几款仿真软件的分析

几款地质仿真软件的简介

本文将对ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC、FEPG、Femlab(Comsol)、Flac、PETREL进行简短的介绍。

有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元分析软件目前流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、Femlab(Comsol)、MSC、FEPG等。

ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。而ADINA软件除了求解非线性问题外，其在多物理场的流固耦合求解功能也是全球唯一的专利技术。COMSOL公司是全球多物理场建模与仿真解决方案的提倡者和领导者，其旗舰产品COMSOL Multiphysics，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。FEPG是一款国产有限元分析软件。

一、ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四者的比较

由于ANSYS产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。ANSYS软件注重应用领域的拓展，目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的研究领域。ABAQUS

则集中于结构力学和相关领域研究，致力于解决该领域的深层次实际问题。而ADINA软件和ANSYS软件一样都包括结构、温度、流体及流固耦合的功能，因此其应用领域也是相当广泛。

对于常规的结构线性问题，三种软件都可以较好的解决，在模型规模限制、计算流程、计算时间等方面都较为接近。

ABAQUS软件和ADINA软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势；而ANSYS软件和ADINA软件则在流体和多物理场耦合功能方面具有无可比拟的优势。

目前在多物理场耦合方面ANSYS、ADINA、MSC都可以做到结构、流体、热的耦合分析（ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块），但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。

ANSYS/Workbench、ABAQUS/CAE、ADINA/AUI都是采用CAD方式建模和可视化视窗系统，都具有良好的人机交互特性。三种软件都除了提供窗口操作外都还提供命令流输入，但是ABAQUS/CAE并不对所有的命令流都支持CAE界面操作。ANSYS软件和ADINA软件都采用Parasolid为核心的实体建模技术，因此可以和其它Parasolid为核心的CAD软件实行真正无缝的双向数据交换，且该两种软件自身的建模功能很强大。而ABAQUS软件的CAE模块和输入文件两种建模方式是由两家不同的公司研制的，CAE模块功能还不是很完全，一些功能只能通过编辑INP输入文件来实。三种软件都提供多种网格划分器，可以进行复杂模型的自由

网格划分。

除常见网格划分外，ANSYS软件和ADINA软件还可以对复杂模型进行自动六面体网格划分，从而在节省技术人员工作时间的情况下又保证了网格的精度。ANSYS软件的命令流操作非常方便，对于结构循环优化方面比较有优势，但目前还只是局限于线性方面，非线性方面功能很差而且基本没有。

ABAQUS软件则在显式非线性方面有些特色，但隐式非线性方面比不上ADINA，且不具备流体的功能。

ADINA软件在结构非线性及多物理场耦合方面非常出色，是全球非线性功能最强大的有限元软件之一，而且具有全球最好的流固耦合分析功能。

结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS

流体分析能力排名：ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS

耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS

性价比排名：ADINA、BAQUS、ANSYS、MSC

综合上述分析，本课题可以使用ADINA、ANSYS对流固耦合场进行分析，但是不知道ANSYS的非线性能力缺失会对仿真造成什么影响。

二、Femlab(Comsol)

COMSOL Multiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox 1.0。后来改名为Femlab 1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab3.1。从2003年3.2a版本开始，正式命名为COMSOL Multiphysics。

COMSOL Multiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。

预定义的多物理场应用模式， 能够解决许多常见的物理问题。同时，用户也可以自主选择需要的物理场并定义他们之间的相互关系。当然，用户也可以输入自己的偏微分方程（PDEs），并指定它与其它方程或物理之间的关系。

完全开放的架构，用户可在图形界面中轻松自由定义所需的专业偏微分方程。任意独立函数控制的求解参数，材料属性、边界条件、载荷均支持参数控制。专业的计算模型库，内置各种常用的物理模型，用户可轻松选择并进行必要的修改。内嵌丰富的 CAD 建模工具，用户可直接在软件中进行二维和三维建模。全面的第三方 CAD 导入功能，支持当前主流CAD 软件格式文件的导入。强大的网格剖分能力，支持多种网格剖分，支持移动网格功能。

三、Flac

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）（快速拉格朗日分析）是由Itasca公司研发推出的连续介质力力学分析软件，是国际通用的岩土工程专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在大变形问题的分析方面具有独特的优势。软件提供的针对岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更突出了FLAC的“专业”特性，因此在国际岩土工程界非常流行。

FLAC有二维和三维计算软件两个版本，即FLAC2D（1984）和FLAC3D（1994）。FLAC V3.0以前的版本为DOS版本，V2.5版本仅仅能共使用计算机的基本内存（64KB），因而求解的最大节点数仅限于2000个以内。1995年，FLAC2D升级为V3.3的版本，由于能够扩展内存，因此大大增加了计算规模，FLAC2D目前已发展到V5.0版本。FLAC3D作为FLAC的扩展程序，不仅包括FLAC的所有功能，并且在其基础上进行了进一步开发，使之能够模拟计算三维岩、土体及其他介质中工程结构的受力与变形形态。

FLAC3D目前已发展到V3.1版本。FLAC可以模拟由土、岩石和其他在到达屈服极限时会发生塑性流动的材料所建造的建筑物和构筑物。FLAC将计算区域划分为若干四节点平面应变等参单元，每个单元在给定的边界条件下遵循制定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法。拉格朗日算法非常适合于模拟大变形问题，

FLAC采用了显示有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法“。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法“更为准确、合理。

Flac3D网格中的每个区域可以给以不同的材料模型，并且还允许指定材料参数的统计分布和变化梯度。而且，还包含了节理单元，也称为界面单元，能够模拟两种或多种材料界面不同材料性质的间断特性。节理允许发生滑动或分离，因此可以用来模拟岩体中的断层、节理或摩擦边界。 FLAC3D还包含了模拟区域地下水流动、孔隙水压力的扩散以及可变形的多孔隙固体和在孔隙内粘性流动流体的相互耦合。流体被认为是服从各向同性的达西定律。流体和孔隙固体中的颗粒是可变形的，将稳态流处理为紊态流可以模拟非稳态流。同时能够考虑固定的孔隙压力和常流的边界条件，也能模拟源和井。流体模型可以与结构的力学分析独立进行。

与大多数程序采用数据输入方式不同，FLAC采用的是命令驱动方式。命令字控制着程序的运行。在必要时，尤其是绘图，还可以启动FLAC用户交互式图形界面。

为了建立FLAC计算模型，必须进行以下三个方面的工作：

1. 有限差分网格

2. 本构特性与材料性质

3. 边界条件与初始条件

四、Petrel

Petrel是一个共享地球模型工具，由斯伦贝谢公司出品，通过一个公用的数据模型发现油藏规律。在一项应用中，地球物理学、地质学、岩石物理学和生产数据均能被导入、产生可视化，易于所有工作组成员存取。

Petrel是一套目前国际上占主导地位的基于 Windows 平台的三维可视化建模软件，它集地震解释、构造建模、岩相建模、油藏属性建模和油藏数值模拟显示及虚拟现实于一体，为地质学家、地球物理学家，岩石物理学家，油藏工程人员提供了一个共享的信息平台。同时，Petrel应用了各种先进技术：强大的构造建模技术、高精度的三维网格化技术、确定性和随机性沉积相模型建立技术、科学的岩石物理建模技术、先进的三维计算机可视化和虚拟现实技术。 Petrel的强大功能不仅可以使用户提高对油藏内部细节的认识、精确描述透视油藏属性的空间分布、计算其储量和误差、比较各风险开发模型、设计井位和钻井轨迹、无缝集成油井生产数据和油藏数模数值模拟器、发现剩余油藏和隐蔽油藏，从而极大地降低开发成本。同样重要的是，Petrel提供的数字模型及虚拟现实技术使技术总工和管理决策者不再限于传统方式那样审查报告图集和听取多媒体介绍来综合决策， 他们和专业人员一起，通过声控或其它交互，浸入到工作区的圈闭和油藏周围，甚至沿着要布的井迹，

触摸那些储层，亲临其境地检查成果，调看不同思路的建模和模拟结果，从而达到降低风险，优化决策。Petrel以更快、更精确、更为经济的技术手段满足了精细地质研究对软件的需求。

五、结论

综合上述分析，本课题的仿真可以使用

Femlab(Comsol)、Flac、Petrel。 ADINA、ANSYS、