隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機組和更為精密的機械設備。這一切都要求工程師在設計階段就能精確地預測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對結構的靜、動(dòng)力強度以及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和滲流等技術(shù)參數進(jìn)行分析計算。例如分析計算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會(huì )發(fā)生破壞性事故；分析計算核反應堆的溫度場(chǎng)，確定傳熱和冷卻系統是否合理；分析渦輪機葉片內的流體動(dòng)力學(xué)參數，以提高其運轉效率。這些都可歸結為求解物理問(wèn)題的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年來(lái)在計算機技術(shù)和數值分析方法支持下發(fā)展起來(lái)的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法則為解決這些復雜的工程分析計算問(wèn)題提供了有效的途徑。我國在"九五"計劃期間大力推廣CAD技術(shù)，機械行業(yè)大中型企業(yè)CAD的普及率從"八五"末的20%提高到目前的70%。隨著(zhù)企業(yè)CAD應用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖板，而將主要精力投身如何優(yōu)化設計，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計算機輔助工程分析（CAE，Computer Aided Engineering）方法和軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統的集成應用使設計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現在以下幾個(gè)方面：增加設計功能，減少設計成本；
    縮短設計和分析的循環(huán)周期；
    增加產(chǎn)品和工程的可靠性；
    采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗或成本；
    在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現潛在的問(wèn)題；
    模擬各種試驗方案，減少試驗時(shí)間和經(jīng)費；
    進(jìn)行機械事故分析，查找事故原因。 
　　在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自行車(chē)到航天飛機，所有的設計制造都離不開(kāi)有限元分析計算，FEA在工程設計和分析中將得到越來(lái)越廣泛的重視。下圖是美國舊金山海灣大橋地震響應計算的有限元分析模型。
　　發(fā)展方向及重大進(jìn)展國際上早20世紀在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強大功能的有限元分析程序。其中最為著(zhù)名的是由美國*宇航局（NASA）在1965年委托美國計算科學(xué)公司和貝爾航空系統公司開(kāi)發(fā)的NASTRAN有限元分析系統。該系統發(fā)展至今已有幾十個(gè)版本，是目前世界上規模*、功能最強的有限元分析系統。從那時(shí)到現在，世界各地的研究機構和*也發(fā)展了一批規模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專(zhuān)用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。當今國際上FEA方法和軟件發(fā)展呈現出以下一些趨勢特征：
　　1 從單純的結構力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題有限元分析方法最早是從結構化矩陣分析發(fā)展而來(lái)，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來(lái)有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉*的問(wèn)題。例如當氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的流動(dòng)……這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的有限元分析結果交叉迭代求解，即所謂"流固耦合"的問(wèn)題。
　　2 由求解線(xiàn)性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線(xiàn)性問(wèn)題隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線(xiàn)性理論已經(jīng)遠遠不能滿(mǎn)足設計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現，就要求考慮結構的大位移和大應變等幾何非線(xiàn)性問(wèn)題；航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變形和熱應力，也要考慮材料的非線(xiàn)性問(wèn)題；諸如塑料、橡膠和復合材料等各種新材料的出現，僅靠線(xiàn)性計算理論就不足以解決遇到的問(wèn)題，只有采用非線(xiàn)性有限元算法才能解決。眾所周知，非線(xiàn)性的數值計算是很復雜的，它涉及到很多專(zhuān)門(mén)的數學(xué)問(wèn)題和運算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國外一些公司花費了大量的人力和投資開(kāi)發(fā)諸如MARC、ABQUS和ADINA等專(zhuān)長(cháng)于求解非線(xiàn)性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應用于工程實(shí)踐。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線(xiàn)性求解器以及豐富和實(shí)用的非線(xiàn)性材料庫。
　　3 增強可視化的前置建模和后置數據處理功能早期有限元分析軟件的研究重點(diǎn)在于推導新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著(zhù)數值分析方法的逐步完善，尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計算系統用于求解運算的時(shí)間越來(lái)越少，而數據準備和運算結果的表現問(wèn)題卻日益突出。在現在的工程工作站上，求解一個(gè)包含10萬(wàn)個(gè)方程的有限元模型只需要用幾十分鐘。但是如果用手工方式來(lái)建立這個(gè)模型，然后再處理大量的計算結果則需用幾周的時(shí)間?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，工程師在分析計算一個(gè)工程問(wèn)題時(shí)有80%以上的精力都花在數據準備和結果分析上。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統都有功能很強的前置建模和后置數據處理模塊。在強調"可視化"的今天，很多程序都建立了對用戶(hù)非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶(hù)能以可視圖形方式直觀(guān)快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數據，并按要求將大量的計算結果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數據的列表輸出。
　　4 與CAD軟件的無(wú)縫集成當今有限元分析系統的另一個(gè)特點(diǎn)是與通用CAD軟件的集成使用 即,在用CAD軟件完成部件和零件的造型設計后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計算，如果分析的結果不符合設計要求則重新進(jìn)行造型和計算，直到滿(mǎn)意為止，從而極大地提高了設計水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個(gè)在以前無(wú)法應付的復雜工程分析問(wèn)題。所以當今所有的商業(yè)化有限元系統商都開(kāi)發(fā)了和著(zhù)名的CAD軟件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。
　　5 在Wintel平臺上的發(fā)展早期的有限元分析軟件基本上都是在大中型計算機（主要是Mainframe）上開(kāi)發(fā)和運行的，后來(lái)又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺，它們的共同特點(diǎn)都是采用UNIX操作系統。PC機的出現使計算機的應用發(fā)生了根本性的變化，工程師渴望在辦公桌上完成復雜工程分析的夢(mèng)想成為現實(shí)。但是早期的PC機采用16位CPU和DOS操作系統，內存中的公共數據塊受到限制，因此當時(shí)計算模型的規模不能超過(guò)1萬(wàn)階方程。Microsoft Windows操作系統和32位的Intel Pentium處理器的推出為將PC機用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺。因此當前國際上著(zhù)名的有限元程序研究和發(fā)展機構都紛紛將他們的軟件移值到Wintel平臺上。下表列出了用ADINA V7.3版在PC機的Windows NT環(huán)境和SGI工作站上同時(shí)計算4個(gè)工程實(shí)例所需要的求解時(shí)間。從中可以看出*高檔PC機的求解能力已和中低檔的EWS不相上下。

 為了將在大中型計算機和EWS上開(kāi)發(fā)的有限元程序移值到PE機上，常常需要采用Hummingbird公司的一個(gè)仿真軟件Exceed。這樣做的結果比較麻煩，而且不能充分利用PC機的軟硬件資源。所以最近有些公司，例如IDEAS、ADINA和R&D開(kāi)始在Windows平臺上開(kāi)發(fā)有限元程序，稱(chēng)作"Native Windows"版本，同時(shí)還有在PC機上的Linux操作系統環(huán)境中開(kāi)發(fā)的有限元程序包。
　　國內發(fā)展情況和前景1979年美國的SAP5線(xiàn)性結構靜、動(dòng)力分析程序向國內引進(jìn)移植成功，掀起了應用通用有限元程序來(lái)分析計算工程問(wèn)題的高潮。這個(gè)高潮一直持續到1981年ADINA非線(xiàn)性結構分析程序引進(jìn)，一時(shí)間許多一直無(wú)法解決的工程難題都迎刃而解了。大家也都開(kāi)始認識到有限元分析程序的確是工程師應用計算機進(jìn)行分析計算的重要工具。但是當時(shí)限于國內大中型計算機很少，大約只有杭州汽輪機廠(chǎng)的Siemens7738和沈陽(yáng)鼓風(fēng)機廠(chǎng)的IBM4310安裝有上述程序，所以用戶(hù)算題非常不方便，而且費用昂貴。PC機的出現及其性能奇跡般的提高，為移植和發(fā)展PC版本的有限元程序提供了必要的運行平臺?？梢哉f(shuō)國內FEA軟件的發(fā)展一直是圍繞著(zhù)PC平臺做文章。在國內開(kāi)發(fā)比較成功并擁有較多用戶(hù)（100家以上）的有限元分析系統有大連理工*工程力學(xué)系的FIFEX95、北京*力學(xué)與科學(xué)工程系的SAP84、*農機科學(xué)研究院的MAS5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的MFEP4. 0等。但正如上面所述，國外很多著(zhù)名的有限元分析公司已經(jīng)從前些年對PC平臺不屑一顧轉變?yōu)闊嶂园l(fā)展，對國內FEA程序開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)發(fā)展PC版本不再具有優(yōu)勢，而應該從下面幾方面加以努力：
　　1 研究開(kāi)發(fā)求解非固體力學(xué)和交叉*的FEA程序經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，用于求解固體力學(xué)的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，現在研究的前沿問(wèn)題是流體動(dòng)力學(xué)、可壓縮和不可壓縮流體的流動(dòng)等非固體力學(xué)和交叉*的問(wèn)題。由于國內沒(méi)有類(lèi)似功能的商品化軟件，所以國外的軟件就賣(mài)得非常貴。為了破這種壟斷局面，我們必須發(fā)展有自主版權、用于分析流體等非固體力學(xué)和交叉*的軟件。因為流體力學(xué)問(wèn)題遠比固體復雜得多，而且很少有現成的軟件可以借鑒，所以需要投入大量的人力和經(jīng)費。這就必須有*和大型企業(yè)集團來(lái)支持。
　　2 開(kāi)發(fā)具有*特色的自動(dòng)建模技術(shù)和GUI開(kāi)發(fā)建模技術(shù)和GUI的投入比前述課題要少得多，但卻可以大大提高FEA軟件的性能和用戶(hù)接受程度，從而起到事半功倍的效果。國內不少人在這方面做了很多工作，但是由于當時(shí)PC機上的圖形支撐環(huán)境有限，所以開(kāi)發(fā)的效果都不甚理想。Windows中提供了OpenGL圖形標準，為在PC機上應用可視化圖形技術(shù)開(kāi)發(fā)GUI提供了強有力的工具。OpenGL是當今國際上公認的高性能圖形和交互式視景處理標準，應用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的三維圖形軟件深受專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的鐘愛(ài)，目前世界上占主導地位的計算機公司都采用了這一標準。正如前面所述，近年來(lái)國外有的FEA程序已拋開(kāi)仿真軟件，直接在Windows平臺上開(kāi)發(fā)有限元程序。杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院1997-1999年采用OpenGL圖形標準和相應的Visual C++等編程工具，在PC機上成功地開(kāi)發(fā)了一套可視化有限元程序包。它能直觀(guān)地通過(guò)對"菜單"、"窗口"、"對話(huà)框"和"圖標"等可視圖形畫(huà)面和符號的操作，自動(dòng)建立有限元分析模型，并以交互方法式實(shí)現計算結果的可視化處理，因而可大大提高有限昂分析的效率和精確性，也便于用戶(hù)學(xué)習和掌握。
　　3 與具有我國自主版權的CAD軟件集成前面已經(jīng)講過(guò)，當今有限元方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是和CAD軟件的無(wú)縫集成。作為我國自行開(kāi)發(fā)的FEA程序，首先要考慮和我國自主版權的CAD軟件集成。因為有限元分析主要用于形狀比較復雜的零部件，所以要和具有三維造型功能和CAD軟件集成，使設計和分析緊密結合、融為一體。