EnFEM---一个小型的有限元分析教学软件

1 引言

随着计算力学理论和计算机硬件技术的发展, 数值模拟技术越来越多地从学术界进入到工业界, 用于岩土工程项目的可行性分析, 设计和预测. 其中二维有限元软件在实践中应用最广, 这样的工业软件有: Plaxis, Sigma/W, RS2, Midas-GTS等. 这个笔记简要介绍一个小型有限元分析软件EnFEM. 之所以说是小型, 是因为它的安装文件只有65M, 比起上述软件的安装要小得多. 下面简要描述这个软件最核心的部分.

2 本构模型

有限元分析第一个核心部分是本构模型的选择, 它揭示了岩土的应力应变关系. EnFEM目前包含有7种本构模型, 其中Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Cam-Clay模型在岩土工程中最为常用. 

3 单元类型

有限元分析第二个核心部分是单元类型的选择. EnFEM提供了四种单元类型,如下图所示, 两种四边形单元和两种三角形单元. 其中8节点的Q8单元是优先选择的单元, 也是程序默认的单元类型.

4 分析设置

如同大多数有限元软件一样, EnFEM提供了分析设置, 可以选择求解器, 也可以自定义收敛准则. 同时也可以定义问题的分析类型: 平面应变, 平面应力和轴对称.

5 安全系数

EnFEM也可以计算边坡整体安全系数, 采用了类似强度折减系数法技术, 不过这种折减不是自动的, 必须通过手工输入Field Variable来实现, 而且安全系数必须手工计算,因此这是一种非常低效率的设计方法. 

6 其它功能

尽管EnFEM很简单, 但也包含了岩土有限元分析的一些基本功能, 例如土-结构的相互作用. EnFEM能处理三种相互作用模式: 两种材料没有接触; 两种材料接触但不滑动; 两种材料接触而且滑动. 接触可分为法向接触和切向接触. 此外, EnFEM也能模拟简单的分步开挖问题. 对于土初始应力的估计, EnFEM提供了三种方法来计算.   

7 结果输出

EnFEM可以输出应力,应变和位移. 下图所示的是边坡水平位移的等值线图和应变剪切带图.

8 结束语

EnFEM与其它商业有限元软件相比要简单得多, 它缺失了一些工程应用研究应有的东西, 不过, 它包含了现代有限元软件的基本特征, 包括前处理, 计算和后处理过程, 目前的版本是2019.1.1(2019年5月发布), 已经有两年没有更新过. 总的来说, EnFEM作为有限元课程的教学软件还是不错的, 完全能满足一般的教学要求.