01

ABAQUS

簡介：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。

02

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。

03

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。

04

PLAXIS

簡介：20世紀后半期，Pieter A. Vermeer領導一個研究組在荷蘭理工大學開展有限元和本構模型等方面的研究。最初的研究目的是為了回答荷蘭公共事業部的問題“如何預測著名的東斯海爾德閘壩(Oosterschelde dam) 可能發生的位移”，來保護荷蘭一個重要的地區，防止被海水淹沒。課題組開發了基于高階單元的平面應變問題彈塑性有限元計算的程序。后來程序被進一步完善，還可以求解軸對稱問題。開始使用PLAXIS這個名字，PLAXIS就是Plasticity Axi-Symmetry（或Plane strain，Axi-symmetric analysis）的縮寫。

1986年是PLAXIS發展的一個新的階段，荷蘭公共事業部與荷蘭代爾夫特理工大學（Technical University of Delft）開始一個新的計劃，把PLAXIS推向巖土工程師。這一步證明是關鍵的一步，PLAXIS被應用到各種項目中。1993年成立的公司PLAXIS bv.來專門負責PLAXIS業務。自2000年以來，PLAXIS的客戶群增長迅速。目前，PLAXIS 除了主要的平面應變和軸對稱問題計算程序，還開發了dynamics 和 PlaxFlow 模塊，Plaxis 3D tunnel 和 Plaxis 3D Foundation專業分析模塊。

特點：具有友好的圖形用戶界面，前后處理簡單易用。計算速度較快，精度高。目前PLAXIS已有中文版，具有簡單易用的c-phi強度折減功能。三維建模能力有限，三維網格只是在二維網格基礎上沿單一方向的延展(準三維)。因此，還不能對彎曲的隧道等進行建模。開放性和二次開發功能不足。

05

FLAC 3D

簡介：FLAC3D（3D Fast Lagrangian Analysis Code）是一款基于連續介質理論和顯式有限差分方法開發，廣泛用于巖土、采礦工程分析和設計的三維高端數值分析程序，特別適合處理有限元方法（FEM）難于解決的巖土體復雜課題，典型如復雜多工況、大變形、非線性材料行為、失穩破壞的發生和發展歷程、接觸面非連續張開和滑移變形等問題。

特點：巖土工程集大成著，開放性好，但是但是這個軟件的前后處理不太友好，對于初學者而言，感覺不好用，科研人員絕對首選。想做博士級別以上的論文，就要學flac，他開放性比較強。但是你可以用midas做前處理，midas是中文的好學，而且和flac有直接的接口。如果就做個項目或碩士論文，midas就可以了。

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：

01 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。

02 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。

03 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。

04 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。

05 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。

06 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。

07 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。

08 從單機單核CPU計算到單機多核CPU，多機CPU并行，CPU-GPU混合并行和云計算

數值模擬分析軟件也應該順應計算機硬件技術的快速發展。目前，個人計算機已經從單機單核像單機多核發展。對于高性能計算，還需要多機并行處理。這使得依賴于計算機硬件的軟件系統必須適應硬件的發展，達到更加有效地進行數值模擬和計算。例如，ABAQUS在生成任務時會選擇使用幾個CPU來進行計算，ANSYS也提供了分布式并行計算功能。ABAQUS可以使用單機多核(CPU)技術。未來還要向多機多核并行計算發展。

近年來，計算圖形處理器（GPU-Graphics Processing Units）技術發展迅速，其應用范圍已經從單一的圖形處理擴展到通用數值計算。由于GPU具有流處理、可編程流水線和高密度并行處理能力，與CPU 相比，GPU具有更強的浮點運算能力，通常擁有一個或更高數量級的浮點運算速度。由于具有高性價比和低功耗等優點，GPU已經成為高性能通用計算的一種選擇。由于GPU在高強度浮點計算方面具有獨特的優勢，采用CPU-GPU混合計算來求解一個問題也可能成為未來有限元計算的一個趨勢。

云計算是一種新興的資源使用和交付模式，通過交付和支付的方式有效利用互聯網分布式計算資源和計算能力，它是一種區別于網格計算、效用計算、自主計算的一種新型計算模式。

09 從單一的有限元數值模擬到包括有限元在內的多種數值方法的數值模擬

傳統的有限元方法（FEM）在求解某些問題時可能能力有限，例如對于裂縫擴展問題，基于傳統的有限元方法的網格重劃分和裂尖加密技術效率較低，而擴展有限元法（XFEM）能夠較好地解決這一問題，XFEM技術利用富集基函數或形函數的方法避免了網格重劃分，使其成為當前研究的熱點領域。

XFEM基于傳統的有限元方法理論框架，擴展了FEM的應用。對于某些問題，如巖石邊坡失穩崩塌的過程模擬，基于連續介質力學的有限元法僅僅能處理前期的邊坡穩定和變形問題，對于崩塌的滑落塊體則需要借助其它方法，如離散元法（DEM），將不同數值方法結合使用也是未來有限元軟件需要發展的一種能力。例如，CDEM就是中科院開發的一個基于連續—非連續介質力學的巖土工程數值分析軟件。

來源：河南省建筑科學研究院地下空間院