Abaqus的故事要從來兩個自英國的年輕人說起。

 

時間撥回到上個世紀60年代末，一個冬日的上午，倫敦市中心的蘋果公司總部（當然，不是喬幫主的那個）屋頂，John Lennon正抱著一把Gibson大肚琴和他的披頭士樂隊扯著嗓子唱“Don’t let me down…”，這是一場沒有宣傳的音樂會，沒人知道他們怎么會突然出現在這，一會兒的功夫，屋頂和街道擠滿了人，城市正常的秩序被打破，警察很快過來制止了他們，這場42分鐘的表演，最終成為他們職業生涯的最后一次公開演出，也標志著音樂界一個時代的結束。

 

與此同時，在大洋彼岸的美國布朗大學，有兩個英國人正忙于一個非線性有限元程序的開發，沒有多少人察覺，學術界的一個嶄新時代，悄然而至。

 

這個程序就是MSC.Marc的前身，它是世界上第一款商業化的非線性有限元求解器。

 

Abaqus簡史涉及的主要人物

而這兩位年輕人就是Pedro Marcal教授和David Hibbitt博士。為了學習更多的力學，David從劍橋來到美國羅德島州普羅維登斯的布朗大學讀博，他在自己的固體力學博士生涯快結束的時候更換了指導教授，新的導師就是Pedro，一位從倫敦來的助理教授，他帶了兩盒裝有SAP有限元程序的打孔卡，試圖擴展這些程序，以便用于非線性問題，比如塑性和大變形。恰好此時的David發現自己對Fortran編程有濃厚興趣，并且非常熱衷于將固體力學應用于工程，兩人不謀而合。

 

 年輕時的David Hibbitt騎著他的文森特黑影

 

彼時距離Ray W Clough等人在有限元領域開創性的工程應用已有十幾年了，人們也逐漸意識到有限元方法的潛力。當時已經存在幾種商業有限元代碼，但都只能處理線性問題，David和Pedro都確信非線性有限元代碼的工程應用前景相當廣闊。

 

01. 首次涉足非線性領域

 

Marc程序是以David的博士論文為基礎開發的，該論文由美國海軍的一項合同資助，要求開發一種有限元方法，以便對潛艇殼體的多道次焊接進行建模，并預測由殘余變形引起的性能損失。為此，他必須首先開發出傳熱分析的能力，以解決熔融金屬凝固時的潛熱效應，并結合預測的溫度來模擬多道次焊接過程中結構的機械響應，包括塑性和蠕變，最后對扭曲變形的殼體結構進行屈曲分析。

 

David回憶，“那是一項艱巨的任務，遠遠超出了計算機的性能?！?整個布朗大學當時只有一臺IBM360/50計算機，這意味著可以分配給研究人員的時間相當有限。我們知道，如今一部手機的計算能力是此類計算機的數千萬倍，而運行有限元程序要求計算機具有遠遠超過手機的處理能力，所以，當時問題的困難程度可想而知。

 

隨著研究的進展，Pedro的團隊接到的電話越來越多，來自各個行業的人都在詢問Marc是否可以幫助他們。生意就這樣開始了，Pedro于1971年成立了Marc Analysis公司，David作為公司的次要共同所有人，也是第一位全職員工。隨著公司的成長，Paul Sorensen加入了一段時間，后來為了攻讀斷裂力學博士學位而離職，畢業后他在底特律的通用汽車研究實驗室工作，直到后來他加入David Hibbitt和Bengt Karlsson，三個人合伙創立了HKS公司。

 

Marc公司按“每小時付費”的方式在控制數據公司（美國CDC公司）的大型計算機上運行程序，瑞典斯德哥爾摩數據中心的CDC分析師Bengt Karlsson在使用Marc程序之后，發現它很不錯，然后他就加入了Marc公司。當Pedro辭去布朗大學的教職，搬到加利福尼亞開展新的業務時，David和Bengt選擇和開發小組一起留在了羅德島州，他們倆后來發現Marc實際使用起來很難滿足大多數工程師的需求，因為這些工程師的主要目的是設計，并非研究代碼，因此沒有時間重建或調試代碼，換言之，當時的程序通用性太差，需要極強的專業能力才能使用。

 

David說：“我們認為當前的明智之路是為需要進行非線性計算的工程師開發出一個強大的‘黑盒子’工具?！钡遣恍业氖牵琍edro對這種投資沒有興趣。

 

02. 開發一個全新的程序

 

David和Bengt決定自己嘗試，David回憶說，“幾乎每個人都說我們會失敗，因為當時已經有22個可行的有限元程序，業務競爭很激烈，而且即便當時最強的計算機也很難進行實際尺寸的非線性計算，所以我們無論是開發新的線性或非線性程序，都不會成功。”

 

好在他們有足夠的積蓄養家糊口并支付一年的抵押貸款，所以，他們構思了ABAQUS軟件，第一個LOGO形象是一個完整的中國算盤，上面有一個信息，它的珠子設定為公司正式成立的日期：1978年2月1日。他們本打算直接將軟件命名為算盤ABACUS，但此商標已被注冊使用，于是聰明的將字母“C”改成了“Q”。

ABAQUS早期LOGO與含義

 

許多科技公司都始于破舊的車庫，與之相比，David和Bengt擁有的農舍前廳要相對豪華一些，David經常在餐桌上使用妻子Susan租來的IBM Selectric打字機進行工作。

 

“我們是一家軟件公司：沒有軟件，沒有計算機，沒有客戶或潛在客戶，幾乎沒有錢”David如實說。他們首先編寫了《用戶手冊》，旨在使問題定義變得簡單而直觀，然后設計了系統的代碼架構，同時也編寫了《理論手冊》。

 

在那段比較艱難的日子里，David也在德克薩斯大學奧斯汀分校以副教授的身份給研究生講授塑性力學課程，通勤期間經常在飛機上編寫代碼，他從事這項工作是為了補貼自己的公司。

 

據David回憶，當時租用“超級計算機”的價格是白天每小時1000美元，夜間每小時400美元，所以他們經常帶著做好的打孔卡程序，驅車100公里到沃爾瑟姆（Waltham），在夜間使用IBM計算機，然后第二天檢查運行結果，找出程序出了什么問題。

 

1978年6月，一次ASME會議上偶然的機會，David與漢福德核發展基地實驗室（Hanford nuclear Development Site）建立了合作，該實驗室需要解決快速增殖反應堆燃料棒的接觸問題，合同要求9月底交付代碼，在克服一些困難之后，David和Bengt為他們的首個客戶提供了ABAQUS的第一個版本。

 

“我們知道，如果在三個月內交付不了代碼，我們就拿不到一分錢”Bengt說，“那是一次很大的鞭策！”他們按時交付了15000行的FORTRAN代碼，包含四種單元：beam、gap、truss和SPHEX，用來模擬熱膨脹、蠕變、以及燃料棒和約束裝置中金屬的輻射溶脹。

 

1978年圣誕節，Paul Sorensen到普羅維登斯探望岳父母時，也拜訪了David和Bengt，一番交流之后，Paul決定加入他們。所以他們的公司成為了HKS公司，這是由三個人姓氏的首字母組成的名字，Paul在穩態裂紋擴展有限元模擬方面的背景對HKS公司首批客戶的項目是十分有利的。

 

另一個早期客戶是埃克森美孚生產研究公司（Exxon Production Research），該公司需要一套用于海上管道安裝和海上立管分析的代碼，這套代碼就是現在Abaqus/Aqua的前身。“技術上的困難是數百英尺長的10英寸管道的長細比太大，”David回憶，“在涉及大運動的情況下，通常基于剛度的梁單元無法解決這一問題。因此，我們研究了混合單元的使用?！被旌狭汉蜖恳渾卧獙τ谶@種分析的成功至關重要，今天仍在使用。

 

03. Abaqus的快速發展

 

80年代，ABAQUS的功能隨著HKS員工的增加而持續增長，補充了殼和連續體單元，以及對塑性、動力學、傳熱等過程的模擬功能。“每個客戶對我們都很重要，他們的需求推動了我們的發展，”Bengt說，“但是我們始終意識到在提供實用功能的同時，一定要保持代碼的通用性。”

 

早期HKS工作人員為客戶安裝ABAQUS

 

在那些日子，每當有新客戶購買許可證時，HKS的工作人員都會到客戶現場去安裝ABAQUS軟件，他們會把磁帶上的源代碼帶到客戶那里，編譯程序并使其可以運行，然后執行所有示例文件，最后檢查打印輸出。

 

現代計算機的出現使打孔卡進入歷史書籍，ABAQUS具備在這些強大的計算機上運行的技術，它在學術和工程界中逐漸建立起盛譽。未來數十年高性能計算的爆炸式增長，為ABAQUS每個新版本的發展提供了動力，其模型在單元數量和自由度方面都實現了飛躍，在計算效率和3D可視化方面的能力日益增強。

 

當然按照今天的標準，當時的FEA仍處于起步階段。然而對于HKS來說，非線性分析市場已經存在。

 

04. 前后處理與顯式動力學

 

隨著ABAQUS求解器功能的不斷開發，很明顯，如果沒有前處理器來解決復雜建模問題，并通過后處理器以圖形的方式查看結果，它很難作為獨立產品繼續下去。

 

早期FEA工程師不得不通過打印表來分析計算結果，但是，展望未來，《 ABAQUS 4.0用戶手冊》中建議“以圖形或圖片形式顯示結果，對于大多數問題，比數字列表更為高效”。為了滿足這種需求，誕生了“繪圖輸出文件”的概念，通過這種方式，用戶可以在分析中插入間隔地輸出應力或位移的繪圖命令，生成一個繪圖文件并在繪圖儀上繪制，那時要花半天時間才完成幾百個單元的云圖繪制工作。

 

后來到了1987年，不再需要外接一個繪圖儀了，ABAQUS/Post作為一個獨立的后處理器發布，具有圖像顯示和命令輸入的功能。

第一款后處理器ABAQUS/Post

 

開發前、后處理器是ABAQUS團隊多年來的一項挑戰?！拔覀兿胍粋€完全交互式的代碼”David說，所以HKS為ABAQUS/CAE的研發投入了大量資金，而ABAQUS/CAE旨在成為求解器的窗口，用戶可以輕松地創建、管理和可視化復雜的仿真模型，并針對特定應用定制專屬的ABAQUS界面。

 

ABAQUS/CAE的第一個版本

在能夠進行前、后處理的同時，還必須投入大量精力來開發自己的商業顯式動力學代碼。David說，“當時，ABAQUS/Explicit的主要目標是沖擊分析，但是，與其他競爭產品不同，我們非常小心，不能為了提高計算速度而以犧牲質量為代價。”ABAQUS/Explicit的第一個正式版本于1992年交付MIT。ABAQUS/Viewer作為獨立產品于1998年發布，與之功能相同的是1999年首發的ABAQUS/CAE中的可視化模塊。

  

05. Abaqus“黑科技”與多元化的SIMULIA

 

經過23年的領導，David Hibbitt于2001年退休，Bengt Karlsson和Paul Sorensen在第二年也效仿。在公司成立25周年之際，2002年11月，HKS公司更名為ABAQUS公司。2005年，ABAQUS公司被達索收購（此后作為軟件的Abaqus變為首字母大寫），成立為達索系統SIMULIA品牌，總部仍在羅德島州。

 

42年的不斷發展，Abaqus FEA已經具備強大的多物理場分析能力，支持非常豐富的單元庫、材料本構模型和二次開發接口。在各個行業，越來越多的科研、工程人員傾向于使用這個“黑科技”來解決自己遇到的問題。

Marco Parente博士研究胎兒順產的不同胎位對盆底肌肉的損傷時，非常明智的選擇了Abaqus軟件，因為通過UMAT/VUMAT可以方便的開發出具有主動收縮能力的超彈性材料本構模型，他成功的搭建好有限元模型并進行了研究分析，這項成果在胎兒順產時對產婦造成可能性傷害的預估方面非常有意義。

  

枕后位對盆底肌肉造成更多損害

 

枕前位是最佳分娩胎位

 

Abaqus不斷進化的同時，SIMULIA也在多元化發展，流體、疲勞和耐久性、注塑、多體、優化、電磁、聲學等方面也增加全新的功能。Abaqus的吸引力帶來了其他一些優秀產品，XFlow、fe-safe、SIMPOE-Mold、SIMPACK、Tosca、Isight、CST、WAVE6等，這些產品的開發者與HKS的創始人一樣，有著同樣的熱情，熱衷于解決最棘手的仿真問題。

 

Living Heart Project

 

當David Hibbitt帶上Living Heart Project負責人Steve Levine遞給他的3D眼鏡，看到眼前這顆人體心臟模型時，他感到很欣慰，這個數字化的“活體心臟”在周期性的跳動、內部有血液涌出瓣膜、心室肌肉組織由復雜的各向異性超彈性材料模擬…Abaqus現在的發展在某種程度上已經超乎這位創始人最初的想象。

 

事件時間線

2019年4月，David Hibbitt在MIT發表了一次公開演講，從歷史、技術、市場與規劃等幾個方面介紹了Abaqus，他講到了公司只有3個員工時是如何寫程序的，講到了與漢福德核試驗基地的項目……最后以龔智慧做的憤怒的小鳥Abaqus模擬作為ending，在愉快的氛圍中結束了演講。上個月龔大神給我發送了這個模型的inp文件，我在感謝信中提及此事，他表示自己也是剛剛從SIMULIA的同事那里得知Hibbitt博士提到了他的模型，他感到非常榮幸。

視頻鏈接：David Hibbitt在MIT的演講

https://v.qq.com/x/page/t3136clagao.html

參考資料：

基于ABAQUS的有限元分析和應用_清華大學出版社，莊茁，等

Analysis Origins – ABAQUS_NAFEMS Blog，Lynn Manning

Abaqus and it’s market_ MIT，Dr. David Hibbitt