
Abaqus /CAE
Siemens Femap

一般來(lái)說(shuō)，CAE分析工程師大部分時(shí)間都花費(fèi)在了有限元模型的建立和修改上，真正的分析求解時(shí)間也消耗在了工作站或集群上，所以一個(gè)適合自己應(yīng)用功能強(qiáng)大有限元前處理軟件和一部高性能建模工作站是非常必要的。

常見(jiàn)問(wèn)題：
（1） 復(fù)雜、大型三維模型在讀取和編輯過(guò)程，模型卡頓
（2） 因精度過(guò)高，網(wǎng)格劃分處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

造成上述問(wèn)題的原因主要在三個(gè)方面：
（1）    模型自身問(wèn)題，精度太高，計(jì)算量過(guò)大，計(jì)算機(jī)無(wú)法承受
（2）    前處理軟件自身算法問(wèn)題，網(wǎng)格劃分軟件的處理模式，計(jì)算不過(guò)來(lái)
（3）    工作站硬件配置不足或配置不合理，計(jì)算性能不夠

建模計(jì)算特點(diǎn)
硬件因素更關(guān)鍵，建模過(guò)程是人機(jī)交互模式下，對(duì)模型移動(dòng)、縮放、刪減等操作，為了保證流暢，每秒生成24幀畫(huà)面，這樣模型移動(dòng)流暢，圖形的幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，都是由CPU計(jì)算承擔(dān)的，多核在這個(gè)過(guò)程不重要，主要靠單核，圖卡任務(wù)得到圖形的幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)生成圖形，因此要讓復(fù)雜模型流暢，顯卡任務(wù)很輕松，只有提升CPU頻率解決

網(wǎng)格劃分計(jì)算特點(diǎn)
模型建立好后，要對(duì)三維模型的網(wǎng)格空間離散化過(guò)程，就是網(wǎng)格劃分，通常網(wǎng)格劃分密度越高，求解的結(jié)果越接近真實(shí)解，精度提高，網(wǎng)格劃分計(jì)算量隨之增大，常規(guī)工作站計(jì)算性能可能不夠，因此對(duì)于碰撞、沖擊、爆炸、波傳播仿真分析來(lái)說(shuō)，在計(jì)算效率、內(nèi)存容量、精確度這三個(gè)方面要有所權(quán)衡，在滿足求解精度的條件下，盡量使得計(jì)算量不要太大、存儲(chǔ)空間小，另外不同的網(wǎng)格劃分軟件算法差異，網(wǎng)格生成數(shù)據(jù)規(guī)模有所不同，網(wǎng)格劃分過(guò)程大部分軟件是單核計(jì)算模式，個(gè)別軟件是有限多核并行模式（如 Ansys Meshing），當(dāng)然工作站硬件更重要，性能一定要最大化


第二階段 求解計(jì)算特點(diǎn)與硬件配置分析

 需要根據(jù)求解類型（運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)、靜平衡、特征值分析等）選擇相應(yīng)的求解器進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算和求解。求解問(wèn)題歸類：

2.1結(jié)構(gòu)力學(xué)（動(dòng)態(tài)類）仿真求解計(jì)算分析
求解問(wèn)題  對(duì)碰撞、爆炸、沖擊等仿真分析
主要軟件：ANSYS LS-DYNA，ANSYS AUTODYN, ABAQUS/Explicit ,MSC Dytran,Altair RADIOSS，
主要算法  有限元法為主（中心差分法），顯式計(jì)算模式，無(wú)需迭代
硬件特點(diǎn)：CPU多核并行度高，內(nèi)存相對(duì)小，無(wú)硬盤(pán)io要求

2.2結(jié)構(gòu)力學(xué)（靜態(tài)類）仿真求解計(jì)算分析
求解問(wèn)題  對(duì)應(yīng)力、強(qiáng)度、疲勞、耐久仿真分析
主要軟件：ABQAQUS /Standard, MSC MARC，Ansys Mechanicl，ADINA，MSC Fatigue
主要算法  有限元法為主（Newton-Raphson法），隱式計(jì)算模式，迭代密集
硬件配置特點(diǎn)：CPU多核并行度較高，內(nèi)存相對(duì)大，硬盤(pán)io要求高

2.3流體力學(xué)仿真求解計(jì)算分析
求解問(wèn)題  計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析
主要軟件：ANSYS Fluent，ANSYS CFX,西門子 STAR CCM+
主要算法  有限體積法為主（顯式/隱式或混合模式計(jì)算模式）
硬件配置特點(diǎn)：CPU多核并行度高，部分支持GPU加速，內(nèi)存相對(duì)小，無(wú)硬盤(pán)io要求

2.4多物理場(chǎng)耦合仿真計(jì)算分析
求解問(wèn)題  結(jié)構(gòu)、流體、熱等耦合仿真分析
主要軟件：Comsol Multiphysics ，ANSYS Multiphysics
主要算法  有限元法分析、有限體積法、邊界元法和粒子追蹤方法等（混合模式）
硬件配置特點(diǎn)：CPU多核并行度高，內(nèi)存容量大，硬盤(pán)io一般，無(wú)GPU加速

2.5電磁仿真仿真計(jì)算特點(diǎn)與硬件配置分析
求解問(wèn)題  電磁場(chǎng)及耦合仿真分析
主要算法  有限元法，時(shí)域與頻域全波求解（MoM、FDTD、FEM 和 MLFMM）等
主要軟件：ANSYS HFSS ，Maxwell，F(xiàn)eko，CST，
硬件配置特點(diǎn)：CPU多核并行度高，GPU加速顯著，內(nèi)存容量相對(duì)大，硬盤(pán)io一般



3）后處理計(jì)算特點(diǎn)
后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出
圖形生成：基于OpenGL圖形接口
軟件：與前處理軟件一體，見(jiàn)不同CAE軟件商家


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(三) 有限元建模與求解計(jì)算工作站硬件配置

3.1 仿真計(jì)算硬件配置歸納

（1）有限元分析建模和求解、后處理

（2）工作站單核計(jì)算與幾何建模規(guī)模參考

（3）CAE仿真計(jì)算規(guī)模與硬件配置參考

備注：（1）自由度是以六自由度網(wǎng)格粗算  （2）GPU以Nvidia雙精度計(jì)算卡為主



3.2 與有限元仿真計(jì)算相關(guān)UltraLAB工作站機(jī)型介紹

參考：http://www.yqgqt.org.cn/content/post/1205047

歡迎交流，探討；可以提供有條件遠(yuǎn)程測(cè)試（私聊）。