ANSYS與PKPM軟件的對比報告

ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastersubtitlestyle1.ANSYS與

PKPM兩種軟件的簡述PKPM在國內(nèi)設(shè)計行業(yè)占有絕對優(yōu)勢，擁有用戶上萬家，市場占有率達

90%以上，現(xiàn)已成為國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的

CAD系統(tǒng)。它緊跟行業(yè)需求和規(guī)范更新，不斷推陳出新開發(fā)出對行業(yè)產(chǎn)生巨大影響的軟件產(chǎn)品，使國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件十幾年來一直占據(jù)我國結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)應(yīng)用和技術(shù)的主導(dǎo)地位。及時滿足了我國建筑行業(yè)快速發(fā)展的需要，顯著提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，為實現(xiàn)建設(shè)部提出的“甩圖板”目標做出了重要貢獻。軟件所在立足國內(nèi)市場的同時，積極開拓海外市場。目前已開發(fā)出英國規(guī)范、美國規(guī)范版本，并進入了新加坡、馬來西亞、韓國、越南等國家和香港、臺灣地區(qū)市場，使

PKPM軟件成為國際化產(chǎn)品，提高了國產(chǎn)軟件在國際競爭中的地位和競爭力?，F(xiàn)在，PKPM已經(jīng)成為面向建筑工程全生命周期的集建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、節(jié)能、概預(yù)算、施工技術(shù)、施工管理、企業(yè)信息化于一體的大型建筑工程軟件系統(tǒng)，以其全方位發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域確立了在業(yè)界獨一無二的領(lǐng)先地位。ANSYS軟件作為一個大型通用有限元軟件，能夠用于結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等學(xué)科的研究中，廣泛用于土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業(yè)、石油化工、輕工、電子、日用家電和生物醫(yī)學(xué)等一般工業(yè)及科學(xué)研究工作。ANSYS軟件是第一個通過

ISO9001質(zhì)量認證的大型通用有限元分析設(shè)計軟件，是美國機械工程協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近

20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件。在世界范圍內(nèi)，ANSYS軟件已經(jīng)成為土木建筑行業(yè)

CAE（計算輔助工程）仿真分析軟件的主流。ANSYS在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土房屋建筑、體育場館、橋梁、大壩、隧道以及地下建筑物等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。可以對這些結(jié)構(gòu)在各種外荷載條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性作出全面分析，從力學(xué)計算、組合分析等方面提出全面的解決方案，為土木工程師提供了一種功能強大且方便易用的分析方法。ANSYS在

2008北京奧運會場館建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如老山自行車館、北京工業(yè)大學(xué)羽毛球館、國家體育場等都利用

ANSYS進行了有限元仿真分析。利用

ANSYS軟件可以有效地保證工程的設(shè)計和施工質(zhì)量，縮短周期、降低工程成本，對于提高設(shè)計和施工水平、增強行業(yè)競爭力起到了很大的促進作用。從競爭和技術(shù)發(fā)展的角度來看，采用計算機輔助工程分析技術(shù)是大勢所趨。PKPM的市場占有率之高反映了它應(yīng)用領(lǐng)域之廣，但是在解決一些復(fù)雜超限工程的能力方面，還與一些國際通用有限元軟件有些差距。當(dāng)問及PKPM與一些國際有限元軟件之間有何不同？ABAQUS中一根簡單的簡支梁在對稱荷載作用下需要運行至少

10分鐘。在

ANSYS、ABAQUS中建模型比在

PKPM中復(fù)雜很多很多的情況下，為什么遇到復(fù)雜工程，工程師們還是會轉(zhuǎn)向

ANSYS、ABAQUS等國際通用有限元軟件作為結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計軟件呢？我們本能的回答就是國際通用有限元軟件的本構(gòu)模型復(fù)雜，考慮周全。誠然，這是它們之間的主要區(qū)別，但是兩者之間的異同并不僅僅局限與本構(gòu)模型方面。下面就從以下幾個方面將

PKPM與

ANSYS進行對比分析，指出雙方的優(yōu)缺點，希望能對

PKPM軟件今后的發(fā)展有些幫助。2.PKPM與

ANSYS軟件的對比2.1建模能力PKPM中的建模模塊

PMCAD軟件采用人機交互方式，引導(dǎo)用戶逐層地布置各層平面和各層樓面，再輸入層高就建立起一套描述建筑物整體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。PMCAD具有較強的荷載統(tǒng)計和傳到計算功能，除計算結(jié)構(gòu)自重外，還自動完成從樓板到次梁，從次梁到主梁，從主梁到承重的柱墻，再從上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)的全部計算，加上局部的外加荷載，PMCAD可方便的建立整棟建筑的何在數(shù)據(jù)，為各功能設(shè)計提供了數(shù)據(jù)接口。ANSYS可以利用其建模優(yōu)勢應(yīng)用于大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，用

APDL描述性語言可以較方便地建立空間鋼結(jié)構(gòu)的有限元模型?？臻g鋼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會出現(xiàn)多桿件空間匯交的情況，而產(chǎn)生一些復(fù)雜的節(jié)點，因此工程中為了保證節(jié)點安全工作，必須對節(jié)點進行受力分析，而

ANSYS本身方便的實體建模模塊與其他

CAD軟件如AUTO

CAD、Pro/E等繪圖軟件有良好的接口程序，可以方便地建立模型，或者利用ANSYS本身的實體建模功能也可以建立各種復(fù)雜的節(jié)點實體模型。建模方面，PKPM的優(yōu)勢在于界面及使用操作簡單易學(xué)，邏輯思維簡單，而

ANSYS的

APDL建模需要一定的空間想象能力，較強的邏輯思維能力，因此

ANSYS的使用需要設(shè)計人員具備一定的知識儲備。當(dāng)然，如果能熟練掌握

ANSYS的

APDL語言進行建模，對于模型的修改操作起來十分方便。比如節(jié)點位置的修改，只需要去.mac文檔中修改參數(shù)值即可，可以大大提高建模速率，這點是普通的

CAD繪圖軟件所無法比擬的。另一方面，ANSYS和

AUTOCAD模型的接口不是那么盡如人意，這一點上

PKPM有很大的超越，對于

AUTO

CAD模型，PKPM可以說提供了無縫連接接口，設(shè)計人員可以拋開

AUTOCAD直接在

PMCAD中建模。2.2求解能力ANSYS提供了多種求解器，主要類型有迭代求解器（預(yù)條件共軛梯度、雅可比共軛梯度、不完全共軛梯度）、直接求解器（波前、稀疏矩陣）、特征值求解法（分塊

LANCZOS法、子空間法、凝集法、QR阻尼法）、并行求解器（分布式并行、代數(shù)多重網(wǎng)格）等，用戶可根據(jù)問題類型選擇合適的求解器。a.SATWE計算求解器PUSHOVER求解器圖

2.2-1PKPM的求解方法SATWE中的

VSS法就是一種大型稀疏對稱矩陣快速求解法，屬于線性方程組直接解法中的稀疏矩陣法，這種解法占內(nèi)存大，但運算次數(shù)少，通過變換剛度矩陣的順序使得非零元素最少。PUSHOVER中的波前解法也屬于線性方程組直接解法，采用高斯循序消去法和三角分解法，剛度矩陣

K和荷載列陣

P不按自然編號進入內(nèi)存而計算時參加運算的順序排列，在內(nèi)存中只保留可能少的一部分

K和

P的元素。PKPM中的彈塑性分析模塊給出的求解器相對多了些，增加了

PCG（預(yù)條件求解器），屬于迭代解法，用于高效求解各種矩陣（包括病態(tài)），但僅用于計算實對稱矩陣。這點上，PKPM還需要更多的努力以向

ANSYS這種國際通用有限元軟件靠攏。圖

2.2-2人為指定程序運行占用內(nèi)存量ANSYS可以任由用戶按個人需求設(shè)置程序占用的內(nèi)存和

CPU，這樣就避免了由于運行此程序占用太多的電腦內(nèi)存而無法進行其他工作的尷尬局面。這點是

PKPM需要改進的地方。同時

PKPM的求解器支持的僅僅是單核的

CPU，占用內(nèi)存空間無法人為指定，導(dǎo)致運行速度很慢，稍微大一點的模型運行時電腦其他程序便卡掉無法運行。2.3非線性分析能力ANSYS具有強大的非線性分析能力，可進行幾何非線性、材料非線性、接觸非線性和單元非線性分析。其中，材料非線性包括電材料和形狀記憶合金等。與

ANSYS相比，PKPM所能處理的工程問題范疇，雖然

PMSAP、pushover、EPDA等設(shè)計到了非線性分析，但模型的本構(gòu)關(guān)系設(shè)置過于簡單，大部分還局限于結(jié)構(gòu)的線性分析狀態(tài)。這對于簡單的工程影響不大，但對于一些超限高層，以及對可持續(xù)性發(fā)展、科技興國趨勢的響應(yīng)，結(jié)構(gòu)的非線性分析是未來結(jié)構(gòu)設(shè)計的大勢所趨，希望

PKPM今后的產(chǎn)品能在非線性分析方面有大的飛躍。2.4網(wǎng)格劃分能力ANSYS具有強大的網(wǎng)格化分能力?？蛇M行智能網(wǎng)格劃分，根據(jù)幾何模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。也可根據(jù)用戶的要求，實現(xiàn)多種網(wǎng)格劃分，相當(dāng)靈活。如圖

2.4-1是對一節(jié)點的網(wǎng)格劃分，可以實現(xiàn)不同部位不同網(wǎng)格密度的自由劃分，圖片也比較美觀。圖

2.4-1ANSYS耳板節(jié)點網(wǎng)格劃分圖圖

2.4-2JCCAD筏板有限元網(wǎng)格劃分圖PKPM這方面需要很大的改進。比如

JCCAD中樁筏有限元計算中網(wǎng)格的劃分比較粗糙，經(jīng)常會因為所劃網(wǎng)格形狀的不規(guī)整而造成剛度矩陣的奇異，結(jié)果不收斂問題。比如一般要求

JCCAD每個網(wǎng)格的角度不能小于

15度，最好在

30~45度之間，原理，操作不靈活。2.5接口能力ANSYS提供了與多數(shù)

CAD軟件及有限元分析軟件的接口程序，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如

UG、Pro/E,Parasolid,SolidWorks,CADAM,AUTOCAD等。相比而言，PKPM雖然能方便快捷地實現(xiàn)與

AUTO

CAD的接口，但是所能轉(zhuǎn)接的軟件有限。2.6操作平臺ANSYS支持多種硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺。而

PKPM目前的最新版本對于WINDOWS64位的系統(tǒng)還存在一定的兼容性問題，希望能盡快解決。2.7后處理能力在這方面，ANSYS具有比較大的優(yōu)勢。ANSYS具有強大的后處理能力?？色@得任何節(jié)點和單元的數(shù)據(jù)，具有列表輸出、圖形顯示、動畫模擬等多種數(shù)據(jù)輸出形式，可進行多種荷載工況的組合和各種數(shù)學(xué)運算，以及時間歷程分析能力等。下面通過幾個例子來具體說明。1.時間歷程分析前處理模型網(wǎng)格化分后模型25時間步結(jié)構(gòu)總位移云圖25時間步結(jié)構(gòu)

MISES應(yīng)力分布云圖VonMises等效應(yīng)力隨時間變化曲線圖

2.7-1ANSYS分析網(wǎng)架節(jié)點結(jié)果提取組圖10加載步11加載步20加載步31加載步40加載步51加載步60加載步70加載步71（性能點）加載步圖

2.7-2PUSHOVER各典型加載步時結(jié)構(gòu)的塑性變形狀態(tài)由上述兩組組圖可以看出，PKPM中剪力墻、框架梁、連梁、柱子等構(gòu)件只能通過單線條來表示，無法像

ANSYS那樣顯示任意節(jié)點和單元的位移、應(yīng)力云圖等，結(jié)果表示不夠直觀。圖

2.7-3PUSHover某加載步全樓層間位移曲線圖PUSH得出來的結(jié)果提取時不方便。如圖

2.7-3所示，左圖為軟件給出的初始主位移角圖，標注字體十分小，無法辨清楚，需要設(shè)計人員手動去調(diào)整字符大小。同時，我在使用中發(fā)現(xiàn)，位移響應(yīng)曲線圖中的字號和抗倒塌驗算圖中的字號不統(tǒng)一，這又給設(shè)計人員手動調(diào)整（需要預(yù)估）帶來麻煩，耗費了不必要的時間。希望

PKPM今后的軟件能有所改善。2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)塑性破壞結(jié)果PKPM中框剪結(jié)構(gòu)塑性破壞投影圖混凝土簡支梁變形圖鋼筋骨架模型圖鋼筋軸力分布圖混凝土開裂分布圖混凝土開裂局部放大圖圖

2.7-3PKPM與

ANSYS塑性結(jié)果提取對比組圖在

2.7-3組圖，PUSHOVER對于混凝土鋼筋的塑性變形狀況采用：實心紅色圓點表示，加載至某一步時，桿端出現(xiàn)的彎曲塑性鉸。如桿端出現(xiàn)紅色短線，表示該步桿端出現(xiàn)拉壓塑性鉸。對于剪力墻，給出了墻垣各個高斯點的破壞情況：黃色豎向短線表示該物質(zhì)點豎向拉壞或者壓壞,黃色橫向短線表示該物質(zhì)點橫向拉壞或者壓壞。黃色圓圈表示該物質(zhì)點剪切破壞。如同一點處有

2、3、4中

2種，表示同時發(fā)生

2類破壞。大的紅叉表示該墻元整體達到用戶指定的破壞程度。紫色線表示鋼筋的屈服。而

ANSYS中可以分析混凝土的開裂狀況：圖中用圓形表示開裂平面，用八面體表示壓碎。已經(jīng)開裂的裂縫閉合后，則在圓內(nèi)打叉表示。每個積分點可在三個垂直方向開裂，用紅色表示某積分點的第一次開裂，用綠色表示該積分點的第二次開裂，用藍色表示該積分點的第三次開裂。對于結(jié)構(gòu)或單元塑性破壞結(jié)果的表示方式，PKPM今后的產(chǎn)品可以吸取國外軟件的優(yōu)點進行改進。2.8單元庫PKPM-SATWE，市場占有率最大的模塊中的單元只有兩種，空間桿單元和墻元。梁元、柱元都建立在空間桿單元基礎(chǔ)上，遵循經(jīng)典梁元理論——Kirchhoff平截面假定。SATWE的墻元是在四節(jié)點平面厚薄殼通用單元的基礎(chǔ)上凝聚而成的。為了改進計算精度，目前平面單元主要采用的是“引入泡狀位移含旋轉(zhuǎn)自由度的廣義協(xié)調(diào)三角形膜元

1”，“帶旋轉(zhuǎn)自由度的精化非協(xié)調(diào)平面四邊形等參元

2”“采用廣義協(xié)調(diào)條件構(gòu)造的具有旋轉(zhuǎn)自由度的四邊形膜元

3”和“面積坐標法構(gòu)造含轉(zhuǎn)角自由度的四結(jié)點膜元

4”，板采用的是“對轉(zhuǎn)角場和剪應(yīng)變場進行合理插值的厚板元

5”（三角形）以及“對轉(zhuǎn)角場和剪應(yīng)變場進行合理插值的厚薄板通用四邊形單元

6”。相比之下，ANSYS的單元庫則較為豐富。SATWE中柱、梁、支撐——空間桿單元，考慮了剪切變形的影響。相當(dāng)于

ANSYS中的梁單元類似。Pkpm中剪力墻——在四節(jié)點殼元基礎(chǔ)上采用靜力凝聚原理構(gòu)造了通用墻元來模擬剪力墻。圖

2.8-1給出了一些

ANSYS常用的單元。桿單元適用于模擬桁架、纜索、鏈桿、彈簧等構(gòu)件，桿單元是均質(zhì)直桿，只承受軸向的拉壓，不承受彎矩，節(jié)點只有平動自由度，每個單元有兩個節(jié)點。其中常用桿元是

Link1（2D）、link8(3D)，可用于模擬屋架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、桁架橋、塔架等。Link10是三維的僅受拉或僅受壓桿件，可模擬繩索、地基彈簧、橡膠支座等等。梁單元是一類考慮軸向拉壓、彎矩、扭轉(zhuǎn)的單元，與

PKPM單元庫中的空間桿單元類似。其中

BEAM3是

2D彈性梁，BEAM23是二維塑性梁，beam54是漸變不對稱梁。BEAM4是

3D彈性梁，BEAM44是

3D漸變不對稱梁，是能夠進行自由度釋放的單元。另外

BEAM188\189也可進行自由度的釋放，如將剛接改為鉸接。BEAM188與

BEAM189都是三維的有限應(yīng)變梁，即

Timoshenko梁，都考慮了剪切變形的影響。實際情況中剪切變形將引起梁的附加撓度，并使原來垂直于中面的截面變形后不再和中面垂直，且發(fā)生翹曲。所以

BEAM188和

BEAM189每個節(jié)點有七個自由度:三個平動、三個扭轉(zhuǎn)以及一個翹曲自由度.一般的當(dāng)梁的高度遠遠小于跨度時可忽略剪切變形的影響，但當(dāng)梁高相對于跨度不是太小時，則要考慮剪切變形引起的附加撓度。對于經(jīng)典梁元，通過加入剪切變形系數(shù)來考慮剪切變形的影響，對于Timoshenko梁采用了撓度和截面轉(zhuǎn)角各自獨立差值的形式引入第七個自由度——翹曲自由度來考慮剪切變形的影響。管單元

是一類考慮軸向拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)的

3D單元，每個節(jié)點有

6個自由度，有直管、T型管、彎管和沉管等四種類型。多用于海洋、電纜等工程。2D實體單元

主要用于分析平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱問題，每個節(jié)點只有兩個自由度。其中

PLANE2是

6節(jié)點三角形單元，PLANE42為

4節(jié)點四邊形單元，PLANE82為

8節(jié)點四邊形單元。3D實體單元可用于模擬三維實體結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點有三個自由度。比較常用的有8節(jié)點實體元SOLID45、8節(jié)點鋼筋混凝土實體元SOLID65、10節(jié)點實體元SOLID92以及

20節(jié)點實體單元

SOLID95。另外

SOLID185\186\187單元可以模擬幾乎不可壓縮的彈塑材料和完全不可壓縮的超彈材料。殼單元

是一類比梁單元和實體單元都要復(fù)雜的單元，因為它要考慮到節(jié)點自由度、材料、協(xié)調(diào)與非協(xié)調(diào)、完全積分與減縮積分等等。比較常用的是

shell63和

shell93。其中

shell63是

4節(jié)點的彈性殼、shell93是

8節(jié)點的結(jié)構(gòu)殼，與前者的不同是他考慮了剪切變形的影響。一般對于薄板殼結(jié)構(gòu)不考慮剪切變形影響，對于中厚度板殼結(jié)構(gòu)要考慮剪切變形的影響。因為對于薄板殼結(jié)構(gòu)如果考慮剪切變形的影響的話常常會造成剪切自鎖或零能模式，剪切自鎖或零能模式都將引起剛度矩陣的奇異，造成計算的不收斂。剪切自鎖或零能模式都將引起剛度矩陣的奇異。質(zhì)量單元

主要是在單元生死的時候可以用到。圖

2.8-1ANSYS常用單元庫2.9其他ANSYS具有強大的二次開發(fā)能力?？?/p>