岩土工程有限元软件及其发展趋势

Word文档岩土工程有限元软件及其发展趋势随着我国基础工程建设的进展，有限元等数值方法和有限元软件在实际工程中获得了大量的应用。目前已开发的有限元软件可以粗略地分为两大类，即通用有限元软件和岩土工程专用软件，软件使用者则需要依据拟解决问题选择合适的岩土工程软件，提高数值模型的效率，实现经济效益；软件开发者则需要关注有限元软件的将来进展趋势，提高软件的竞争力。

随着数值方法和计算机技术的快速进展，有限单元（finiteelement）理论和方法已经成为数值仿真技术的基本方法之一，有限单元法的快速进展又极大地促进了数值仿真技术的进步，使其广泛应用于航天飞行器、汽车、土木建筑、水利等行业，详细涉及固体、流体、热物理、电磁场、多物理场耦合等领域。近年来，在数学家、力学家和工程师的共同努力下，有限元方法进入了新的进展阶段，从基本的有限单元法进展出广义有限元法、随机有限元法、扩展有限元法、多尺度有限元法以及随机多尺度有限元法，这些进展充分地显示了有限元方法强大的适应力量和扩展力量。

1、有限元软件介绍

与有限差分法、有限体积法、边界单元法、离散单元法以及无网格法等数值仿真技术相比，有限元法在岩土工程中应用最为广泛。可用于岩土工程分析的有限元软件可粗略地分为两大类，即通用有限元软件和岩土工程专用软件。

2、有限元软件的选择

如何选择一个有限元软件？看似简洁，但要求对所涉及领域，需要解决问题的性质、以及软件的求解力量等方面有一个比较全面的了解。选择一个有限元软件可从以下三个主要方面进行考虑：

*依据专业问题进行选择；

*依据财力进行选择；

*依据软件的求解和计算力量进行选择。

其中，"依据专业问题进行选择'，即是否能够求解目标问题，是为首要参考依据；在"依据财力进行选择'所描述的财力允许状况下，应尽可能选择求解和计算力量强的软件，一个可以节约计算时间的软件可以显著提高经济效益。此外，还可以补充以下参考依据：

*依据二维或三维建模力量进行选择；

*依据用户图形界面(GUI)友好性（简洁易用性）进行选择；

*依据材料模型库或单元类型库是否丰富将进行选择。

3、有限元软件的进展趋势

依据各种有限元软件的特点和不足，可以估计有限元软件的将来进展趋势主要有：

(1)用户图形界面友好程度的加强

用户图形界面（GUI或GraphicsUserInterface）是否功能强大易学易用关系的软件的长远进展。用户图形界面的设计应当基于软件所面对的主要用户群。假如主要用户群为工程师，需要软件尽可能友好，具有快速的网格生成和强大的建模力量，并且尽可能增加软件的后处理功能，供应多种数据的可视化力量（如生成变形图，等值线图和动画等），便于形成计算结果的报表。

当前，工程师可以在集成的CAD和数值模拟软件环境中快捷地解决一个简单工程问题。所以当今全部的商业化有限元系统商都开发了和闻名的CAD软件（例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等）的接口。有时，生成的有限元网格质量不好或者需要增加新的域，要对已生成的有限元网格进行修改和重生成。因此，有限元软件技术的进展应当考虑尽可能削减网格修改和再生成所带来的工作量。

(2)建模力量从二维扩展到三维

尽管某些岩土工程问题（例如基坑开挖、群桩基础和曲线隧道等）具有明显的三维特征，许多数值模拟仍将其简化为平面问题。为了精确     模拟实际工程问题，有效地揭示岩土工程中某些三维效应，应尽可能采纳三维建模和数值模拟。由于三维有限元建模需要先进的计算机图形技术，并且对计算机的硬件有较高的要求。随着计算机图形学和硬件等技术的快速进展，目前一般个人计算机已经具备很强的三维模型处理力量。有限元软件的建模力量也开头从二维扩展到三维。例如，Crisp最初版本只有二维，现在也具备了三维版本；Plaxis在最初的二维平面应变软件基础上也开发了Plaxis3DTunnel和Plaxis3DFoundation；LS-DYNA2D也扩展到LS-DYNA3D。但也有完全在三维基础上开发的，如MSC.DYTRAN，就没有二维功能。

(3)从单一物理场和单相问题到多物理场多相耦合问题

数值模拟初期只是分析简洁的单一物理场问题，结构工程通常只讨论梁、板和壳等，岩土工程只是讨论土体，这些问题但可以归结为单一的位移场问题。而数值模拟进展到今日，能够更加反映实际的多物理场和耦合物理场开头得到重视。例如，结构构件的变形也可能受到温度场的影响；岩土工程中土骨架和孔隙水压力也是相互耦合相互作用的，是个很典型的流-固耦合问题，冻土是一种由固体土颗粒、固态冰、未冻水和空气构成的四相岩土介质，多物理场多相耦合是简单岩土介质的基本特征。更加简单的问题可能涉及位移场、液体压力场、温度场、电传导、磁场和声场等问题。例如，ABAQUS和COMSOLMultiphysics等有限元软件就具有很强的多物理场多相耦合分析力量。

(4)从单坐标体系扩展到多坐标体系

早期的数值模拟软件通常只采纳单一坐标系，或采纳拉格朗日坐标或采纳欧拉坐标。由于不同问题的求解基于不同的坐标系统，基于单一坐标体系，计算分析问题的范围受到很大的限制。因此有的问题需要从单坐标体系扩展到多坐标体系进行求解，或采纳新的计算方法，例如无网格（meshfree或meshless）技术，如SPH（SmoothParticleHydrodynamics），SPH法不用网格，所以没有网格畸变问题，因此能在拉格朗日格式下处理大变形问题。

(5)综合型和模块化的两极化进展趋势

一方面，岩土工程的简单性要求我们不能只停留在单一物理场和单相的简化求解，需要进展到更加实际的多物理场多相耦合求解。这要求岩土工程软件能够处理简单的多物理场多相耦合岩土工程问题（例如边坡稳定性的非饱和流-固耦合分析，冻土的水-热-力耦合分析等），使得一部分软件向综合型进展，例如ABAQUS，COMSOLMultiphysics和GeoFEA等。

另一方面，综合型的有限元软件包过于浩大，价格非常昂贵，限制了一般用户的数量，而依据用户需要的模块式程序是多数岩土工程有限元软件的一个进展趋势,例如，GeoStudio，MidasGTS，PLAXIS，Rocsciences，Z-Soil和SoilVision等都包含了一系列的软件模块，使开发者可以依据软件的功能模块来进行定价，用户可以依据实际需要购买特地的模块，这可能是岩土工程软件模块化进展的主要缘由。此外，岩土工程软件模块化也有利于提高软件数值计算的效率。

(6)供应更多的二次开发功能

尽管有限元软件要有友好的用户图形界面，软件还需要给高级用户供应更多二次开发功能。例如允许用户直接修改输入文件，并使用界面直接运行已经存在的输入文件；允许用户使用自己的材料模型和单元类型。在软件的二次开发功能方面，通用的有限元软件进展得很好，如ABAQUS供应了用户模型接口UMAT和用户单元接口UEL，允许用户编制自己的本构模型和有限单元的Fortran程序，此外，ABAQUS还允许用户采纳Python脚本语言进行编程，扩展其处理力量。相比之下，多数岩土工程专业软件（例如PLAXIS等）重视提高用户图形界面（GUI）的友好性，却忽视了二次开发功能。因此，如何在保持提高用户图形界面（GUI）的友好性的同时，增加软件的二次开发功能是开发者所面临的一个课题。

(7)跨平台（Cross-platform）

早期的数值分析软件基本上都是在大中型计算机上开发和运行的，后来又进展到工作站（WorkStation），它们的共同特点都是采纳UNIX操作系统。MicrosoftWindows操作系统和32位的IntelPentium处理器的推出，为PC机用于有限元分析供应了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上闻名的有限元程序讨论和进展机构都纷纷将他们的软件移值到Windows平台上。而由于跨平台编程语言的消失，使得进展跨平台的有限元软件成为可能，这使得用户不必担忧自己拥有什么样的操作系统。

(8)从单机单核CPU计算到单机多核CPU，多机CPU并行，CPU-GPU混合并行和云计算

数值模拟分析软件也应当顺应计算机硬件技术的快速进展。目前，个人计算机已经从单机单核像单机多核进展。对于高性能计算，还需要多机并行处理。这使得依靠于计算机硬件的软件系统必需适应硬件的进展，达到更加有效地进行数值模拟和计算。例如，ABAQUS在生成任务时会选择使用几个CPU来进行计算，ANSYS也供应了分布式并行计算功能。ABAQUS可以使用单机多核(CPU)技术。将来还要向多机多核并行计算进展。

近年来，计算图形处理器（GPU-GraphicsProcessingUnits）技术进展快速，其应用范围已经从单一的图形处理扩展到通用数值计算。由于GPU具有流处理、可编程流水线和高密度并行处理力量，与CPU相比，GPU具有更强的浮点运算力量，通常拥有一个或更高数量级的浮点运算速度。由于具有高性价比和低功耗等优点，GPU已经成为高性能通用计算的一种选择。由于GPU在高强度浮点计算方面具有独特的优势，采纳CPU-GPU混合计算来求解一个问题也可能成为将来有限元计算的一个趋势。

云计算是一种新兴的资源使用和交付模式，通过交付和支付的方式有效利用互联网分布式计算资源和计算力量，它是一种区分于网格计算、效用计算、自主计算的一种新型计算模式。

(9)从单一的有限元数值模拟到包括有限元在内的多种数值方法的数值模拟

传统的有限元方法（FEM）在求解某些问题时可能力量有限，例如对于裂缝扩展问题，基于传统的有限元方法的网格重划分和裂尖加密技术效率较低，而扩展有限元法（XFEM）能够较好地解决这一问题，XFEM技术利用富集基函数或形函数的方法避开了网格重划分，使其成为当前讨论的热点领域。XFEM基于传统的有限元方法理论框架，扩展了FEM的应用。对于某些问题，如岩石边坡失稳倒塌的过程模拟，基于连续介质力学的有限元法仅仅能处理前期的边坡稳定和变形问题，对于倒塌的滑落块体则需要借助其它方法，如离散元法（DEM），将不同数值方法结合使用