有限元第10章 有限元软件技术
《有限元基础及应用》课程大纲
《有限元基础及应用》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标（一）总体目标：有限元法是求解复杂工程问题进行数值模拟非常有效的方法，是现代数字化科技的一种重要基础性原理。
将它应用于科学研究中，可以成为探究物质客观规律的先进手段；将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。
有限元法已经成为机械工程、车辆工程、航空航天工程、土木建筑等专业的必修课或选修课，有限元商用软件也是广大工程技术人员从事产品开发、设计、分析，以及生产服务的重要工具。
通过本课程的学习使同学们掌握有限元分析方法的基础知识和原理；掌握大型有限元分析软件（ANSYS）的使用；有限元方法的实际应用：能够针对具有复杂几何形状的变形体完整获取复杂外力作用下它内部准确力学信息，在准确进行力学分析的基础上，可以对所研究对象进行强度、刚度等方面的判断，以便对研究结构进行静态、动态的强度和刚度分析、参数设计以及结构优化设计。
内容由浅入深，通俗易懂，结合实践应用分析，培养学生理论联系实际和解决实际问题的能力。
（二）课程目标：课程目标1：掌握有限元方法的基本原理，分析过程和步骤，形函数的构造方法，以及针对不同维度、不同结构准确选择合适的单元的技巧；课程目标2：掌握有限元分析方法，具有对不同工程问题建立相应力学模型再选取适合的有限元模型离散，最后得到高精度低成本的数值模拟结果；课程目标3：利用有限元原理和应用软件（ANSYS），能够针对车辆结构中具有复杂几何形状的零部件完整获取复杂外力作用下其内部的准确力学信息（位移、应力和应变），并能根据强度、刚度、稳定性及疲劳等进行分析判断结构的安全性，具有分析和解决工程实际问题的能力；课程目标4：掌握大型商用有限元软件（ANSYS）对车辆结构部件的静力学、动力学和多物理场耦合问题进行数值模拟和分析。
能够了解不同单元的适用范围以及有限元方法数值模拟的局限性。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、2、3、5。
有限元法介绍
通俗地说，有限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。
这项技术带来的好处就是，在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。
有限元法也叫有限单元法（finite element m ethod, FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。
五十年代初，它首先应用于连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。
由于这种方法的有效性，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。
有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。
事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。
理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。
为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。
有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。
大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量，求出结点位移后再计算单元内的应力，这种方法称为位移法。
有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。
有限元分析软件
有限元分析软件简介有限元分析软件（Finite Element Analysis Software）是一种通过有限元方法（Finite Element Method，简称FEM）对工程结构进行数值计算和模拟的工具。
有限元分析软件可以用于分析和解决各种工程问题，包括结构强度、热传导、流体流动、电磁场等。
本文将介绍有限元分析软件的基本原理、主要功能和一些常见的应用领域。
原理有限元分析软件的基本原理是将连续体划分为有限数量的小元素，每个小元素在一个局部坐标系内进行计算。
通过将整个结构划分为多个小元素，并在每个小元素内进行计算，最终可以得到整个结构的物理行为。
有限元软件使用数学模型描述物体的力学特性和材料特性，例如弹性模量、材料的热传导系数等。
在分析过程中，可以通过施加不同的边界条件和加载情况来模拟结构的行为。
主要功能有限元分析软件通常具有以下主要功能：1.几何建模：可以通过创建、编辑和修改几何模型来描述结构的形状和尺寸。
2.网格生成：将几何模型划分为有限数量的小元素，生成网格以进行计算。
3.边界条件和加载设置：可以设置结构的边界条件，如固定支撑、力和热流等加载条件。
4.材料属性设置：可以定义结构的材料属性，如弹性模量、热传导系数等。
5.计算求解：通过求解数学模型的方程组，得到结构的应力、位移、温度等结果。
6.结果后处理：对计算结果进行可视化和分析，如绘制应力云图、位移矢量图等。
应用领域有限元分析软件在各个工程领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：结构分析有限元分析软件可以对各种结构进行静力学和动力学分析。
例如，在建筑工程中可以分析房屋的承重能力、抗风性能等；在机械工程中可以分析零件的强度、刚度等。
热传导分析有限元分析软件可以模拟材料或结构中的热传导过程。
例如，在电子设备中可以分析散热器的性能，以确保设备的正常运行；在汽车行业中可以优化发动机的冷却系统。
流体力学分析有限元分析软件可以模拟流体在管道、泵和阀门等设备中的流动。
UG有限元分析第10章
单击【确定】
5）划分网格
单击工具栏中的【3D四面体网格】图标，弹出如图所示的对话框；
设置相 关参数
划分好网格 示意图 单击确定
6）检查单元质量
单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】对话框，如图所示；
设置相 关参数
单击该命令
7）创建网格点第1点
依次单击菜单【插入】→【模型准备】→【网格点】命令，弹出【网格点构造器】对 话框；
2）结果查看
双击【结果】后进入【仿真后处理 导航器】树状列表窗口进行查看， 展开【Solution 1】节点，5个约束 模态的频率值如图所示，第1阶约束 模态频率为90.70Hz，第2阶约束模 态频率为190.9Hz。
后处理导航器 新增节点
2017/8/12
3）第1阶振型查看
展开【模式1】节点，双击【位移-节点的】下面的【幅值】子项，得到该 部件的整体振型位移云图，如图所示；
（5）按照解算要求确定希望得到的输出响应指标，在操作过程中仔细设定输入结果、输出结 果和输入对象等内容，预先在解算方案的输出请求中进行相应的设置。
10.4 操作步骤
创建有限元模型 创建仿真模型 求解结构模态和振型 创建仿真模型 施加频率相关载荷 求解结构频率响应
（1）创建有限元模型
设置相关参数
单击确定
2017/8/12
5）创建子工况
在【仿真导航器】窗口的分级树中，选中子工况【Solution 2】，右键单击选择【新 建子工况】命令，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase - Modal Frequency 2】的子工况。 同样，按照上述的方法和参数建立名称为【Subcase - Modal Frequency 3】的子工 况
《有限元分析及应用》课件
受垂直载荷的托架
31
体单元
•线性单元 / 二次单元 –更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。
低阶单元
更高阶单元
32
有限元分析的作用
复杂问题的建模简化与特征等效 软件的操作技巧（单元、网格、算法参数控制） 计算结果的评判 二次开发 工程问题的研究 误差控制
36
第二章 有限元分析的力学基础
(3) 研究的基本技巧
采用微小体积元dxdydz的分析方法（针对任意变
形体）
40
2.2 弹性体的基本假设
为突出所处理的问题的实质，并使问题简单化和抽 象化，在弹性力学中，特提出以下几个基本假定。
物质连续性假定: 物质无空隙，可用连续函数来描述 ；
物质均匀性假定: 物体内各个位置的物质具有相同特 性；
0.02 0.04 0.06 0.08
0.1
0.12
X
0.056
0.058
X
0.06
28
Y
Y
0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
0
-0.001
-0.002
-0.003 0.054
-0.1 0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.1
0.12
X
0.056
0.058
X
0.06
29
30
y
dy zy
1 2
zy
z
dz
0
略去微量项，得 yz zy
MY 0 zx xz
MZ 0
xy yx
剪切力互等定律
53
二维问题: 平衡微分方程
x yx X 0
x y xy y Y 0 x y
剪切力互等定律
有限元方法及软件应用
有限元方法及软件应用有限元方法是一种在工程领域广泛应用的数值计算方法，用于求解结构力学、固体力学、流体力学等问题。
它将复杂连续介质问题离散为离散的有限个简单子问题，通过对这些子问题的求解，得到整体问题的近似解。
有限元方法的核心思想是将求解区域划分为有限个小的区域，称为有限元。
每个有限元都是由节点和单元组成的，节点是有限元的顶点，单元是有限元的边或面。
在有限元分析中，首先需要选择合适的有限元模型，然后建立有限元模型的数学模型，进而对其进行计算求解。
1.离散化：将求解区域划分为有限个小的有限元。
2.建立数学模型：利用数学方程建立有限元模型的数学模型。
3.求解：使用数值方法求解有限元模型的数学模型，得到近似解。
4.后处理：对求解结果进行分析和处理，评估模型的准确性。
在结构工程中，有限元方法可以用于分析和设计各种结构的强度、刚度和稳定性。
例如，在建筑设计中，可以通过有限元方法来评估建筑物的受力情况，提高结构的安全性和可靠性。
在机械工程中，有限元方法可以用于分析机械零件的变形和应力分布，优化结构设计，提高机械设备的可靠性和性能。
同时，有限元方法还可以应用于流体力学领域，如分析流体的流动和传热问题，优化流体系统的设计，提高流体设备的效率。
有限元方法的应用还离不开与之相配套的计算软件。
目前市场上存在着多种用于有限元分析的软件，如ANSYS、ABAQUS、Nastran、LS-DYNA等。
这些软件不仅提供了建立、求解和后处理有限元模型的功能，还提供了多种不同的分析类型和求解算法，以满足不同工程问题的需求。
利用这些软件，工程师可以方便地进行参数化设计、灵敏度分析、可靠性分析等工作，加快产品开发和优化的速度。
然而，有限元方法并非完全没有缺点。
首先，有限元方法需要对求解区域进行离散化，划分合适的有限元，这涉及到网格生成和边界条件的处理，对于复杂几何形状的问题可能会比较困难。
其次，由于有限元方法是一种近似解法，所以求解结果可能存在误差，需要通过适当的网格剖分和模型验证来提高结果的准确性。
abaqus接触-碰撞
2
接触界面方程
不可侵彻性条件 运动学
由于以位移的形式表示交集为零的公式是不可能的，所 由于以位移的形式表示交集为零的公式是不可能的， 以，在接触过程的每一阶段中以率形式或者增量形式表示不 可侵彻性方程是很方便的。其率形式应用到物体A 可侵彻性方程是很方便的。其率形式应用到物体A和B上发生 接触的部分， 接触的部分，即是位于接触表面上的那些点
ΓC = ΓA ∩ ΓB
模拟接触模拟接触-碰撞问题的标记
2
接触界面方程
) ) e 1A ≡ e xA
) )A e 2A ≡ e y
) )A n A = e1A × e 2
在主控接触表面的每一点建立局部坐标系统， 在主控接触表面的每一点建立局部坐标系统，可以构造相切 于主控物体表面的单位矢量： 于主控物体表面的单位矢量： 物体A 物体A的法线给出为 在接触界面上有 在接触界面上有 即两个物体的法线方向相 反 。 以局部分量的形式表 示速度场
1
引言
接触-碰撞问题是属于最困难的非线性问题之一， 接触-碰撞问题是属于最困难的非线性问题之一，因为在 接触-碰撞问题中的响应是不平滑的。 接触-碰撞问题中的响应是不平滑的。 当发生瞬时接触时， 当发生瞬时接触时，垂直于接触界面的速度是瞬时不连 续的。对于Coulomb摩擦模型，当出现粘性滑移行为时， Coulomb摩擦模型 续的。对于Coulomb摩擦模型，当出现粘性滑移行为时，沿着 界面的切向速度是不连续的。 界面的切向速度是不连续的。 接触接触-碰撞问题的这些特性给离散方程的时间积分带来了 明显的困难，削弱了Newton算法的功能。 Newton算法的功能 明显的困难，削弱了Newton算法的功能。 因此，选择适当的方法和算法是至关重要的， 因此，选择适当的方法和算法是至关重要的，并且在获 得强健的求解程序中，规则化的技术是非常有用的。 得强健的求解程序中，规则化的技术是非常有用的。
有限元法概述
（2）MSC/NASTRAN。 MSC/NASTRAN是在原NAST RAN基础上进行大量改进后的系统软件，主要包括MS C.Patran并行框架式有限元前后处理及分析系统、 MS C.GS-Mesher快速有限元网格、 MSC.MARC非线性有 限元软件等。其中MSC.MARC具有较强的结构分析能
.
5.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6. 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7. 进行机械事故分析，查找事故原因。
轴承强度分析
.
汽车碰撞实验
.
刹车制动时地盘的应力分析
.
钢板精轧机热轧制分析
.
三维椭圆封头开孔补强
.
水轮机叶轮的受力分析模拟
.
人体股骨端受力分析
.
半导体芯片温度场的数值仿真
知量时称为混合法。 位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法
中位移法应用范围最广。
.
2、有限元法的发展
有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courantl在1 943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的 分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St·Venant 扭转问题。相继一些应用数学家、物理学家和工程师由于 各种原因都涉足过有限单元的概念。
.
4、有限元的特点
(1) 概念清楚,容易理解。可以在不同的专业背景和水平 上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲,每个人的 理论基础不同,理解的深度也可以不同,既可以通过直观的 物理意义来学习,也可以从严格的力学概念和数学概念推 导。
ABAQUS有限元软件入门指南
ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南——ABAQUS/CAE版Hibbitt，Karlsson & Sorensen，INC.朱以文，蔡元奇等译译者语参加本书翻译工作的是武汉大学土木建筑工程学院的朱以文教授，蔡元奇副教授以及博士生李伟、吴春秋、姚金阶、硕士生黄克戬。
具体分工如下：第一章、第二章和第三章由朱以文翻译；第四章和第五章由李伟翻译；第六章和第七章由姚金阶翻译；第八章和第九章由吴春秋翻译；第十章和第十一章由蔡元奇翻译。
黄克戬参加了部分文字的编辑工作。
朱以文负责全书的的翻译工作，并修改和审阅了全部译文。
翻译过程中得到ABAQUS公司李华强博士的鼓励和支持，在此表示感谢。
在翻译过程中，参考了清华大学庄茁教授等在1998年出版的《ABAQUS/Standard 有限元软件入门指南》(非ABAQUS/CAE版)一书。
限于译校者水平，难免有错误和不妥之处，欢迎读者批评指正。
译者 朱以文等 二零零三年二月十二日于武汉·珞珈山目录第一章 导引1.1ABAQUS各模块简介1.2ABAQUS/Standard入门：交互式环境1.2.1 怎样使用本指南1.2.2 本指南的使用约定1.2.3 鼠标的基本操作1.3ABAQUS文档1.4支持1.4.1 技术支持1.4.2 系统支持1.4.3 对科学研究单位的支持1.5 有限元法导简单回顾第二章 ABAQUS基础2.1 ABAQUS分析模型的组成2.2 ABAQUS/CAE简介2.2.1 ABAQUS/CAE的启动2.2.2 主窗口的组成部分2.2.3 什么是功能模块2.3 例子2.3.1 量纲2.3.2 生成部件2.3.3 材料参数2.3.4 定义和赋于截面（Section）特性2.3.5 定义装配件（Assembly）2.3.6 分析进程的配置2.3.7 施加边界条件和荷载2.3.8 网格剖分2.3.9 生成作业和关键词编辑器（Keyword editor）的使用2.4 模型的检查2.4.1 阅读输出文件2.5 分析计算2.6 结果2.7 用ABAQUS/CAE进行后处理第三章 有限元和刚性体3.1 有限元3.1.1 单元的表征3.1.2 实体单元3.1.3 壳单元3.1.4 梁单元3.1.5 桁架单元3.2 刚性体3.2.1 何时使用刚性体3.2.2 刚性体部件3.2.3 刚性单元3.3 小结第四章 实体单元的应用4.1 单元列式和积分4.1.1 完全积分4.1.2 简缩积分4.1.3 非协调单元4.4.1 杂交单元4.2 选择实体单元4.3 例题：连接环4.3.1 前处理——应用ABAQUS/CAE建模 4.3.2 结果输出4.3.3 后处理——结果可视化4.4 网格收敛性分析4.5 相关的ABAQUS例题4.6 建议阅读的文献4.7 小结第五章 壳单元的应用5.1 单元几何尺寸5.1.1 壳体厚度和截面计算点5.1.2 壳面和壳面法线5.1.3 壳的初始曲率5.1.4 参考面的偏移5.2 壳体计算假定——厚壳或薄壳5.3 壳的材料方向5.3.1 默认的局部材料方向5.3.2 建立可变的材料方向坐标5.4 壳单元的选择5.5 例题：斜板5.5.1 前处理——用ABAQUS/CAE建立模型 5.5.2 结果输出5.5.3 后处理5.6 相关的ABAQUS例题5.7 建议阅读的文献5.8 小结第六章 梁单元的应用6.1 梁横截面的几何形状6.1.1 截面计算点6.1.2 横截面定向6.1.3 梁单元曲率6.1.4 梁横截面的节点偏移6.2 列式和积分6.2.1 剪切变形6.2.2 扭转响应——翘曲6.3 梁单元的选择6.4 例题：货物起重机6.4.1 前处理——用ABAQUS/CAE生成模型 6.4.2 后处理6.5 有关的ABAQUS例子6.6 参考数目6.7 小结第七章 非线性7.1 非线性的来源7.1.1 材料非线性7.1.2 边界非线性7.1.3 几何非线性7.2 分析性问题的求解7.2.1 分析步，增量步和迭代7.2.2 平衡迭代和收敛性7.2.3 自动增量控制7.3用ABAQUS进行非线性分析7.3.1 几何非线性7.3.2 材料非线性7.3.3 边界非线性7.4例题：非线性斜板7.4.1 修改模型7.4.2 结果输出7.4.3 后处理7.5相关的ABAQUS例子7.6推荐读物7.7小结第八章 材料8.1 ABAQUS中的材料定义8.2 延性金属的塑性8.2.1 延性金属的塑性性能8.2.2 有限变形中的应力应变度量8.2.3 在ABAQUS中定义塑性8.3 为弹塑性问题选择单元8.4 例题：连接环的塑性变形8.4.1 对模型的修改8.4.2 状态和信息文件8.4.3 对结果进行后处理8.4.4 在材料模型中加入硬化特性8.4.5 带有塑性硬化的分析8.4.6 对结果进行后处理8.5 超弹性8.5.1 引论8.5.2 应变势能8.5.3 用试验数据定义超弹性8.6 例题：轴对称橡胶垫8.6.1 对称性8.6.2 前处理——利用ABAQUS/CAE建立模型 8.6.3 结果输出8.6.4 后处理8.7 大变形的网格设计8.8减少体积锁闭的技术8.9相关的ABAQUS例题8.10建议读物8.11小结第九章 动力问题9.1 引言9.1.1 固有频率和模态9.1.2 振型叠加9.2 阻尼9.2.1 ABAQUS中阻尼的定义9.2.2 阻尼值的选择9.3 单元选择9.4 动力问题的网格剖分9.5 例子：货物起重机——动态载荷9.5.1 修改模型9.5.2 结果输出9.5.3 后处理9.6 模态阶数的影响9.7 阻尼的影响9.8 其它的动力程序9.8.1 线性模态动力分析9.8.2 非线性动态分析9.9 相关的ABAQUS例子9.10 建议阅读的文献9.11 小结第十章 多分析步分析10.1 常规（非线性）分析程式10.1.1 常规分析分析步中的时间10.1.2 指定常规分析步的载荷10.2 线性扰动分析10.2.1 在线性扰动分析步中的时间10.2.2 在线性扰动分析步中指定载荷 10.3 例题：管道系统的振动10.3.1 前处理——用ABAQUS/CAE创建模型10.3.2 对作业的监控10.3.3 后处理10.4 重启动分析10.4.1 重启动文件10.4.2 重启动一个分析过程10.5 例题：重启动钢管的振动分析10.5.1 创建重启动分析模型10.5.2 作业的监控10.5.3 对重启动分析的结果做后处理 10.6 相关的ABAQUS例题10.7 小结第十一章 接触11.1 接触面间的相互作用11.1.1 接触面法向性质11.1.2 表面的滑动11.1.3 摩擦11.2 在ABAQUS中定义接触11.2.1 定义接触面11.2.2 接触相互作用11.2.3 从面和主面11.2.4 小滑动与有限滑动11.2.5 单元选择11.3 接触算法11.4 例题：法兰盘连接11.4.1 前处理—用ABAQUS/CAE创建模型11.4.2 分析结果11.4.3 后处理11.5 刚性接触面建模中的问题。
有限元软件
有限元软件有限元软件是一类用于解决工程问题的计算机辅助工具，通常被应用于结构分析、热传导、流体力学等领域。
有限元软件采用了有限元分析方法，将复杂的结构或系统分割成有限数量的简单单元，通过对这些单元进行数值计算，得到整体系统的行为和性能。
有限元分析方法有限元分析方法是将一个复杂的问题分解为无数个小的单元，每个单元都是一个简单的几何形状，如三角形、四边形、立方体等。
这些单元通过节点连接起来，形成一个整体结构。
通过对每个单元进行力学计算，最终得到整个结构的力学特性。
有限元软件的应用有限元软件广泛应用于工程领域的各个方面，例如：•结构分析：用于模拟建筑、桥梁、飞机等结构的力学性能。
•热传导分析：用于预测物体在不同温度条件下的热传导效果。
•流体力学分析：用于模拟流体在管道、飞机机翼等结构中的流动情况。
•振动分析：用于研究结构在振动作用下的响应和稳定性。
有限元软件通过数学模型和计算方法，可以在计算机上快速、准确地模拟各种不同条件下的工程问题，为工程设计、分析和优化提供了重要的支持。
主要有限元软件目前市面上有很多种不同的有限元软件，常用的有限元软件有：•ANSYS：是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域的各个方面。
•ABAQUS：是一款专业的有限元分析软件，适用于复杂结构和多物理场耦合分析。
•Nastran：是一款传统的有限元分析软件，被广泛用于航空航天领域。
以上软件都具有易用性好、计算准确、功能强大等特点，是工程师们解决复杂问题的得力工具。
结语有限元软件是现代工程领域不可或缺的工具，通过数值分析方法，可以快速准确地模拟工程问题的复杂情况，为工程设计和优化提供技术支持。
希望随着科技的不断发展，有限元软件能够更加智能化、高效化，为工程师们的工作带来更大的便利和进步。
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第10章有限元软件技术10.1 引言有限元方法经过近半个世纪的发展，目前已成为各种工程问题特别是结构分析问题的标准分析方法，而有限元软件已成为现代结构设计不可缺少的工具。
有限元软件是由有限元理论通向实际工程应用的桥梁。
通用有限元软件的物质基础是数字计算机，而有限元软件的理论与知识基础是：有限元法、连续统力学、本构理论、线性与非线性代数与常微分方程的算法、瞬时积分以及软件设计技术。
因此，通用有限元软件是有限元力学理论、计算数学、计算机技术综合的知识与高度密集性产品。
从有限元理论到有限元软件是一次重要的技术升华。
既要有坚实高深的理论基础，又要具备广博的计算机知识，更应以坚韧的毅力付出艰辛的劳动，投入必要的资金。
因此，衡量一个国家计算结构力学水平的高低，除了看其理论水平外，更应着重于其结构分析软件的水平。
10.2 有限元软件的发展有限元软件的发展是随着计算机硬件与软件技术的进步而不断发展。
有限元软件的发展大约可以分成以下几个阶段：(])有限元分析软件，(2)有限元分析与设计软件；(3)有限元分析、设计与CAD软件；(4)有限元分析、设计与CAD＋专家系统；(5)智能性有限元结构分析系统；(6)集成化有限元软件开发环境。
下面分别叙述各个阶段有限元软件的主要特点。
．10.2.1 有限元分析软件’早期的有限元软件实质上只是有限元分析软件，因为从软件的组成上说，其程序主要由单元分析、组装和求解组成，缺乏前后处理功能，如图10.1所示；从软件的功能上说，它解决的问题的范围窄、复杂性小、且规模也小，功能简单，诸如线性热传导以及线性结构分析等，从软件技术上来说，它有以下几个鲜明的特点：图10.1 有限元分析软件(1)软件只能在大型机上运行；(2)软件以批处理方式运行，缺乏交互功能；(3)问题信息的输入通过卡片或其他顺序访问设备，如纸带等成批输入，且输出仅限于简单的数据表格形式，可选择功能极弱；(4)整个软件是一个大程序，解题规模受机器内存限制。
这些特点，使得这种有限元软件对用户要求很高，用户不但要熟悉有限元方法及其应用本身，而且还要对软件的信息格式、输入设备等有深入的了解；因此，这种软件的用户本身就是软件的开发者。
而且因为缺乏前处理和交互功能，数据输入后不能得到及时的检查，只有在分析过程无法进行或整个分析过程完成之后，经过人工的分析才可能发现问题，一旦发现问题，又必须重新进行下一轮分析。
10.2.2 有限元分析与设计软件20世纪70年代中期以来，随着计算机运算速度的提高，内外存容量的扩大和图形设备的发展，以及软件技术的进步，有限元软件在原来的分析软件的基础上扩充了与应用领域相关的前后处理功能，并引入了文件管理技术，发展成为有限元分析与设计软件，如图10.2所示。
这里的“设计”是指有限元软件应用于结构工程设计时，所增加的荷载组合，应力校核，按照规范的配筋设计，以及绘设计图等功能。
图10.2 有限元分析与设计软件初期的前后处理软件的能力是比较弱的，特别是后处理能力更弱，但是由于引入了以图形为基础的具有交互性能的前后处理功能，使得用户更加容易学习和掌握有限元软件，减少了人工生成和输入有限元模型的工作量和计算量，提高了分析、整理结果的速度，减少了使用出错的机会。
例如，在进行有限元分析之前，可以用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件，分析完成以后能立即通过图形来进行某些物理量的交互验证等。
一般而言，完善的前处理系统的核心是用户接口解释子系统，它包括用户命令语言、面向问题语言、带标识符的数据表、菜单及对话框解释程序，数据和命令诊断子系统，即诊断用户数据、命令正确性和运行状态的程序；计算模型生成与模型的局部处理；图形输入与显示等。
后处理系统包括结果的合理性检验、模型修改、结构优化、辅助设计、图形显示与结果的编辑输出等。
10.2.3 有限元分析、设计与CAD软件随着计算机图形软硬件技术的进一步发展，有限元分析越来越成为CAD软件不可缺少的一部分，有限元软件也逐渐发展成为有限元分析、设计与CAD软件，其软件结构如图10.3所示。
图10.3 有限元分析、设计与CAD软件从软件技术上说，这种软件主要引入了数据库，从CAD数据库中直接取出数据进行有限元模型化，以及将有限元分析验证结果传递给CAD系统等技术，它的前后处理功能，特别是后处理功能得到进一步增强，用户使用更加方便，分析问题的效率进一步提高。
用户可以在这样的系统支持下进行多种设计方案的分析比较，生成最优设计方案，并进行详细设计，直到输出设计图。
10.2.4 有限元分析、设计与CAD+专家系统有限元软件的发展，使得有限元软件的功能和应用领域进一步扩大，人们希望有限元软件能够具备有限元结构分析专家和有限元软件专家才能具有的解决实际问题的能力。
AI技术特别是专家系统技术的发展，使得这种要求得到了实现。
有限元软件与专家系统的结合使得有限元软件发展成为有限元分析、设计与CAD+专家系统，其软件结构如图10.4所示。
图10.4 有限元分析、设计与CAD+专家系统专家系统的引入，使得结构工程问题模型化、有限元软件的有效使用等靠专家经验解决的问题能通过软件引导用户自动实现，使得用户更方便、更容易、更正确地使用限元软件解决科研和工程问题。
10.2.5智能性有限元结构分析软件，我们知道，应用有限元软件解决结构分析问题，至少要经过三个步骤：(1)模型化过程，建立待分析问题的力学和有限元模型，(2)有限元分析过程，完成单元分析、有限元方程的形成和求解，以及单元后分析等；(3)解释评价过程，对分析结果进行解释评价。
最后回到CAD系统中，这三个过程是密不可分、缺一不可的。
由于软件技术的限制，早期的有限元软件重点考虑了有限元分析过程，而其他过程则通过手工方式借助于一些辅助工具，如前后处理和专家系统来完成。
现有的软件技术的发展，使得人们借助于人工智能技术去探求一体化的新型有限元结构分析软件，使有限元软件发展成为智能性结构分析软件。
它的软件结构如图10.5所示。
图10.5 智能性有限元结构分析系统因为引入了人工智能方法，使得这类有限元软件可以更高速地完成建模和对结果的解释评价工作，并且可以从结果的好坏入手，进行模型的改进和演化工作，所有这些都是通过软件自动完成，从而对用户的要求更低，解决问题的效率更高，也更能与CAD系统连接形成为一个整体。
10.2.6 集成化有限元软件开发环境有限元软件虽然具有很强的通用性，但是新材料、新方法层出不穷，应用领域不断扩大，与其应用领域中的其它功能软件的结合日趋紧密，从而对有限元软件的要求越来越高。
特别是要求有限元软件具有较强的可裁剪性和再用性，可以很方便地与其他系统相连接，也可以容易地加入新的功能，这就要求有限元软件发展成为集成化的，可支持有限元方法应用和重新开发新的有限元软件的开发环境，如图10.6所示。
这样形成的有限元软件至少应包括如下几个成分：·数据库系统、承担整个系统的数据与信息交换和数据管理，它是整个集成环境的核心之一。
·知识库系统将特定问题有限元建模和分析的专家经验，以往问题分析和建模的经验，以及如何使用系统的经验知识，按一定的规则和结构集中在一起形成知识库集成于系统中，并提供特定的工具为系统开发者和使用者使用。
·功能软件库不仅提供传统有限元软件具有的如结构静力分析，动力分析等能直接用于工程问题分析的功能软件，而且还包括大量可再用、可扩充的功能软部件。
这些软部件通过特定的接口为有跟元软件开发者使用，形成所需要的新的有限元软件。
·工具软件库提供常规工具如；数据库管理工具，用户接口工具，软件自动生成工图10.6集成化有限元软件开发环境具，专家系统工具以及可视化与系统集成工具。
用户使用这些工具结合数据库系统，知识库系统以及功能软件库，可以动态形成自己需要的完善的有限元软件系统。
·用户接口系统它是系统与用户交互的场所，用户通过它实现相应的功能。
在这种集成化有限元软件开发环境中，用户不但可以方便快速地完成特定问题的结构分析，而且可以裁剪出需要的成分，与某一领域特定的功能软件相结合形成具有新功能的其它软件系统，真正发挥了有限元结构分析软件在其它结构工程中的应用，特别是结构设计中的工具作用。
10.3 有限元软件技术在上一节，我们谈到了有限元软件发展各阶段的特点，综合这些特点，从软件技术来说，一个比较完整、高效和使用方便的有限元软件，至少应包括以下几个方面：(1)数据管理技术；(2)用户界面与系统集成技术；(3)软件自动化技术；(4)智能化技术；(5)可视化技术。
从指导有限元软件开发的软件工程方法来说，面向对象的软件技术与有限元方法的结合产生了一门新的软件技术：(6)面向对象的有限元软件技术。
10.3.1 数据管理技术数据管理技术是有限元软件，以及基于有限元软件的CAD／CAM乃至CIMS系统的基础之一，有限元软件的进步与其数据管理技术的进步密切相关。
有限元软件的发展过程正是有限元软件中数据管理技术的发展过程，对传统的有限元软件来说，数据管理技术是一种在有限元分析各算法模块之间传递或交换数据的技术，但是从有限元软件的应用角度来看，数据管理不仅作为一种数据传递或交换的工具，还应作为一种辅助分析和设计的手段，比如有关数据的显示操作和管理，在CAD／CAM中尤为重要。
因此有限元软件中的数据管理技术应该是考虑上述两种目的的数据管理技术。
10.3.2 用户界面与系统集成技术用户界面是专门处理人—机交互活动的软件成分，例如，有限元软件的前处理系统一般就是一个用户界面系统。
用户界面已经成为软件开发中一个独立的、内容丰富的领域。
一方面，同一般的应用软件一样，有限元软件的用户界面不单是提供一种使用方便和能交互式地输入和输出有关信息，而且要提供一个高效的系统集成能力。
系统集成技术与用户界面技术密切相关，就现在软件技术的发展来说，以“事件”驱动为基础的交互式动态集成软件技术已经成为用户界面技术和系统集成技术的基础；另一方面，由于有限元软件主要是解决大型的科学与工程问题的计算工作，它具有数据类型复杂和输入量大的特点，因此有限元软件的用户界面技术应该能提供一种高效的数据压缩技术，即用户只需输入少量的信息就能描述清楚有限元分析所需的全部数据。
10.3.3 智能化技术从应用的角度来说，有限元软件作为工程结构分析的主要工具，已经成为结构设计的一个重要组成部分，它要求有限元方法及其软件本身具有较高的可靠性。
由于有限元分析软件和结构分析问题本身的复杂性，使得整个结构分析的可靠性不但要靠软件本身的可靠性，而且要靠用户使用的可靠性。
这就促使了专家系统技术在结构分析领域中的应用，主要表现在如下两个方面：(1)前端智能化。