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          大興水利水電勘測研究會

          巖土工程有限元軟件及其發展趨勢

          量建工程圈2021-11-09 09:20:39

          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??捎糜趲r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。


          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。

          (8) ? 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。

          (9) ? 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。

          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。

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          專業地基基礎施工單位


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