隨著我國基礎工程建設的發展，有限元等數值方法和有限元軟件在實際工程中獲得了大量的應用。目前已開發的有限元軟件可以粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件，軟件使用者則需要根據擬解決問題選擇合適的巖土工程軟件，提高數值模型的效率，實現經濟效益；軟件開發者則需要關注有限元軟件的未來發展趨勢，提高軟件的競爭力。

       隨著數值方法和計算機技術的快速發展，有限單元（finite element）理論和方法已經成為數值仿真技術的基本方法之一，有限單元法的快速發展又極大地促進了數值仿真技術的進步，使其廣泛應用于航天飛行器、汽車、土木建筑、水利等行業，具體涉及固體、流體、熱物理、電磁場、多物理場耦合等領域。近年來，在數學家、力學家和工程師的共同努力下，有限元方法進入了新的發展階段，從基本的有限單元法發展出廣義有限元法、隨機有限元法、擴展有限元法、多尺度有限元法以及隨機多尺度有限元法，這些發展充分地顯示了有限元方法強大的適應能力和擴展能力。

       1. 有限元軟件介紹

       與有限差分法、有限體積法、邊界單元法、離散單元法以及無網格法等數值仿真技術相比，有限元法在巖土工程中應用最為廣泛。可用于巖土工程分析的有限元軟件可粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件。通用的有限元軟件主要有ABAQUS，ADINA，ANSYS，COMSOL Multiphysics, LS-DYNA，NASTRAN等，而巖土工程專用有限元軟件主要有CRISP，GeoFEA，GeoStudio，Midas GTS，PLAXIS，Rocsciences，Z-Soil和SoilVision等，這里僅簡單介紹其中一些    常用的有限元軟件：

       (1)    ABAQUS

       簡介：介紹ABAQUS的命名來自中國古老的計算工具算盤 (ABACUS) ，軟件也采用了算盤作為它的圖標。ABAQUS 由創建于1978年HKS (Hilbitt, Karlson, and Sorensen) 開發。2005年 HKS將ABAQUS以4.13億美元的價格賣給達索(Dassault Systemes Simulia Corp.)。由于 ABAQUS軟件進入中國市場較晚，早期版本前后處理功能有限，復雜模型主要借助于Patran軟件來產生ABAQUS的輸入文件，這些因素制約了ABAQUS在工業界的應用。新版本ABAQUS/CAE已經得到了顯著改善，為ABAQUS更好地發展奠定了基礎。

       特點：在非線性計算和接觸問題等方面具有業內具有領先優勢。新版本（6.5以后版本）前后處理圖形界面和建模能力有了大幅的改善。尤其是，Abaqus有模型樹，所有的操作一目了然，思路也很清晰和明朗。二次開發功能強大，留有47個用戶接口如提供了用戶本構模型接口，用戶單元接口，Python腳本編程，適合高級用戶使用。在眾多通用有限元軟件中，ABAQUS更適合解決巖土、混凝土等非線性問題。但ABAQUS在工業界應用沒明顯不如在科研領域廣泛。用戶需要購買軟件一定期限的使用權限，費用較昂貴。

       (2)    ADINA

       簡介：ADINA R & D, Inc. 由美國麻省理工學院的K. J. Bathe教授和他的同事于1986年創建。當時公司的一個專門任務就是開發用于固體和結構，熱傳導，計算流體動力學的線性和非線性有限元分析系統ADINA。

       特點：在橋梁結構的動力學分析，生物醫學及核反應等方面具有較高的可靠度，也可以處理流體-結構相互作用，熱力耦合等多物理場等問題。

       (3)    ANSYS

       簡介：John Swanson 在Westinghouse Electric Corp. 開發了一個主要用于核反應的有限元程序，1969年Swanson 離開了Westinghouse 將此程序推向市場并名為ANSYS。1996年, ANSYS 正式發布。ANSYS Inc.由美國的Swanson Analysis System Inc. 擁有，2006年又收購了Fluent Inc. 的母公司愛美達 (Aavid Thermal Technologies, Inc.) Fluent是世界最大的計算流體力學 (CFD) 軟件供應商和服務提供商。 到2006年止，ANSYS公司資產已經達到 18億美元。由于進入中國市場較早，ANSYS在中國擁有廣泛的客戶群。

       特點：圖形界面友好，前后處理和建模功能強大。Ansys應用領域廣泛，在結構優化設計、拓撲優化設計和隨機有限元等方面有一定的優勢。Ansys可通過自己的APDL程序語言來編程序建模，所有結構尺寸都可以參數化。目前主要用于機械和結構分析。

       (4)    LS-DYNA

       簡介：LS-DYNA 源于開源程序DYNA3D，DYNA3D最初由美國勞倫斯·利弗摩爾 (Lawrence Livermore) 國家實驗室的John Hallquist開發。1987年, John Hallquist離開實驗室創建他自己的公司LSTC (Livermore Software Technology Corporation)，并開始將LS-DYNA推向市場。 目前，ANSYS 也具有LS-DYNA求解模塊，即ANSYS LS-DYNA。

       特點：最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題。雖然提供了十余種巖土介質模型，但每種模型都有不足，缺少基本材料數據和依據。

       (5)    NASTRAN

       簡介：美國國家航空航天局NASA于1965 投入了300萬美元來資助由Dick MacNeal 提出的開發一個通用有限元軟件的項目，這個有限元程序定名為NASTRAN。后來，Dick MacNeal 和 Bruce McCormick 創建了MSC公司來進一步完善這個程序。MSC公司自1963年開始從事計算機輔助工程領域CAE產品的開發和研究, 1966年美國國家航空航天局（NASA）為了滿足當時航空航天工業對結構分析的迫切需求，主持開發大型應用有限元程序的招標，MSC中標并參與了整個 NASTRAN的開發過程。    1969年NASA推出了其第一個NASTRAN版本NASTRAN Level 12。到1990 , NASTRAN 已經被許多大的公司所采用。

       特點：NASTRAN是大型通用結構有限元分析軟件，長于線性有限元分析和動力計算。主要可以進行二維、三維應力分析，可以分析航天器的梁、殼等復雜結構以及進行振動分析和動荷載作用下響應。MSC.Nastran是計算用的，屬于后處理軟件，需要結合MSC.Patran來使用。而Patran建模簡單易用。盡管Patran建模簡單易用，與ABAQUS的模型樹建模方式相比，操作仍顯死板。Nastran在計算過程中也不如ABAQUS那樣有監視器窗口來給出監測信息和計算時間。

       (6)    CRISP

       簡介：CRISP由英國劍橋大學的研究人員于1975年開發的臨界狀態土力學非線性有限元分析程序。1982年研究人員將FORTRAN程序代碼公布，程序主要在學術圈流傳，參見Britto AM 和 Gunn MJ. 的書“Critical State Soil Mechanics via Finite Elements, 1987”。1990年, 基于個人電腦的MS DOS測試版本CRISP90被發布。此版本包含了早期版本所有特點，可以模擬耦合荷載和固結問題。1995年SAGE 開發了二維Windows圖形用戶界面，推出軟件SAGE CRISP。2002年SAGE CRISP推出三維捆綁產品，這個三維捆綁軟件包括FEMAP程序，CRISP程序，和 SAGE CRISP三維工具。

       特點：臨界狀態土的本構模型較完善，圖形用戶界面一般，三維功能發展滯后。

       (7)    GeoFEA

       簡介：GeoFEA 由新加坡國立大學的研究人員基于CRISP90開發的非線性有限元軟件，經過10多年的發展于2006年推向市場，軟件一開始就具有二維和三維建模能力。

    特點：繼承了Crisp的特點，臨界狀態土的本構模型較完善，三維建模能力較強，巖土工程專業化前后處理功能還有待加強。

       (8)    GeoStudio

       簡介：GeoStudio是由GEO-SLOPE International Ltd.公司開發的軟件，GEO-SLOPE的主要創始人是非飽和土力學的奠基人之一Delwyn G. Fredlund教授。GeoStudio最新版本（2007年5月發布）共包含9個專業分析模塊。軟件系列模塊有：計算邊坡穩定的SLOPE/W；用于地下水滲流分析的SEEP/W ；用于應力-變形分析的SIGMA/W ；用于地震地震應力應變分析的QUAKE/W；用于地熱分析的TEMP/W；用于地下污染物傳輸的CTRAN/W；用于氣流分析的AIR/W；VADOSE/W: 專業的模擬環境變化、蒸發、地表水、滲流及地下水對某個區或對象的影響分析軟件；三維滲流分析軟件Seep3D。

特點：界面簡單，非飽和土和非穩定滲流計算方面較好。軟件開放性差，不便于進行二次開發。

       (9)    Midas GTS

       簡介：Midas GTS是韓國MIDAS IT公司的系列產品之一，MIDAS IT最初是韓國的浦項制鐵(POSCO)集團的一個子公司。自從1989年，MIDAS IT為土木工程師開發了一系列有限元分析軟件，涉及建筑結構、橋梁、巖土和隧道工程領域。目前，MIDAS IT 與TNO DIANA 宣布合作，兩個公司都有較好的有限元軟件開發經驗和歷史。

       特點：界面簡單易用，有中文版本。三維建模能力也較強，但缺乏命令流。

       2. 有限元軟件的選擇

       如何選擇一個有限元軟件？看似簡單，但要求對所涉及領域，需要解決問題的性質、以及軟件的求解能力等方面有一個比較全面的了解。選擇一個有限元軟件可從以下三個主要方面進行考慮：

    * 根據專業問題進行選擇；

    * 根據財力進行選擇；

    * 根據軟件的求解和計算能力進行選擇。

其中，“根據專業問題進行選擇”，即是否能夠求解目標問題，是為首要參考依據；在“根據財力進行選擇”所描述的財力允許情況下，應盡可能選擇求解和計算能力強的軟件，一個可以節省計算時間的軟件可以顯著提高經濟效益。此外，還可以補充以下參考依據：

    * 根據二維或三維建模能力進行選擇；

    * 根據用戶圖形界面(GUI)友好性（簡單易用性）進行選擇；

    * 根據材料模型庫或單元類型庫是否豐富將進行選擇。

 

       3. 有限元軟件的發展趨勢

       根據各種有限元軟件的特點和不足，可以預計有限元軟件的未來發展趨勢主要有：

       (1)   用戶圖形界面友好程度的加強

       用戶圖形界面（GUI 或Graphics User Interface）是否功能強大易學易用關系的軟件的長遠發展。用戶圖形界面的設計應該基于軟件所面向的主要用戶群。如果主要用戶群為工程師，需要軟件盡可能友好，具有快速的網格生成和強大的建模能力，并且盡可能增強軟件的后處理功能，提供多種數據的可視化能力（如生成變形圖，等值線圖和動畫等），便于形成計算結果的報表。

       當前，工程師可以在集成的CAD和數值模擬軟件環境中快捷地解決一個復雜工程問題。所以當今所有的商業化有限元系統商都開發了和著名的CAD軟件（例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等）的接口。有時，生成的有限元網格質量不好或者需要增添新的域，要對已生成的有限元網格進行修改和重生成。因此，有限元軟件技術的發展應該考慮盡可能減少網格修改和再生成所帶來的工作量。

       (2)   建模能力從二維擴展到三維

       盡管某些巖土工程問題（例如基坑開挖、群樁基礎和曲線隧道等）具有明顯的三維特征，很多數值模擬仍將其簡化為平面問題。為了準確模擬實際工程問題，有效地揭示巖土工程中某些三維效應，應盡可能采用三維建模和數值模擬。由于三維有限元建模需要先進的計算機圖形技術，并且對計算機的硬件有較高的要求。隨著計算機圖形學和硬件等技術的快速發展，目前普通個人計算機已經具備很強的三維模型處理能力。有限元軟件的建模能力也開始從二維擴展到三維。例如，Crisp最初版本只有二維，現在也具備了三維版本；Plaxis在最初的二維平面應變軟件基礎上也開發了Plaxis 3D Tunnel和Plaxis 3D Foundation；LS-DYNA 2D 也擴展到LS-DYNA 3D。但也有完全在三維基礎上開發的，如MSC.DYTRAN，就沒有二維功能。

       (3)   從單一物理場和單相問題到多物理場多相耦合問題

       數值模擬初期只是分析簡單的單一物理場問題，結構工程通常只研究梁、板和殼等，巖土工程只是研究土體，這些問題但可以歸結為單一的位移場問題。而數值模擬發展到今天，能夠更加反映實際的多物理場和耦合物理場開始得到重視。例如，結構構件的變形也可能受到溫度場的影響；巖土工程中土骨架和孔隙水壓力也是相互耦合相互作用的，是個很典型的流-固耦合問題，凍土是一種由固體土顆粒、固態冰、未凍水和空氣構成的四相巖土介質，多物理場多相耦合是復雜巖土介質的基本特征。更加復雜的問題可能涉及位移場、液體壓力場、溫度場、電傳導、 磁場和聲場等問題。例如，ABAQUS和COMSOL Multiphysics等有限元軟件就具有很強的多物理場多相耦合分析能力。

       (4)   從單坐標體系擴展到多坐標體系

       早期的數值模擬軟件通常只采用單一坐標系，或采用拉格朗日坐標或采用歐拉坐標。由于不同問題的求解基于不同的坐標系統，基于單一坐標體系，計算分析問題的范圍受到很大的限制。因此有的問題需要從單坐標體系擴展到多坐標體系進行求解，或采用新的計算方法，例如無網格（meshfree或meshless）技術，如SPH（Smooth Particle Hydrodynamics），SPH法不用網格，所以沒有網格畸變問題，因此能在拉格朗日格式下處理大變形問題。

       (5)   綜合型和模塊化的兩極化發展趨勢

       一方面，巖土工程的復雜性要求我們不能只停留在單一物理場和單相的簡化求解，需要發展到更加實際的多物理場多相耦合求解。這要求巖土工程軟件能夠處理復雜的多物理場多相耦合巖土工程問題（例如邊坡穩定性的非飽和流-固耦合分析，凍土的水-熱-力耦合分析等），使得一部分軟件向綜合型發展，例如ABAQUS，COMSOL Multiphysics和GeoFEA等。

       另一方面，綜合型的有限元軟件包過于龐大，價格十分昂貴，限制了普通用戶的數量，而根據用戶需要的模塊式程序是多數巖土工程有限元軟件的一個發展趨勢,例如， GeoStudio，Midas GTS，PLAXIS，Rocsciences，Z-Soil和SoilVision等都包含了一系列的軟件模塊，使開發者可以根據軟件的功能模塊來進行定價，用戶可以根據實際需要購買專門的模塊，這可能是巖土工程軟件模塊化發展的主要原因。此外，巖土工程軟件模塊化也有利于提高軟件數值計算的效率。

       (6)   提供更多的二次開發功能

       盡管有限元軟件要有友好的用戶圖形界面，軟件還需要給高級用戶提供更多二次開發功能。例如允許用戶直接修改輸入文件，并使用界面直接運行已經存在的輸入文件；允許用戶使用自己的材料模型和單元類型。在軟件的二次開發功能方面，通用的有限元軟件發展得很好，如ABAQUS提供了用戶模型接口UMAT和用戶單元接口UEL，允許用戶編制自己的本構模型和有限單元的Fortran程序，此外，ABAQUS還允許用戶采用Python腳本語言進行編程，擴展其處理能力。相比之下，多數巖土工程專業軟件（例如PLAXIS等）重視提高用戶圖形界面（GUI）的友好性，卻忽視了二次開發功能。因此，如何在保持提高用戶圖形界面（GUI）的友好性的同時，增強軟件的二次開發功能是開發者所面臨的一個課題。

       (7)   跨平臺（Cross-platform）

       早期的數值分析軟件基本上都是在大中型計算機上開發和運行的，后來又發展到工作站（Work Station），它們的共同特點都是采用UNIX操作系統。Microsoft Windows操作系統和32位的Intel Pentium處理器的推出，為PC機用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當前國際上著名的有限元程序研究和發展機構都紛紛將他們的軟件 移值到Windows平臺上。而由于跨平臺編程語言的出現，使得發展跨平臺的有限元軟件成為可能，這使得用戶不必擔心自己擁有什么樣的操作系統。

     隨著我國基礎工程建設的發展，有限元等數值方法和有限元軟件在實際工程中獲得了大量的應用。目前已開發的有限元軟件可以粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件，軟件使用者則需要根據擬解決問題選擇合適的巖土工程軟件，提高數值模型的效率，實現經濟效益；軟件開發者則需要關注有限元軟件的未來發展趨勢，提高軟件的競爭力。