Abaqus简史：“黑科技”之路

编者荐语：

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以下文章来源于USim ，作者邓怡超

Abaqus的故事要从来两个自英国的年轻人说起。

时间拨回到上个世纪60年代末，一个冬日的上午，伦敦市中心的苹果公司总部（当然，不是乔帮主的那个）屋顶，John Lennon正抱着一把Gibson大肚琴和他的披头士乐队扯着嗓子唱“Don’t let me down…”，这是一场没有宣传的音乐会，没人知道他们怎么会突然出现在这，一会儿的功夫，屋顶和街道挤满了人，城市正常的秩序被打破，警察很快过来制止了他们，这场42分钟的表演，最终成为他们职业生涯的最后一次公开演出，也标志着音乐界一个时代的结束。

与此同时，在大洋彼岸的美国布朗大学，有两个英国人正忙于一个非线性有限元程序的开发，没有多少人察觉，学术界的一个崭新时代，悄然而至。

这个程序就是MSC.Marc的前身，它是世界上第一款商业化的非线性有限元求解器。

Abaqus简史涉及的主要人物

而这两位年轻人就是Pedro Marcal教授和David Hibbitt博士。为了学习更多的力学，David从剑桥来到美国罗德岛州普罗维登斯的布朗大学读博，他在自己的固体力学博士生涯快结束的时候更换了指导教授，新的导师就是Pedro，一位从伦敦来的助理教授，他带了两盒装有SAP有限元程序的打孔卡，试图扩展这些程序，以便用于非线性问题，比如塑性和大变形。恰好此时的David发现自己对Fortran编程有浓厚兴趣，并且非常热衷于将固体力学应用于工程，两人不谋而合。

 年轻时的David Hibbitt骑着他的文森特黑影

彼时距离Ray W Clough等人在有限元领域开创性的工程应用已有十几年了，人们也逐渐意识到有限元方法的潜力。当时已经存在几种商业有限元代码，但都只能处理线性问题，David和Pedro都确信非线性有限元代码的工程应用前景相当广阔。

01. 首次涉足非线性领域

Marc程序是以David的博士论文为基础开发的，该论文由美国海军的一项合同资助，要求开发一种有限元方法，以便对潜艇壳体的多道次焊接进行建模，并预测由残余变形引起的性能损失。为此，他必须首先开发出传热分析的能力，以解决熔融金属凝固时的潜热效应，并结合预测的温度来模拟多道次焊接过程中结构的机械响应，包括塑性和蠕变，最后对扭曲变形的壳体结构进行屈曲分析。

David回忆，“那是一项艰巨的任务，远远超出了计算机的性能。” 整个布朗大学当时只有一台IBM360/50计算机，这意味着可以分配给研究人员的时间相当有限。我们知道，如今一部手机的计算能力是此类计算机的数千万倍，而运行有限元程序要求计算机具有远远超过手机的处理能力，所以，当时问题的困难程度可想而知。

随着研究的进展，Pedro的团队接到的电话越来越多，来自各个行业的人都在询问Marc是否可以帮助他们。生意就这样开始了，Pedro于1971年成立了Marc Analysis公司，David作为公司的次要共同所有人，也是第一位全职员工。随着公司的成长，Paul Sorensen加入了一段时间，后来为了攻读断裂力学博士学位而离职，毕业后他在底特律的通用汽车研究实验室工作，直到后来他加入David Hibbitt和Bengt Karlsson，三个人合伙创立了HKS公司。

Marc公司按“每小时付费”的方式在控制数据公司（美国CDC公司）的大型计算机上运行程序，瑞典斯德哥尔摩数据中心的CDC分析师Bengt Karlsson在使用Marc程序之后，发现它很不错，然后他就加入了Marc公司。当Pedro辞去布朗大学的教职，搬到加利福尼亚开展新的业务时，David和Bengt选择和开发小组一起留在了罗德岛州，他们俩后来发现Marc实际使用起来很难满足大多数工程师的需求，因为这些工程师的主要目的是设计，并非研究代码，因此没有时间重建或调试代码，换言之，当时的程序通用性太差，需要极强的专业能力才能使用。

David说：“我们认为当前的明智之路是为需要进行非线性计算的工程师开发出一个强大的‘黑盒子’工具。”但是不幸的是，Pedro对这种投资没有兴趣。

02. 开发一个全新的程序

David和Bengt决定自己尝试，David回忆说，“几乎每个人都说我们会失败，因为当时已经有22个可行的有限元程序，业务竞争很激烈，而且即便当时最强的计算机也很难进行实际尺寸的非线性计算，所以我们无论是开发新的线性或非线性程序，都不会成功。”

好在他们有足够的积蓄养家糊口并支付一年的抵押贷款，所以，他们构思了ABAQUS软件，第一个LOGO形象是一个完整的中国算盘，上面有一个信息，它的珠子设定为公司正式成立的日期：1978年2月1日。他们本打算直接将软件命名为算盘ABACUS，但此商标已被注册使用，于是聪明的将字母“C”改成了“Q”。

ABAQUS早期LOGO与含义

许多科技公司都始于破旧的车库，与之相比，David和Bengt拥有的农舍前厅要相对豪华一些，David经常在餐桌上使用妻子Susan租来的IBM Selectric打字机进行工作。

“我们是一家软件公司：没有软件，没有计算机，没有客户或潜在客户，几乎没有钱”David如实说。他们首先编写了《用户手册》，旨在使问题定义变得简单而直观，然后设计了系统的代码架构，同时也编写了《理论手册》。

在那段比较艰难的日子里，David也在德克萨斯大学奥斯汀分校以副教授的身份给研究生讲授塑性力学课程，通勤期间经常在飞机上编写代码，他从事这项工作是为了补贴自己的公司。

据David回忆，当时租用“超级计算机”的价格是白天每小时1000美元，夜间每小时400美元，所以他们经常带着做好的打孔卡程序，驱车100公里到沃尔瑟姆（Waltham），在夜间使用IBM计算机，然后第二天检查运行结果，找出程序出了什么问题。

1978年6月，一次ASME会议上偶然的机会，David与汉福德核发展基地实验室（Hanford nuclear Development Site）建立了合作，该实验室需要解决快速增殖反应堆燃料棒的接触问题，合同要求9月底交付代码，在克服一些困难之后，David和Bengt为他们的首个客户提供了ABAQUS的第一个版本。

“我们知道，如果在三个月内交付不了代码，我们就拿不到一分钱”Bengt说，“那是一次很大的鞭策！”他们按时交付了15000行的FORTRAN代码，包含四种单元：beam、gap、truss和SPHEX，用来模拟热膨胀、蠕变、以及燃料棒和约束装置中金属的辐射溶胀。

1978年圣诞节，Paul Sorensen到普罗维登斯探望岳父母时，也拜访了David和Bengt，一番交流之后，Paul决定加入他们。所以他们的公司成为了HKS公司，这是由三个人姓氏的首字母组成的名字，Paul在稳态裂纹扩展有限元模拟方面的背景对HKS公司首批客户的项目是十分有利的。

另一个早期客户是埃克森美孚生产研究公司（Exxon Production Research），该公司需要一套用于海上管道安装和海上立管分析的代码，这套代码就是现在Abaqus/Aqua的前身。“技术上的困难是数百英尺长的10英寸管道的长细比太大，”David回忆，“在涉及大运动的情况下，通常基于刚度的梁单元无法解决这一问题。因此，我们研究了混合单元的使用。”混合梁和牵引链单元对于这种分析的成功至关重要，今天仍在使用。

03. Abaqus的快速发展

80年代，ABAQUS的功能随着HKS员工的增加而持续增长，补充了壳和连续体单元，以及对塑性、动力学、传热等过程的模拟功能。“每个客户对我们都很重要，他们的需求推动了我们的发展，”Bengt说，“但是我们始终意识到在提供实用功能的同时，一定要保持代码的通用性。”

早期HKS工作人员为客户安装ABAQUS

在那些日子，每当有新客户购买许可证时，HKS工作人员都会到客户现场去安装ABAQUS软件，他们会把磁带上的源代码带到客户那里，编译程序并使其可以运行，然后执行所有示例文件，最后检查打印输出。

 现代计算机的出现使打孔卡进入历史书籍，ABAQUS具备在这些强大的计算机上运行的技术，它在学术和工程界中逐渐建立起盛誉。未来数十年高性能计算的爆炸式增长，为ABAQUS每个新版本的发展提供了动力，其模型在单元数量和自由度方面都实现了飞跃，在计算效率和3D可视化方面的能力日益增强。

当然按照今天的标准，当时的FEA仍处于起步阶段。然而对于HKS来说，非线性分析市场已经存在。

04. 前后处理与显式动力学

随着ABAQUS求解器功能的不断开发，很明显，如果没有前处理器来解决复杂建模问题，并通过后处理器以图形的方式查看结果，它很难作为独立产品继续下去。

早期FEA工程师不得不通过打印表来分析计算结果，但是，展望未来，《 ABAQUS 4.0用户手册》中建议“以图形或图片形式显示结果，对于大多数问题，比数字列表更为高效”。为了满足这种需求，诞生了“绘图输出文件”的概念，通过这种方式，用户可以在分析中插入间隔地输出应力或位移的绘图命令，生成一个绘图文件并在绘图仪上绘制，那时要花半天时间才完成几百个单元的云图绘制工作。

后来到了1987年，不再需要外接一个绘图仪了，ABAQUS/Post作为一个独立的后处理器发布，具有图像显示和命令输入的功能。

第一款后处理器ABAQUS/Post

开发前、后处理器是ABAQUS团队多年来的一项挑战。“我们想要一个完全交互式的代码”David说，所以HKS为ABAQUS/CAE的研发投入了大量资金，而ABAQUS/CAE旨在成为求解器的窗口，用户可以轻松地创建、管理和可视化复杂的仿真模型，并针对特定应用定制专属的ABAQUS界面。

ABAQUS/CAE的第一个版本

在能够进行前、后处理的同时，还必须投入大量精力来开发自己的商业显式动力学代码。David说，“当时，ABAQUS/Explicit的主要目标是冲击分析，但是，与其他竞争产品不同，我们非常小心，不能为了提高计算速度而以牺牲质量为代价。”ABAQUS/Explicit的第一个正式版本于1992年交付MIT。ABAQUS/Viewer作为独立产品于1998年发布，与之功能相同的是1999年首发的ABAQUS/CAE中的可视化模块。

05. Abaqus“黑科技”与多元化的SIMULIA

经过23年的领导，David Hibbitt于2001年退休，Bengt Karlsson和Paul Sorensen在第二年也效仿。在公司成立25周年之际，2002年11月，HKS公司更名为ABAQUS公司。2005年，ABAQUS公司被达索收购（此后作为软件的Abaqus变为首字母大写），成立为达索系统SIMULIA品牌总部仍在罗德岛州。

 42年的不断发展，Abaqus FEA已经具备强大的多物理场分析能力，支持非常丰富的单元库、材料本构模型和二次开发接口。在各个行业，越来越多的科研、工程人员倾向于使用这个“黑科技”来解决自己遇到的问题。

Marco Parente博士研究胎儿顺产的不同胎位对盆底肌肉的损伤时，非常明智的选择了Abaqus软件，因为通过UMAT/VUMAT可以方便的开发出具有主动收缩能力的超弹性材料本构模型，他成功的搭建好有限元模型并进行了研究分析，这项成果在胎儿顺产时对产妇造成可能性伤害的预估方面非常有意义。

枕后位对盆底肌肉造成更多损害

枕前位是最佳分娩胎位

Abaqus不断进化的同时，SIMULIA也在多元化发展，流体、疲劳和耐久性、注塑、多体、优化、电磁、声学等方面也增加全新的功能。Abaqus的吸引力带来了其他一些优秀产品，XFlow、fe-safe、SIMPOE-Mold、SIMPACK、Tosca、Isight、CST、WAVE6等，这些产品的开发者与HKS的创始人一样，有着同样的热情，热衷于解决最棘手的仿真问题。

Living Heart Project

当David Hibbitt带上Living Heart Project负责人Steve Levine递给他的3D眼镜，看到眼前这颗人体心脏模型时，他感到很欣慰，这个数字化的“活体心脏”在周期性的跳动、内部有血液涌出瓣膜、心室肌肉组织由复杂的各向异性超弹性材料模拟…Abaqus现在的发展在某种程度上已经超乎这位创始人最初的想象。

事件时间线

2019年4月，David Hibbitt在MIT发表了一次公开演讲，从历史、技术、市场与规划等几个方面介绍了Abaqus，他讲到了公司只有3个员工时是如何写程序的，讲到了与汉福德核试验基地的项目……最后以龚智慧做的愤怒的小鸟Abaqus模拟作为ending，在愉快的氛围中结束了演讲。上个月龚大神给我发送了这个模型的inp文件，我在感谢信中提及此事，他表示自己也是刚刚从SIMULIA的同事那里得知Hibbitt博士提到了他的模型，他感到非常荣幸。