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[概念] 结构工程分析软件讨论（下）

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“大道至简，愿工程师们都能做到始知真放本精微”

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【写在文前】

接上篇：【JY】结构工程分析软件讨论（上） 继续讲解~
目前大部分的软件产品采用的是有限单元法进行分析计算，有限元分析提供了快速、廉价地探索各种原型选项和设计的能力。这使得有限元分析成为提高产品性能、降低成本和缩短项目交付周期的重要工具，有的有限元软件仅是矩阵位移法的升华，有的有限元软件则是针对型开发（如强非线性、工程设计应用等），有的有限元软件则是大型通用有限元软件。
 
结构工程常用的软件进行分类:
看这篇文章之前可以看下之前的一篇推文：

【JY】结构工程分析软件讨论（上）

【JY】为什么要了解和学习多款仿真软件？

【JY】有限单元分析的常见问题及单元选择

而今天的主角是主要是部分笔者用过的，主要对工程结构研究一些使用方案选择软件提供一个参考。
盘点补充工程经典软件：

【JY】浅谈结构分析与设计软件

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【国产便携式软件】

PKPM/ YJK/ 广厦CAD/ Paco-SAP/ SAUSG…
特点：PKPM/ YJK/ 广厦CAD 等一系列的结构设计软件较好的结合国家规范或地方标准，主要能力在于可便携的让工程师快速的通过线弹性或等效线性的分析方式得到结构设计的结果。
Paco-SAP/ SAUSG 等主要是通过材料非线性、几何非线性等方式，来补充校核上述结构设计软件的设计结果，主要是为了验证结构在地震下接近真实的响应和损伤发展结果。
国产软件有个非常神奇的特点，就是~

保姆级！保姆级！

即便不太懂得力学原理，依旧可以使用得得心应手。这块大部分国内工程师比较数熟悉就不多做阐述。

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【国际结构设计软件】

Sap2000/ ETABS/ SAFE/ Perform-3D/ Midas系列…
特点：CSI系列软件和Midas系列软件，对接国内规范一般，是原理应用级软件。对工程师需要一定的理论基础，其中SAP2000、ETABS和SAFE使用的是相同的求解器SAPFire，因此在有限元模型相同的情况下，计算结果是完全一致的。但是这三个软件存在一些功能上的差异，对于有限元模型的处理并不一致，例如，由于板结构类型的特点，SAFE中就默认将梁的抗扭刚度进行0.1的折减等。SAFE对于混凝土板、基础都具有较好的工程应用计算分析的能力，可以弥补目前国标中对无梁楼板等的计算分析。（国标适用范围还是梁柱体系，而非双向板等板柱体系）
工程原理级结合比较好的设计类软件，由于假定和参数较多，需要设计师对工程概念和力学概念有较好的把控，否则会得到错误的结果。

【JY】结构工程分析软件讨论（上）

PERFORM-3D软件是Powell教授的著作权，后期由CSI进行代理，三维结构非线性分析与性能评估，是一个致力于研究抗震设计的非线性工具。通过使用以变形为基础或者以强度为基础的极限状态来对复杂结构进行非线性分析。PERFORM-3D为工程师提供了一个复杂地震工程工具来进行静力Pushover分析和动力弹塑性时程分析。目前按PERFORM-3D最新的一些更新都是前后处理上的优化，分析功能几乎没有变化。
ETABS V2016到如今的版本的大部分更新，是CSI将 PERFORM-3D分析内核转接到ETABS的过程。随着ETABS的更新，ETABS在复杂结构进行非线性分析评估方面越来越接近PERFORM-3D。ETABS甚至在某些方面具备了对PERFORM-3D的优势，例如分层壳、更多的连接单元、FNA法、施工模拟分析等等。但是PERFORM-3D仍然有计算效率上的优势，计算文件更小，提取结果更快等优点。
SAP2000和ETABS的定位确实不太一样。SAP2000更通用，分析功能更强大，例如稳态分析、功率谱分析、波浪荷载、移动荷载等等，这些常常是工业院非常需要的。而且很多SAP2000和ETABS看起来一样的东西，也可能SAP2000功能更强大，就以分层壳为例，SAP2000可以按米塞斯应力确定屈服状态，而ETABS只能按单轴应力确定，所以对于钢筋还好，但是对于钢板来讲，明显SAP2000更合适。ETABS更加偏向民用建筑，有明显层的概念，设计功能更加强大，指标输出更多更加便利。
小结：
PERFORM-3D：具有较好的抗震性能评估体系，具有计算效率高、计算文件小、提取结果更快的优点。
SAFE： 对于混凝土楼板、基础筏板等有较好的计算分析方法。
ETABS： 有明显的层的概念，设计功能强大，提取指标更加便利，抗震性能评估、计算效率等功能也在逐步升级。
SAP2000： 分析功能更加通用，计算方法更多，更偏向于通用有限元软件，理论上通过对有限元模型的认为设置，可以得到SAFE和ETABS的结果，只不过对工程师理论要求比较高。

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【科研级开放式软件】

OpenSEES、ABAQUS、ANSYS…
特点：市面上有很多有限元分析软件，针对建筑结构和岩土工程地震响应专门开发的开源软件OpenSEES，以及大型通用有限元开源软件CalculiX。而对于商业有限元软件，结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC.Marc、ANSYS。
OpenSEES是一个开源软件，它的名字是“The Open System for Earthquake Engineering Simulation”的缩写，由美国Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER)开发。这款软件最适用于建筑结构和岩土结构的地震响应模拟，当然也可以进行结构在静力作用下的数值模拟。与商业有限元软件相比，OpenSees 单元库相对简单，但是恢复力模型丰富，这致使该软件在简化结构模型的地震响应模拟方面有突出的表现。同时它作为一款开源软件，单元库一直在不断更新中，实现了与时俱进，契合了当下互联网快速发展形势下软件快速迭代的要求。
OpenSEES 由C++语言编写而成。为了方便用户调用，采用了Tcl、python 语言作为用户交互接口。除此之外，暂无GUI 界面，虽然许多人对其编写了相关界面。因此，对于不熟悉软件开发的结构工程师来说，使用 OpenSEES 稍显困难。但是与 GUI 操作相比，计算机编程是当前科研人员的研究利器，熟练使用脚本建模之后，会发现它很多时候比 GUI 建模更具有优势。对于工程师而言，需要非常高的理论基础和编程能力。虽然它拥有世界上工程研究领域前沿的单元库和一些计算方法，但同时它对于工程而言计算效率比较低，只能单线程计算确实比较拉跨（除非自行开发并行计算），适合对应科研或者小型的工程。
ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，属于高端CAE软件。它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题。结构和固体力学领域，专业程度最高的是ABSQUS，极其专业，它的手册论专业性而言可以爆掉几乎国内所有高校的所有力学课程和所有中文教科书，英文教材其实也没几个能达到ABAQUS手册的水平的。总得来说ABSQUS侧重结构，包括非线性超强的Standard和Explicit，而且它的Python脚本系统和子程序特别支持比较深入的研究型工程应用。
ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势。其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面。另外，由于ABAQUS/Standard(通用程序)和ABAQUS/Explicit(显式积分)同为ABAQUS公司的产品，它们之间的数据传递非常方便，可以很容易地考虑预紧力等静力和动力相结合的计算情况。ABAQUS软件的求解器是智能化的求解器，可以解决其它软件不收敛的非线性问题，其它软件也收敛的非线性问题，ABAQUS软件的计算收敛速度较快，并更加容易操作和使用。对于工程师而已，它仅仅是个力学求解器，所有工程机理或者方法都需要在该平台上构建，所以对工程师的理论功底需要较高的要求。目前大部分工程师采用ABAQUS用于混凝土(CDP)节点、钢结构构件的计算分析，也有少部分采用ABAQUS对结构进行弹塑性分析。

【JY】力荐 | 区域建筑地震安全性有限元分析示例

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，发展了很多版本，但是它们核心的计算部分变化不大，只是模块越来越多，这些模块并不是ANSYS公司自己搞的，而是把别人的东西买来集成到自己的环境里。ANSYS系统擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析,在铁道，建筑和压力容器方面应用较多。其中一个模块LS-DYNA长于冲击、接触等非线性动力分析。LS-DYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，最初是1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成的，主要目的是为核武器的弹头设计提供分析工具，后经多次扩充和改进，计算功能更为强大。LS-DYNA，是公认的计算冲击、碰撞问题的很牛的软件，桥梁碰撞计算分析、飞机撞大楼分析都可以用其计算。

ANSYS也的确购买了它的求解器进行冲击，碰撞问题的计算。不过，在ANSYS WORKBENCH中的AUTODYN软件计算冲击，碰撞的功能与LS-DNYA相似，也非常好。该软件不仅具有FEM求解器，也具有有限体积求解器用于计算流体，以及无网格方法进行爆炸的仿真，做得非常好，并不比LS-DYNA差。ANSYS相继收购了一堆很牛的软件，现在对于流体分析，电磁分析，以及瞬态动力学分析已经很强大。至于热分析则很一般，对于岩土结构的静力学计算也不过尔尔。
小结：
OpenSEES开源又免费，可以毫无压力二次开发，做地震工程相关的内容非常适合，适合用于抗震研究分析，但同时值得吐槽的是计算内核是单线程计算，同等计算规模下，算力无法堪比商业有限元软件。
ANSYS做得很全面，流体分析，电磁分析，多物理场分析超级强大，而非线性分析弱一些；ABAQUS非线性分析是比较适合的求解器，而且工程师可以自行开发与之相对应的umat/vuamt等子程序，来适配自己的工程问题或科研。

 

但是要注意，结构分析的目标不是获得结构行为的精确模拟，而是获得帮助设计决策的信息。一旦建立了一个分析模型，就很容易被引诱去相信这个模型是真实结构的精确表示。它可能不是，也不需要是，但模型必须足够准确，以提供有用的设计信息，但分析结果几乎肯定是近似的，无论分析模型多么复杂。

下期再见！

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