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结构分析软件的选择

一直有一些朋友跟我讲想学有限元软件,问我哪个比较好。每次都要花些时间解释怎样选择适合自己的软件。经过考虑,觉得还是简单的整理一下吧。

近些年,随着电脑的飞速发展,有限元软件的开发也是日新月异。特别是随着人们对结构分析的精确性和高端性的追求,越来越多的国内外有限元软件被结构工程师所采用。

大致整理了一下,目前国内建筑结构领域使用的计算软件有:PKPM3D3SMTSMST、同济启明星、ETABSSAP2000SAFEPERFORM-3D MIDASSTAAD PROROBOT EASYFORTENANSYSABAQUSNASTRANMARCLS-DYNA等。

其中PKPM3D3SMTSMST、同济启明星属于国内开发的软件,目前使用的也比较普遍,效果也不错;ETABSSAP2000SAFEPERFORM-3D MIDASSTAAD PROROBOT ANSYSABAQUSNASTRANMARCLS-DYNA是国外引进的软件,目前在国内使用的也是十分普遍,而且因为一些国人有崇洋媚外的习惯,所以相对来讲国外软件使用的更多,认可度也更高,当然,老外软件的质量起到了关键的作用。

那么这么多软件在实际使用中怎么选择呢?其实,每个软件都有其独到之处,针对计算工程的不同特点,可以选择不同的分析软件,有时候可以起到事半功倍的效果。下面就谈一下自己的一点拙见:

1)在国内PKPM可以将是葵花宝典级别的。对于多高层结构特别好用,其最大的优点,也是大家所依赖的就是可以很快的配筋并出图。现在也可以实现一些空间结构的建模与分析,但是使用起来还是有些不方便。早期人们一直都是用PKPM行遍天下,只是后来随着ETABS等国外软件进来后才有人开始对其有些微词。因为很多人觉得PKPM算起来有问题,比如不同版本算的结果区别啦、不规则结构建模不方便啦等等。但是只要是做设计的,没有人能离开PKPM的。

23D3S不知道如何给它定位。这是同济大学张其林老师开发的,可以计算的结构体系有:轻钢、厂房、多高层结构、空间钢结构、索膜结构等,可以进行中国规范校核。真是神通广大啊,不过,每个模块都是单独卖的。个人看来,在国内软件中3D3S算是比较成功的了,至少在商业化方面走到比较靠前。

3MST是浙江大学罗尧治开发的,专门用于网架和网壳结构的分析与计算,算是一个专业小软件。不过在空间结构领域可以使用以下,特别是可以用它来建模,比自己画方便多了。

4MTS是同济大学李国强老师开发的,可以认为是针对多高层建筑结构开发的。在国内也有一定的用户,不过早期听说使用不是很方便,不知道现在改进的如何了。据介绍,这个软件可以很好的考虑阻尼器的计算,由于没有使用过,所以不是很了解。

5)同济启明星是同济大学编制的一个软件,用于深基坑、桩基础、边坡稳定、天然地基等,方向是向地下发展的。很不错,用起来挺方便的,而且目前类似的软件不多。

以上是国内软件的简单介绍,下面对老外的软件进行一下梳理:

6ETABSSAP2000SAFEPERFORM-3DCSI系列是加州大学Berkeley分校Wilson教授开发的。其中ETABS是针对多高层建筑结构开发的。ETABS对国内的软件行业起到了里程碑式的作用。ETABS的出现让人们看到在计算中我们原来可以做到更多。也是ETABS让人们对结构分析提出了更高的要求,比如弹塑性分析等。目前ETABS可以做到多高层结构的快速建模、静动力分析、静力弹塑性分析、中国规范校核等。几乎涵盖了结构工程师的所有要求。SAP2000则专注与空间结构,比如网壳类、桁架类、不规则结构等,一句话,开发者希望不能用ETABS实现的就可以SAP2000来实现。和ETABS一样,SAP2000对中国建筑结构领域软件的冲击也很大,因为在SAP2000进入中国的时候业内没有类似可以进行空间结构建模与分析的软件。在当时SAP2000算是填补了一个空白。现在SAP2000更新了很多版本(目前是12.0),增加了很多功能,比如中国规范校核等。SAFE是专门进行楼板计算的,没用过,好像必要性不是很强。PERFORM-3D是刚推出的一套软件,专注于动力弹塑性分析,采用了大家比较期待的纤维模型,不过听说实际操作不是很方便,本人没用过,不能下结论。

7MIDAS是韩国的一套结构设计软件,是业内的后起之秀。可以进行多高层及空间结构的建模与分析,也可以进行中国规范校核。其实,MIDAS进来的很晚,记得0506MIDAS用户还不是很多,但是近几年他们在销售上花了很多心思,记得07年一套才卖3万多块,可以讲是中国的市场他们是势在必得。现在MIDAS的用户已经非常多了,而且软件的更新也很快。是一套很不错的软件。

8STAAD PROROBOT可能大家不是很熟悉,不过确实是国内也在用的两套设计软件, 比如上海的南站铁路是使用ROBOT计算的;STAAD的应用可能更多一些,而且有中文版。这两款软件都是可以进行任何结构体系计算的,像SAP2000MIDAS一样,可以进行多高层和空间结构的计算与分析,STAAD带有中国规范,听说ROBOT也在做,不知道现在有没有做好。

9EASYFORTEN是两款索膜结构计算软件。其中,EASY采用的是力密度法, FORTEN采用的是非线性有限元法。EASY在中国用到比较多,比如上海世博轴索膜结构是用这个软件计算的,不错觉得界面开发的确实不敢恭维;个人认为FORTEN的界面做得不错,近似通用有限元的界面模式,出图很漂亮。不过这两款软件在国内D版比较少,目前我还没有找到过。

10ANSYSABAQUSNASTRANMARCLS-DYNA属于通用有限元软件,与设计软件不同的是,通用软件在结构计算上功能更强大,而且往往提供二次开发平台,对于高级用户而言具有更大的发挥空间。其中

Ø         ANSYS应该是在业内拥有最多用户的一款了,它不但拥有比较丰富的单元库,而且提供了APDL编程平台,使用户可以很好的进行复杂工程计算,这也是参数化建模与分析的平台。目前业内使用ANSYS计算的内容包括:多高层结构、空间结构、索膜结构、玻璃结构等等;特殊问题有节点分析、动力弹塑性分析等等。一个字,ANSYS太强大了,不过,ANSYS对于剪力墙的弹塑性分析方面还有一些不足。

Ø         NASTRAN是航空上的一款软件,需要借PATRAN作为前处理,但是近几年在业内也有人使用,这款软件厉害了,单元丰富、功能强大,想想看,美国飞机专用软件,算我们建筑结构还不是小菜一碟?

Ø         MARCNASTRAN一样,都属于MSC系列的,它是一款功能齐全的高级非线性有限元软件,具有极强的结构分析能力。在高校科研工作中用的较多。近几年随着弹塑性分析的需求,很多工程是用这个软件计算的。

Ø         ABAQUSLS-DYNA是两款比较特殊的软件,它们的计算方法为显式计算。我们常用的有限元软件一般都是隐式计算方法,就是解方程[K][U]=[P]。而显式计算则是使用时间积分的方法。显示积分在动力计算中几乎不存在不收敛的问题,所以在动力弹塑性分析中使用的较多,目前这是国内进行动力弹塑性分析中使用最多的两款软件。不过,关于显式计算在我们建筑结构的动力分析中是否适用一直存在着争议。本人ABAQUS用比较多,所以对其还算比较熟悉。像ABAQUS其最大的强项在于实体分析和壳单元分析,而杆单元的分析则不是其优势所在。所以,在我们建筑结构计算中需要用户开发一些简单的接口程序,把其他软件建立的模型导入到ABAQUS中,否则在ABAQUS中建立建筑的三维模型会累死人的,不过它的后处理还比较方便。ABAQUS的非线性功能很强大,如此强大的非线性功能,用在建筑结构领域简直太浪费了!LS-DYNAANSYS系列的,据说可以把计算模型直接从ANSYS中转换过去。其动力弹塑性功能和ABAQUS差不多,这些功能都可以轻松满足我们建筑结构领域的需求。

前面对一些常用软件做了简单的介绍,了解其基本情况后作选择就比较简单了:

(1)       对于多高层结构的设计优先选择PKPMETABSMTS;另外也可以选择SAP2000MIDASSTAAD PROROBOT3D3S;如果是计算分析,随便选一个通用有限元软件即可,强烈推荐ANSYS

(2)       对于空间结构的设计优先选择SAP2000MIDASSTAAD PROROBOT;纯计算分析强烈推荐ANSYSMIDASSAP2000NASTRAN

(3)       对于索膜结构可以选择ANSYSEASYFORTEN3D3S。鉴于EASYFORTEN一定要用正版,所以还是用ANSYS3D3S比较现实。

(4)       对于动力弹塑性分析建议采用ABAQUSLS-DYNA;另外也可以选用ETABS(多高层)、SAP2000MIDAS(最近推出Building专门做动力弹塑性)。

(5)       节点细部分析,建议采用ANSYSABSQUS;也可以选用NASTRANMARC

另外,对于一些特殊结构,考虑到可能会使用到简单的二次开发,所以还是建议大家选用ANSYSABAQUS等带有编程语言的通用软件。

以上是本人的一点拙见,可能不全面也。对初学者算是抛砖引玉吧!

有不对之处希望大家提出不同意见,相互交流。(www.cuijiachun.com

 

  • quote 2.zsq
  • “ABAQUS和LS-DYNA是两款比较特殊的软件,它们的计算方法为显式计算”
    -----我觉得abaqus还是隐式见长的,虽然也有显式算法,abaq的显示主要就用于动力分析还有点优势。
    cjc 于 2009-5-5 16:19:33 回复
    这句话说的确实不够严密。abaqus里面提供隐式和显式两种求解方法。
    在结构领域,abaqus的隐式计算可能在节点等细部分析中用的较多;而整体分析中一般不用abaqus,因为操作实在不方便。但是动力弹塑性除外,目前abaqus显式方法是内地动力弹塑性时程分析的主要手段之一。
    欢迎zsq继续提出你的高见。

    总结的不是很全,忘记adina了!

    由 cjc 于 2009-5-5 16:33:28 最后编辑
    由 cjc 于 2009-5-5 16:34:23 最后编辑
  • 2009-5-5 15:55:24 回复该留言
  • quote 3.3c
  • 其实从尊重知识产权角度出发,还是应该支持正版的
    cjc 于 2009-5-8 18:16:02 回复
    是啊,能用正版的软件那是最好的啦,特别是计算实际项目,比较可靠、放心。
    不过,大多数软件都有试用版、教学版或者限制版,处于学习中的朋友可以借此提高一下自己的水平。

    由 cjc 于 2009-5-8 18:16:51 最后编辑
  • 2009-5-8 15:01:32 回复该留言
  • quote 4.LM
  • 关于《结构分析软件的选择》一文:

    的确ABAQUS在处理线单元模型(如网壳方面)很不方便,除非使用INP文件来控制一切。偶见有人在论坛上秀ABAQUS的线模型,也都是小儿科。处理线单元还是ANSYS强大(如果是钢材,主要考虑几何非线性)。

    但是对于高度非线性的结构,即使采用ANSYS的弧长法也不能很好地跟踪结构的屈曲后路径,不知这方面ABAQUS是不是有很大的优势?(我不太熟悉ABAQUS)

    谢谢!
    cjc 于 2009-5-11 13:02:33 回复
    ANSYS也可以计算屈曲后性能,只是大多数情况下比较难做到。abaqus只是在06年的时候用过一次,好像还行。可以一起学习一下。另外,用INp的形式做abaqus的话,也是可行的,但是建议做一些特殊的分析,比如弹塑性啦、屈曲分析啦。终于一般的静力计算,不是很赞成,毕竟不是设计软件。欢迎继续交流!
    有空的话,我会编一个ansys到abaqus的转换程序。实际上已经编了一个,但是不是很完善,过段时候拿出来给大家用。
  • 2009-5-11 12:41:15 回复该留言
  • quote 5.wangbin
  • http://wangbin2009.blog.sohu.com
  • 一直感觉ETABS和SAP2000在处理中国规范方面做的不是很成功,对MIDAS building2009比较期待,看宣传好像比较适合工程师的需要。

    偶然来的你的网站,使自己学到了不少的东西,很是期待以后的文章。
    cjc 于 2009-5-13 13:43:36 回复
    唉,怎么说呢,其实SAP2000是我学的第一个有限元软件,所以个人感情一直比较深。不过,这几年受MIDAS的冲击很厉害,因为MIDAS开发的确实还不错,而且价格相对便宜很多,所以现在应用较为普遍。希望SAP2000和ETABS能在计算与操作速度、输出功能、中国规范开发方面多做一些工作。我最希望看到的是SAP2000和MIDAS能够不分上下,形成一种均衡力量,那样的话,对软件行业的发展会更有利。
    不过,最最希望的是中国能开发一个与之抗衡的软件……

    由 cjc 于 2009-5-13 13:45:00 最后编辑
  • 2009-5-13 9:37:56 回复该留言
  • quote 6.结构工程师
  • 顶楼主,很用心的总结。
    不过Midas的软件不敢恭维,此前Gen出过计算长度系数错误的致命bug,试用过building,说句实话,不知所谓,和etabs结果相差巨大。
    cjc 于 2009-9-16 20:18:03 回复
    呵呵,说实话,midas我用的并不多,还是对sap2000比较熟悉,因为sap2000是我第一个学会的结构分析软件,虽然后来也用了其他的一些软件,但是大多数只是用用,没有深入的了解软件本质的东西。比如midas吧,我只是对其数据比较熟悉,因为曾经编了一个midas2ansys的程序,对于其界面操作就不是很熟悉了。etabs当然是最为经典的一款高层、超高层设计和分析软件,强力推荐大家使用。最近参与的几个超高层结构都是用etabs分析的。
  • 2009-9-16 16:49:08 回复该留言
  • quote 7.waterdrop
  • 崔老师用过的软件蛮多的啊,呵呵
    我也说说我用软件的感受吧,一家之言。
    pkpm国内大哥,建模很方便而且能很好的出图和施工图设计联系的好,但是最大的问题他是个黑匣子。最最很匣子的那部分,我感觉就是epda了。
    Etabs,Sap2000这都是世界级大哥,分析能力不用说了,这些年来berkly致力于开发分析方面,不过建模那块做的比较弱,虽然设计部分也加入了中国规范但不太适合国内习惯。Perform3d我用过,做了一个超限分析,分析能力不用说,蛮强大的,不过建模就实在是太弱太弱了,它里面有很多参数需要我们去定义,对使用者还是有比较高的要求。
    Midas我用过,建模能力超一流,后处理效果也超棒,目前2009板大有与pkpm分天下之气,号称把各种分析都能做了,但是除了弹性分析那部分外,弹塑性分析那块个人就不很看好它的。
    Ansys,abaqus属于通用有限元软件,具体的和大家感受差不多了,呵呵
    twcad不知崔老师用过否?我用它算过一个双层网壳结构,当时用Rhino建的模,在twcad里算的,twcad我感觉加荷载这部分做的还不错,计算时间也比较快而且后期出施工图超棒。Rhino强大的NURBS功能,建模很容易,不像在cad里间三维模型得不停的ucs,呵呵,头都大了。
    我正在学hypermesh,比较麻烦啊。
    其他用过的软件,有3d3s,mst等。
    崔老师说到的EASY,FORTEN我第一次听说啊,今天见识了,呵呵
    我现在主要是在搞动力弹塑性分析,不过方向是大跨结构,有机会希望能多和崔老师交流。
    cjc 于 2009-10-20 8:30:57 回复
    欢迎经常过来交流,也希望能提出你宝贵的个人观点!
  • 2009-10-17 1:41:52 回复该留言
  • quote 8.tochenchao
  • 对于大变形等冲击破坏问题,建议使用显式的DYNA,隐式求解计算较为精确但不易收敛。粗略的看了下您所涉及的课题,基本上都是隐式数值计算适用的。
  • 2010-1-6 17:22:01 回复该留言

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