有限元软件的比较与选择

张佳

针对目前使用较多的有限元仿真软件进行了介绍，并分别利用ANSYS与ABAQUS软件对车削过程进行了仿真模拟，基于仿真过程与模拟结果，对两种软件进行了比较与分析。

随着计算机应用技术和有限元理论的不断进步，出现了许多功能强大的有限元软件，目前通用有限元软件使用较多的有ANSYS、MSC，专用软件有ABAQUS、LS-DYNA、DEFORM 等软件。这些软件都有自己的特点，适合解决不同类型的工程问题，具体工程问题可以选择针对性的有限元软件进行分析。

1.有限元软件介绍

（1）ANSYS软件是一款使用率较高应用广泛的通用有限元软件，由于其用户操作界面简便，适应性好，可以用来解决结构、热、流体、电磁等问题；但是由于它适用范围广，针对性不足。在分析切削问题时，材料应力应变曲线为非线性曲线，而ANSYS求解器仍然使用直线，因此当材料达到应力极限后，工件出现损坏断裂时，不会出现失效的地方，只在损坏的位置标记出来。切屑分离的情况这样很难模拟出来。要解决这个问题，需要对ANSYS软件进行二次开发，使用编程语言，比较耗时，难度较大。

（2）DEFORM软件是目前研究领域使用较广的一款专用商业软件，可以分析各种金属的成形过程，它的材料库种类多达146种，尤其适合针对三维模型的仿真模拟。DEFORM可自动触发重新划分网格，自动生成边界条件，除了具有较全的材料模型种类外，还可以进行自定义，在耦合求解方面也非常方便。但是在处理金属切削问题时，需要进行复杂的二次开发工作，由于单元运动消除模型和传热系数失真，预测误差较大，效率低。

（3）ABAQUS软件是由美国 Hibbitt、Karlsson & Sorensen （HKS）公司所开发的大型非线性基于有限元方法的有限元工程模拟软件。ABAQUS作为一种通用的模拟工具，能够分析解决复杂的固体力学和结构力学问题，模拟质量扩散、热传导、各类热偶问题、粘弹性及粘塑性等繁琐的模型。

在非线性问题的分析中，ABAQUS软件在分析金属切削问题时，可以自动的选择适合的收敛准则，在分析的过程中不断选择和调整载荷增量，增加了分析的准确性。由于ABAQUS软件提供了适合的损伤断裂模型，分离准则，以及接触摩擦模型，网格自适应划分等功能，使用ABAQUS的Johnson-Cook断裂准则和材料失效准则，以及库仑摩擦模型，ALE自适应网格划分功能，可以有效分析40Cr切削过程。

2.ANSYS与ABAQUS模拟切削问题对比

在对40Cr材料进行切削仿真模拟中，分别利用ANSYS与ABAQUS进行了模拟，比较两种软件在模拟过程中的优缺点。

（1）ANSYS与ABAQUS软件模拟过程对比

①操作界面方面，ANSYS分析问题的特点是操作页面比较简洁，GUI语言功能可以快速简单的操作软件，另外二次开发的语言比较丰富，专业人员可以较好地进行针对性开发。例如研究热力耦合的问题，可以通过设置不同的单元类型，将切削变形与热量变化结合起来建立关系式，更加符合真实的切削过程。

②在几何模型建立方面，ANSYS可以直接绘制图形，操作比较简单，如果需要建立的图形比较复杂时，也可以选择利用其它软件绘制后，进行图片导入。该功能与ABAQUS软件绘制功能相比基本相似，都可以进行复杂多样的图形绘制和建立。单元类型中ANSYS与ABAQUS软件建模中都选择了二维平面单元进行建模。

③在材料模型的建立方面，ANSYS通用的屈服准则是VONMSIES屈服准则，在解决40Cr切削模拟中也适用，同样ABAQUS 软件模拟仿真时也选择了该屈服准则。另外在ANSYS模拟切削问题时选用的强化准则是多线性等向强化（MSIO）准则。由于切削问题是大应变问题，应力与应变曲线的设置在大应变求解中，输入和结果都采用了真实（或对数）应力、应变，比较接近真实应力情况。而使用ABAQUS 软件模拟切削时使用了Johnson-Cook本构方程来反应应力应变的情况。

④网格划分方面，ANSYS网格划分方法比较多，可以根据设置的网格形状、面积大小自动划分网格，或者设置各边的疏密程度来进行划分。在本文中，选择了手动设置工件的网格，并且在切屑层部分，网格划分的较密，方便进行有限元计算。同样的ABAQUS 软件中也都包含了类似功能，两种软件在网格划分方面各有特色。

⑤接触问题的设置方面，ANSYS与ABAQUS一样有多种接触类型，在处理切削问题时两种软件的选择是一致的，由于工件的硬度远小于刀具，所以接触类型选择的是刚体对柔体的接触中面面接触，工件设为柔体，刀具设为刚体。

⑥另外在边界条件和载荷的设置方面，ANSYS软件同ABAQUS一样，限制了刀具的Y方向的运动以及工件的底部X和Y两个方向的运动，同时给刀具施加了一个初始运动。

利用ANSYS分析40Cr切削过程时，采取了非线性问题的求解，求解过程中激活大变形分析功能，设置适合的迭代值，进行求解。在对结果分析中，其结果提取方式与ABAQUS相似，形式多样，包括彩色云图，数据列表，动画演示等。

（2） ANSYS与ABAQUS软件模拟结果对比与分析

使用ANSYS软件进行切削模拟，虽然进行了若干种尝试，但是效果都不好，无法实现正常的切削过程模拟，最主要问题是切屑形成分离问题。

在解决切屑分离的过程中有两种思路，第一种是利用几何分离准则的方法，对切屑层和工件表面对应的节点进行相互关联，在刀具切削之前形成一个完整工件，刀具接近切削位置后，切屑层与工件之间的节点自动分离，切削后出现切屑分离的效果。

但是在切屑层与工件之间建立合理的关联方程，是比较复杂的，简单的约束方程只能实现连接这两个点，但是不能在刀具接近该位置后，实现这两个节点的分离。简单的关联节点的方法不可行，复杂关系的方程编写，需要进行二次编程开发该程序，难度较大；

第二种方法是将工件设为一个整体，模仿正常切削的模式加载载荷，采用物理分离准则，根据物理分离准则的要求，当切削物理值超过预先设计好的分离标准值时，切屑形成后离开工件，达到切屑分离的目的，但是该方法在ANSYS中无法找到收敛的应力应变值，造成工件虽然发生了大的变形，仍然无法形成切屑，反而软件在计算过程中由于计算量过大而中途被迫停止，工件不能实现分离，仍然不能反映真实的切削情况。提取模拟失败后的图形，可以看到变形部位比较大，主要是由于本来应该形成切屑部分的材料未脱离工件造成的。

在利用ANSYS进行切削分析时还有一个比较难以解决的问题，就是热力耦合的处理方法比较繁琐，通常使用间接耦合求解的方法，先要对模型进行温度场的分析经过二次开发程序，计算出温度场中的节点温度后，需要退出求解器，重新转换模型的单元类型，设置新的力学属性，同时读取前一步的计算结果，再加载到第二步的应力分析过程中。在分析稳定切削耦合问题之前还要预设好切屑的剪切角度，早期ANSYS版本中可以进行平面耦合单元的类型不多，这也造成对这一类问题求解的不准确性，复杂性。而在ABAQUS模拟过程中可以直接对温度和应力进行耦合，求解过程简单，无需二次编程。

总结

归纳ANSYS分析过程失败的原因，主要是由于ANSYS在静力分析中比较适合，采用真实应变曲线是不收敛的，求解后的结果显示，工件没有出现断裂，模拟结果不理想。如果想要解决这个问题，还需要通过改变切削模型本构方程，运用正确的约束方程等编程语言进行二次开发，过程较为复杂。用ABAQUS软件进行分析，能较好解决非线性的切削问题，热力耦合问题，不需要进行复杂的二次编程问题，而且求解方法比较简单，计算速度较快。

（作者单位：徐州技师学院）