來源：CAE機械師

今天，想跟大家分享一下我用過的一些有限元軟件，聊聊它們的歷史起源、功能特點以及我學習的經歷和使用心得。

有限元分析的流程總體可以分成三大步：前處理(幾何清理、網格劃分及材料屬性施加);求解(構建連接關系及邊界條件定義);后處理(查看結果云圖及數據曲線)。實際上，目前主流前處理軟件前兩步是都可以實現的。設定好仿真環境之后，只需要導入到求解器進行計算就可以了，不能說很方便，但也不是很難。

Hypermesh

先來說一說Hypermesh。

Hypermesh 是Altair 公司聞名世界的軟件，我看過的幾乎所有軟件介紹里面都稱：它是世界上最優秀的前處理軟件。其功能強大不言而喻，進入國內市場這么些年，發展到今天，可以說在前處理方面它是老大了，其最大的特點就是幾何清理功能非常強，但這個事因人而異，可能你用其他前處理軟件會比它順手。

對于Hypermesh，建議大家一定要系統地、由淺入深地進行學習，循序漸進，可以跟著書學，也可以跟著視頻學，一個算例一個算例地跟著做，

Hypermesh 中有兩大模塊的功能非常值得大家深入研究，自由網格變形技術 (Hypermorph) 和批量網格處理 (BatchMesh)。

自由網格變形技術可以智能調節網格的形狀，進行拉伸，縮小，旋轉等等，一次可進行多個變形操作，可實現改變結構姿態而不改變單元形狀。

批量網格處理功能，對于時間緊、任務重的項目，不需要打開操作界面，只需要把模型導入進去，設置好參數，系統會自動進行網格劃分，殼單元、體單元都可以。大大節省了使用操作界面前處理的時間，節約了計算機資源，而且批處理可以用于二次開發，運用編程語言控制程序運行腳本。

我平時主要用的有限元求解軟件有三款：Ansys、Abaqus 和Nastran。

Ansys 和Abaqus 這兩款軟件，在仿真界里面，就好比威震江湖的倚天劍和屠龍刀一樣，不管你是結構還是流體;是靜力還是動力;是線性還是非線性;是穩態還是瞬態，這兩款軟件統統都能拿捏，完全覆蓋了目前所有的有限元分析類型，可以說這兩款來自歐美不同國家的軟件占據了中國仿真行業的半壁江山，全國多數院校及科研院所都是這兩款軟件的客戶。

Ansys

Ansys 軟件是美國Ansys 公司研發的大型通用有限元分析軟件，是目前世界范圍內增長最快的CAE軟件，其實從它在全球市場的發展態勢，尤其是收購了Fluent 等軟件，推出Workbench 的協同仿真環境平臺之后，就可以看出這款軟件的野心是想稱霸武林。

對于Ansys 軟件我用過比較多的是經典版，可能是我剛開始接觸這款軟件就用的經典版，所以感覺比較順手，雖然界面比較老，但是現在有點看習慣了，Workbench 給我的感覺反而有點不適應了。當然，對于我來說Ansys 這款軟件經典版和Workbench 都要學習，反正也是學，那不如都學了，我有強迫癥，一個都不能少。我覺得經典版最大的好處就是命令流，如果真正學會了命令流，那真是牽著軟件走，讓它往東，它就不敢往西。但是學起來比較難一些，如果只學GUI 也行，軟件怎么樣都是操作。

Abaqus

Abaqus 軟件是法國飛機制造商達索公司研發的通用有限元軟件，功能同樣非常強大，尤其是在非線性分析方面那更是獨樹一幟。據說，越龐大復雜的高度非線性問題，Abaqus 越厲害，看來這軟件是專吃硬骨頭的。

baqus 這款軟件，我覺得學起來比Ansys 方便，它把每一個步驟給分好了功能模塊，你按照步驟操作就可以，如果出現了問題，你可以到相應的功能模塊下去檢查修正。總之，我覺得操作界面做的比Ansys 人性化很多，以前在學校的時候我只用Ansys，后來自學了Abaqus 的一些功能，到畢業參加工作開始系統的學習，它讓我有一種感覺，越用越喜歡，這種感覺挺奇妙。

這兩款軟件的計算精度也都相差不多，頂多差個0.00x。這個我是有驗證過的，我的工作就是對比各種商用軟件的計算結果。

Ansys 和Abaqus 兩款軟件都可以獨立完成整個有限元分析的流程，也就是說它們都具備前處理、求解及后處理的功能。但是，它們的前處理功能相比于專業的前處理軟件還是遜色了很多，畢竟人家是專門做前處理的，術業有專攻。對于初學者往往有一種錯覺就是，要學習這款軟件我需要從頭學到尾，一個功能都不落下，抱著書從頭啃到尾，我覺得倒也不至于如此。

比如Ansys 軟件的前處理功能，我覺得可以不學，而Abaqus 的前處理功能可以了解一下，必要時知道如何操作就行。畢竟前處理是有限元分析過程中，最耗費時間與精力的一步，多少CAE工程師的頭發都埋葬在了這里，所以為了保護你的頭發，請選擇一款適合自己的專門前處理軟件。

使用前處理軟件幾何清理，劃分網格，然后導入到求解器進行計算，要充分地利用好人家前處理軟件把軟件接口做得那么好的優勢，各種軟件聯合起來仿真，發揮每款軟件的巨大優勢。

MSC Patran VS Nastran

MSC Patran和Nastran這兩款軟件是全球著名多學科仿真廠商——MSC公司的主打產品，其公司旗下還有如Adams、Marc、Dytran 等在中國仿真市場比較流行的一些商用軟件。

Patran 同Hypermesh 一樣是業界使用較為廣泛的有限元前后處理軟件，可為多個解算器提供建模、分析及后處理方案。而Nastran就更厲害了，其原是美國航空航天局 (NASA) 主持開發的，作為世界CAE標準的大型通用結構有限元分析軟件，后經過改良成為了MSC公司的重要產品并推廣至全世界，它的江湖地位可不是Ansys和Abaqus能比得了的。

我在學校的時候總以為Nastran 比Ansys和 Abaqus 差一些，但是用過之后才發現Nastran 和另外兩款軟件平分秋色，在功能的全面性與計算精度的準確性上Nastran 絲毫不遜色。可能因為近十幾年，另外兩款軟件的風頭太大，所以顯得Nastran 有點小眾，但就在航天航空領域，Nastran 永遠是不可或缺的。這點也是我來到公司后才發現的，公司是做航空航天領域的，一個算例要用三款軟件的計算結果進行對比，Nastran 是永遠不會缺席的。

Patran 和Nastran 兩個軟件就像干將莫邪一樣，已經融為了一體，在Patran 中畫好網格直接就可以提交Nastran 進行計算，非常方便快捷。如果用其他軟件前處理，僅用Nastran 作為求解器進行求解計算也可以，但是有時間Patran 這款軟件可以學一學，說不定用起來會比其他軟件順手。

Altair Optistruct

Altair Optistruct是我做碩士論文期間使用的一款軟件，在之前我沒有聽說過，但是使用之后感覺很方便，而且很實用。

有限元分析可以分為很多種，比如：靜力分析和動力分析，線性分析和非線性分析，穩態分析和瞬態分析等等。其中有一種有限元分析技術不管是在低端制造業還是在高端科技領域都占據著非常大的份量，那就是結構優化技術，而Optistruct 就是為結構優化技術而生的。

說到Optistrut軟件有的人可能比較陌生，相比于其他赫赫有名的商用軟件，Optistruct 用的人少一些，但是這并不能說明這款軟件的求解能力不如其他軟件，它的結構分析能力絕對是一流的，但這并不是它最擅長的領域，讓它聞名世界的是其無可比擬的結構優化能力，其在結構優化領域的統治力，好比當年的奧尼爾。

Optistruct 有限元求解器是Hyperworks 系列中一款非常卓越的軟件，是業界公認的算法穩健、優化類型全面的商業優化設計軟件。它也是Altair 軟件公司的旗艦產品，其與Hypermesh 之間無縫銜接，兩個軟件的協同分析能力堪稱一絕，絕對不亞于之前提到的Patran 和Nastran。

Optistruct 的優化設計能力在現有的各種商業軟件中占據第一，其基于有限單元和多體動力的方法，能夠輕松處理百萬級別自由度的結構，且能在很短時間內解決具有成千上萬設計變量的優化問題。不僅如此，Optistruct 充分汲取了其他軟件在可制造加工性上的缺陷，設置了便于結構制造加工的模式重復模塊，把優化結果最大限度的應用于實際。

Optistruct 支持優化分析類型有拓撲優化，尺寸和自由尺寸優化，形狀和自由形狀優化。這里我就主要講講拓撲優化，其他優化類型要是有時間再單獨拿出來說。拓撲優化是目前比較新穎的一種結構優化技術，實質是在給定的優化空間內，根據確定的邊界條件，找到滿足各種性能指標的最佳傳力路徑，從而獲得質量最輕，用材最少的結構。其屬于概念設計階段的技術，利用拓撲優化設計，工程師可以較為明確地找到性能更佳的初步設計方案。目前，連續體拓撲優化技術已經發展得非常成熟，其使用的變密度法已經被廣泛應用到商用優化軟件中。Otistruct 軟件使用的就是變密度法的拓撲優化技術，其主要思想就是引入一種假想密度概念，把優化區域離散成有限單元，設想優化區域是一種密度在0-1之間的材料，以優化區域的單元密度作為設計變量，在0-1之間連續取值，當密度趨于0時，表示該單元處材料可以去除;密度趨于1時，表明該單元處材料比較重要，應該保留。

利用結構優化技術實現輕量化設計已經成為航天航空、汽車及軌道交通、航海船舶等研究領域不可或缺的技術，而Optistruct 絕對是進行結構優化設計時必不可少的利器。我的畢業論文就是用Optistruct 軟件做的拓撲優化設計，雖然沒有得到足以實用的拓撲結構，但是讓我感受到了Optistruct 軟件的強大及便捷。

結語

有限元這個行業跟其他的行業不一樣，需要不斷地學習新東西，學習理論知識，學習軟件操作，學到了還需要多用，不用長時間就忘了。相對于軟件而言，想要真正學好，任何學習方式都離不開多操作，如果我讀研期間明白這個道理，那真的會少走很多彎路，在此也特別提出，以供大家參考。