有限元軟件的比較與選擇

張佳

針對目前使用較多的有限元仿真軟件進行了介紹，并分別利用ANSYS與ABAQUS軟件對車削過程進行了仿真模擬，基于仿真過程與模擬結果，對兩種軟件進行了比較與分析。

隨著計算機應用技術和有限元理論的不斷進步，出現了許多功能強大的有限元軟件，目前通用有限元軟件使用較多的有ANSYS、MSC，專用軟件有ABAQUS、LS-DYNA、DEFORM 等軟件。這些軟件都有自己的特點，適合解決不同類型的工程問題，具體工程問題可以選擇針對性的有限元軟件進行分析。

1.有限元軟件介紹

（1）ANSYS軟件是一款使用率較高應用廣泛的通用有限元軟件，由于其用戶操作界面簡便，適應性好，可以用來解決結構、熱、流體、電磁等問題；但是由于它適用范圍廣，針對性不足。在分析切削問題時，材料應力應變曲線為非線性曲線，而ANSYS求解器仍然使用直線，因此當材料達到應力極限后，工件出現損壞斷裂時，不會出現失效的地方，只在損壞的位置標記出來。切屑分離的情況這樣很難模擬出來。要解決這個問題，需要對ANSYS軟件進行二次開發，使用編程語言，比較耗時，難度較大。

（2）DEFORM軟件是目前研究領域使用較廣的一款專用商業軟件，可以分析各種金屬的成形過程，它的材料庫種類多達146種，尤其適合針對三維模型的仿真模擬。DEFORM可自動觸發重新劃分網格，自動生成邊界條件，除了具有較全的材料模型種類外，還可以進行自定義，在耦合求解方面也非常方便。但是在處理金屬切削問題時，需要進行復雜的二次開發工作，由于單元運動消除模型和傳熱系數失真，預測誤差較大，效率低。

（3）ABAQUS軟件是由美國 Hibbitt、Karlsson & Sorensen （HKS）公司所開發的大型非線性基于有限元方法的有限元工程模擬軟件。ABAQUS作為一種通用的模擬工具，能夠分析解決復雜的固體力學和結構力學問題，模擬質量擴散、熱傳導、各類熱偶問題、粘彈性及粘塑性等繁瑣的模型。

在非線性問題的分析中，ABAQUS軟件在分析金屬切削問題時，可以自動的選擇適合的收斂準則，在分析的過程中不斷選擇和調整載荷增量，增加了分析的準確性。由于ABAQUS軟件提供了適合的損傷斷裂模型，分離準則，以及接觸摩擦模型，網格自適應劃分等功能，使用ABAQUS的Johnson-Cook斷裂準則和材料失效準則，以及庫侖摩擦模型，ALE自適應網格劃分功能，可以有效分析40Cr切削過程。

2.ANSYS與ABAQUS模擬切削問題對比

在對40Cr材料進行切削仿真模擬中，分別利用ANSYS與ABAQUS進行了模擬，比較兩種軟件在模擬過程中的優缺點。

（1）ANSYS與ABAQUS軟件模擬過程對比

①操作界面方面，ANSYS分析問題的特點是操作頁面比較簡潔，GUI語言功能可以快速簡單的操作軟件，另外二次開發的語言比較豐富，專業人員可以較好地進行針對性開發。例如研究熱力耦合的問題，可以通過設置不同的單元類型，將切削變形與熱量變化結合起來建立關系式，更加符合真實的切削過程。

②在幾何模型建立方面，ANSYS可以直接繪制圖形，操作比較簡單，如果需要建立的圖形比較復雜時，也可以選擇利用其它軟件繪制后，進行圖片導入。該功能與ABAQUS軟件繪制功能相比基本相似，都可以進行復雜多樣的圖形繪制和建立。單元類型中ANSYS與ABAQUS軟件建模中都選擇了二維平面單元進行建模。

③在材料模型的建立方面，ANSYS通用的屈服準則是VONMSIES屈服準則，在解決40Cr切削模擬中也適用，同樣ABAQUS 軟件模擬仿真時也選擇了該屈服準則。另外在ANSYS模擬切削問題時選用的強化準則是多線性等向強化（MSIO）準則。由于切削問題是大應變問題，應力與應變曲線的設置在大應變求解中，輸入和結果都采用了真實（或對數）應力、應變，比較接近真實應力情況。而使用ABAQUS 軟件模擬切削時使用了Johnson-Cook本構方程來反應應力應變的情況。

④網格劃分方面，ANSYS網格劃分方法比較多，可以根據設置的網格形狀、面積大小自動劃分網格，或者設置各邊的疏密程度來進行劃分。在本文中，選擇了手動設置工件的網格，并且在切屑層部分，網格劃分的較密，方便進行有限元計算。同樣的ABAQUS 軟件中也都包含了類似功能，兩種軟件在網格劃分方面各有特色。

⑤接觸問題的設置方面，ANSYS與ABAQUS一樣有多種接觸類型，在處理切削問題時兩種軟件的選擇是一致的，由于工件的硬度遠小于刀具，所以接觸類型選擇的是剛體對柔體的接觸中面面接觸，工件設為柔體，刀具設為剛體。

⑥另外在邊界條件和載荷的設置方面，ANSYS軟件同ABAQUS一樣，限制了刀具的Y方向的運動以及工件的底部X和Y兩個方向的運動，同時給刀具施加了一個初始運動。

利用ANSYS分析40Cr切削過程時，采取了非線性問題的求解，求解過程中激活大變形分析功能，設置適合的迭代值，進行求解。在對結果分析中，其結果提取方式與ABAQUS相似，形式多樣，包括彩色云圖，數據列表，動畫演示等。

（2） ANSYS與ABAQUS軟件模擬結果對比與分析

使用ANSYS軟件進行切削模擬，雖然進行了若干種嘗試，但是效果都不好，無法實現正常的切削過程模擬，最主要問題是切屑形成分離問題。

在解決切屑分離的過程中有兩種思路，第一種是利用幾何分離準則的方法，對切屑層和工件表面對應的節點進行相互關聯，在刀具切削之前形成一個完整工件，刀具接近切削位置后，切屑層與工件之間的節點自動分離，切削后出現切屑分離的效果。

但是在切屑層與工件之間建立合理的關聯方程，是比較復雜的，簡單的約束方程只能實現連接這兩個點，但是不能在刀具接近該位置后，實現這兩個節點的分離。簡單的關聯節點的方法不可行，復雜關系的方程編寫，需要進行二次編程開發該程序，難度較大；

第二種方法是將工件設為一個整體，模仿正常切削的模式加載載荷，采用物理分離準則，根據物理分離準則的要求，當切削物理值超過預先設計好的分離標準值時，切屑形成后離開工件，達到切屑分離的目的，但是該方法在ANSYS中無法找到收斂的應力應變值，造成工件雖然發生了大的變形，仍然無法形成切屑，反而軟件在計算過程中由于計算量過大而中途被迫停止，工件不能實現分離，仍然不能反映真實的切削情況。提取模擬失敗后的圖形，可以看到變形部位比較大，主要是由于本來應該形成切屑部分的材料未脫離工件造成的。

在利用ANSYS進行切削分析時還有一個比較難以解決的問題，就是熱力耦合的處理方法比較繁瑣，通常使用間接耦合求解的方法，先要對模型進行溫度場的分析經過二次開發程序，計算出溫度場中的節點溫度后，需要退出求解器，重新轉換模型的單元類型，設置新的力學屬性，同時讀取前一步的計算結果，再加載到第二步的應力分析過程中。在分析穩定切削耦合問題之前還要預設好切屑的剪切角度，早期ANSYS版本中可以進行平面耦合單元的類型不多，這也造成對這一類問題求解的不準確性，復雜性。而在ABAQUS模擬過程中可以直接對溫度和應力進行耦合，求解過程簡單，無需二次編程。

總結

歸納ANSYS分析過程失敗的原因，主要是由于ANSYS在靜力分析中比較適合，采用真實應變曲線是不收斂的，求解后的結果顯示，工件沒有出現斷裂，模擬結果不理想。如果想要解決這個問題，還需要通過改變切削模型本構方程，運用正確的約束方程等編程語言進行二次開發，過程較為復雜。用ABAQUS軟件進行分析，能較好解決非線性的切削問題，熱力耦合問題，不需要進行復雜的二次編程問題，而且求解方法比較簡單，計算速度較快。

（作者單位：徐州技師學院）