隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，有限元等數(shù)值方法和有限元軟件在實(shí)際工程中獲得了大量的應(yīng)用。目前已開(kāi)發(fā)的有限元軟件可以粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件，軟件使用者則需要根據(jù)擬解決問(wèn)題選擇合適的巖土工程軟件，提高數(shù)值模型的效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益；軟件開(kāi)發(fā)者則需要關(guān)注有限元軟件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提高軟件的競(jìng)爭(zhēng)力。
隨著數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限單元（finite element）理論和方法已經(jīng)成為數(shù)值仿真技術(shù)的基本方法之一，有限單元法的快速發(fā)展又極大地促進(jìn)了數(shù)值仿真技術(shù)的進(jìn)步，使其廣泛應(yīng)用于航天飛行器、汽車、土木建筑、水利等行業(yè)，具體涉及固體、流體、熱物理、電磁場(chǎng)、多物理場(chǎng)耦合等領(lǐng)域。近年來(lái)，在數(shù)學(xué)家、力學(xué)家和工程師的共同努力下，有限元方法進(jìn)入了新的發(fā)展階段，從基本的有限單元法發(fā)展出廣義有限元法、隨機(jī)有限元法、擴(kuò)展有限元法、多尺度有限元法以及隨機(jī)多尺度有限元法，這些發(fā)展充分地顯示了有限元方法強(qiáng)大的適應(yīng)能力和擴(kuò)展能力。
1、有限元軟件介紹
與有限差分法、有限體積法、邊界單元法、離散單元法以及無(wú)網(wǎng)格法等數(shù)值仿真技術(shù)相比，有限元法在巖土工程中應(yīng)用最為廣泛�？捎糜趲r土工程分析的有限元軟件可粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件。
2、有限元軟件的選擇
如何選擇一個(gè)有限元軟件？看似簡(jiǎn)單，但要求對(duì)所涉及領(lǐng)域，需要解決問(wèn)題的性質(zhì)、以及軟件的求解能力等方面有一個(gè)比較全面的了解。選擇一個(gè)有限元軟件可從以下三個(gè)主要方面進(jìn)行考慮：
* 根據(jù)專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行選擇；
* 根據(jù)財(cái)力進(jìn)行選擇；
* 根據(jù)軟件的求解和計(jì)算能力進(jìn)行選擇。
其中，“根據(jù)專業(yè)問(wèn)題進(jìn)行選擇”，即是否能夠求解目標(biāo)問(wèn)題，是為首要參考依據(jù)；在“根據(jù)財(cái)力進(jìn)行選擇”所描述的財(cái)力允許情況下，應(yīng)盡可能選擇求解和計(jì)算能力強(qiáng)的軟件，一個(gè)可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間的軟件可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，還可以補(bǔ)充以下參考依據(jù)：
* 根據(jù)二維或三維建模能力進(jìn)行選擇；
* 根據(jù)用戶圖形界面(GUI)友好性（簡(jiǎn)單易用性）進(jìn)行選擇；
* 根據(jù)材料模型庫(kù)或單元類型庫(kù)是否豐富將進(jìn)行選擇。
3、有限元軟件的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)各種有限元軟件的特點(diǎn)和不足，可以預(yù)計(jì)有限元軟件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要有：
(1) 用戶圖形界面友好程度的加強(qiáng)
用戶圖形界面（GUI 或Graphics User Interface）是否功能強(qiáng)大易學(xué)易用關(guān)系的軟件的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。用戶圖形界面的設(shè)計(jì)應(yīng)該基于軟件所面向的主要用戶群。如果主要用戶群為工程師，需要軟件盡可能友好，具有快速的網(wǎng)格生成和強(qiáng)大的建模能力，并且盡可能增強(qiáng)軟件的后處理功能，提供多種數(shù)據(jù)的可視化能力（如生成變形圖，等值線圖和動(dòng)畫(huà)等），便于形成計(jì)算結(jié)果的報(bào)表。
當(dāng)前，工程師可以在集成的CAD和數(shù)值模擬軟件環(huán)境中快捷地解決一個(gè)復(fù)雜工程問(wèn)題。所以當(dāng)今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開(kāi)發(fā)了和著名的CAD軟件（例如AutoCAD、Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS等）的接口。有時(shí)，生成的有限元網(wǎng)格質(zhì)量不好或者需要增添新的域，要對(duì)已生成的有限元網(wǎng)格進(jìn)行修改和重生成。因此，有限元軟件技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該考慮盡可能減少網(wǎng)格修改和再生成所帶來(lái)的工作量。
(2) 建模能力從二維擴(kuò)展到三維
盡管某些巖土工程問(wèn)題（例如基坑開(kāi)挖、群樁基礎(chǔ)和曲線隧道等）具有明顯的三維特征，很多數(shù)值模擬仍將其簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程問(wèn)題，有效地揭示巖土工程中某些三維效應(yīng)，應(yīng)盡可能采用三維建模和數(shù)值模擬。由于三維有限元建模需要先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，并且對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件有較高的要求。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和硬件等技術(shù)的快速發(fā)展，目前普通個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)具備很強(qiáng)的三維模型處理能力。有限元軟件的建模能力也開(kāi)始從二維擴(kuò)展到三維。例如，Crisp最初版本只有二維，現(xiàn)在也具備了三維版本；Plaxis在最初的二維平面應(yīng)變軟件基礎(chǔ)上也開(kāi)發(fā)了Plaxis 3D Tunnel和Plaxis 3D Foundation；LS-DYNA 2D 也擴(kuò)展到LS-DYNA 3D。但也有完全在三維基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，如MSC.DYTRAN，就沒(méi)有二維功能。
(3) 從單一物理場(chǎng)和單相問(wèn)題到多物理場(chǎng)多相耦合問(wèn)題
數(shù)值模擬初期只是分析簡(jiǎn)單的單一物理場(chǎng)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)工程通常只研究梁、板和殼等，巖土工程只是研究土體，這些問(wèn)題但可以歸結(jié)為單一的位移場(chǎng)問(wèn)題。而數(shù)值模擬發(fā)展到今天，能夠更加反映實(shí)際的多物理場(chǎng)和耦合物理場(chǎng)開(kāi)始得到重視。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形也可能受到溫度場(chǎng)的影響；巖土工程中土骨架和孔隙水壓力也是相互耦合相互作用的，是個(gè)很典型的流-固耦合問(wèn)題，凍土是一種由固體土顆粒、固態(tài)冰、未凍水和空氣構(gòu)成的四相巖土介質(zhì)，多物理場(chǎng)多相耦合是復(fù)雜巖土介質(zhì)的基本特征。更加復(fù)雜的問(wèn)題可能涉及位移場(chǎng)、液體壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、 磁場(chǎng)和聲場(chǎng)等問(wèn)題。例如，ABAQUS和COMSOL Multiphysics等有限元軟件就具有很強(qiáng)的多物理場(chǎng)多相耦合分析能力。
(4) 從單坐標(biāo)體系擴(kuò)展到多坐標(biāo)體系
早期的數(shù)值模擬軟件通常只采用單一坐標(biāo)系，或采用拉格朗日坐標(biāo)或采用歐拉坐標(biāo)。由于不同問(wèn)題的求解基于不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，基于單一坐標(biāo)體系，計(jì)算分析問(wèn)題的范圍受到很大的限制。因此有的問(wèn)題需要從單坐標(biāo)體系擴(kuò)展到多坐標(biāo)體系進(jìn)行求解，或采用新的計(jì)算方法，例如無(wú)網(wǎng)格（meshfree或meshless）技術(shù)，如SPH（Smooth Particle Hydrodynamics），SPH法不用網(wǎng)格，所以沒(méi)有網(wǎng)格畸變問(wèn)題，因此能在拉格朗日格式下處理大變形問(wèn)題。
(5) 綜合型和模塊化的兩極化發(fā)展趨勢(shì)
一方面，巖土工程的復(fù)雜性要求我們不能只停留在單一物理場(chǎng)和單相的簡(jiǎn)化求解，需要發(fā)展到更加實(shí)際的多物理場(chǎng)多相耦合求解。這要求巖土工程軟件能夠處理復(fù)雜的多物理場(chǎng)多相耦合巖土工程問(wèn)題（例如邊坡穩(wěn)定性的非飽和流-固耦合分析，凍土的水-熱-力耦合分析等），使得一部分軟件向綜合型發(fā)展，例如ABAQUS，COMSOL Multiphysics和GeoFEA等。
另一方面，綜合型的有限元軟件包過(guò)于龐大，價(jià)格十分昂貴，限制了普通用戶的數(shù)量，而根據(jù)用戶需要的模塊式程序是多數(shù)巖土工程有限元軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì),例如， GeoStudio，Midas GTS，PLAXIS，Rocsciences，Z-Soil和SoilVision等都包含了一系列的軟件模塊，使開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)軟件的功能模塊來(lái)進(jìn)行定價(jià)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要購(gòu)買專門的模塊，這可能是巖土工程軟件模塊化發(fā)展的主要原因。此外，巖土工程軟件模塊化也有利于提高軟件數(shù)值計(jì)算的效率。
(6) 提供更多的二次開(kāi)發(fā)功能
盡管有限元軟件要有友好的用戶圖形界面，軟件還需要給高級(jí)用戶提供更多二次開(kāi)發(fā)功能。例如允許用戶直接修改輸入文件，并使用界面直接運(yùn)行已經(jīng)存在的輸入文件；允許用戶使用自己的材料模型和單元類型。在軟件的二次開(kāi)發(fā)功能方面，通用的有限元軟件發(fā)展得很好，如ABAQUS提供了用戶模型接口UMAT和用戶單元接口UEL，允許用戶編制自己的本構(gòu)模型和有限單元的Fortran程序，此外，ABAQUS還允許用戶采用Python腳本語(yǔ)言進(jìn)行編程，擴(kuò)展其處理能力。相比之下，多數(shù)巖土工程專業(yè)軟件（例如PLAXIS等）重視提高用戶圖形界面（GUI）的友好性，卻忽視了二次開(kāi)發(fā)功能。因此，如何在保持提高用戶圖形界面（GUI）的友好性的同時(shí)，增強(qiáng)軟件的二次開(kāi)發(fā)功能是開(kāi)發(fā)者所面臨的一個(gè)課題。
(7) 跨平臺(tái)（Cross-platform）
早期的數(shù)值分析軟件基本上都是在大中型計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)和運(yùn)行的，后來(lái)又發(fā)展到工作站（Work Station），它們的共同特點(diǎn)都是采用UNIX操作系統(tǒng)。Microsoft Windows操作系統(tǒng)和32位的Intel Pentium處理器的推出，為PC機(jī)用于有限元分析提供了必需的軟件和硬件支撐平臺(tái)。因此當(dāng)前國(guó)際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)都紛紛將他們的軟件 移值到Windows平臺(tái)上。而由于跨平臺(tái)編程語(yǔ)言的出現(xiàn)，使得發(fā)展跨平臺(tái)的有限元軟件成為可能，這使得用戶不必?fù)?dān)心自己擁有什么樣的操作系統(tǒng)。
(8) 從單機(jī)單核CPU計(jì)算到單機(jī)多核CPU，多機(jī)CPU并行，CPU-GPU混合并行和云計(jì)算
數(shù)值模擬分析軟件也應(yīng)該順應(yīng)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展。目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)從單機(jī)單核像單機(jī)多核發(fā)展。對(duì)于高性能計(jì)算，還需要多機(jī)并行處理。這使得依賴于計(jì)算機(jī)硬件的軟件系統(tǒng)必須適應(yīng)硬件的發(fā)展，達(dá)到更加有效地進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算。例如，ABAQUS在生成任務(wù)時(shí)會(huì)選擇使用幾個(gè)CPU來(lái)進(jìn)行計(jì)算，ANSYS也提供了分布式并行計(jì)算功能。ABAQUS可以使用單機(jī)多核(CPU)技術(shù)。未來(lái)還要向多機(jī)多核并行計(jì)算發(fā)展。
近年來(lái)，計(jì)算圖形處理器（GPU-Graphics Processing Units）技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從單一的圖形處理擴(kuò)展到通用數(shù)值計(jì)算。由于GPU具有流處理、可編程流水線和高密度并行處理能力，與CPU 相比，GPU具有更強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，通常擁有一個(gè)或更高數(shù)量級(jí)的浮點(diǎn)運(yùn)算速度。由于具有高性價(jià)比和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，GPU已經(jīng)成為高性能通用計(jì)算的一種選擇。由于GPU在高強(qiáng)度浮點(diǎn)計(jì)算方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，采用CPU-GPU混合計(jì)算來(lái)求解一個(gè)問(wèn)題也可能成為未來(lái)有限元計(jì)算的一個(gè)趨勢(shì)。
云計(jì)算是一種新興的資源使用和交付模式，通過(guò)交付和支付的方式有效利用互聯(lián)網(wǎng)分布式計(jì)算資源和計(jì)算能力，它是一種區(qū)別于網(wǎng)格計(jì)算、效用計(jì)算、自主計(jì)算的一種新型計(jì)算模式。
(9) 從單一的有限元數(shù)值模擬到包括有限元在內(nèi)的多種數(shù)值方法的數(shù)值模擬
傳統(tǒng)的有限元方法（FEM）在求解某些問(wèn)題時(shí)可能能力有限，例如對(duì)于裂縫擴(kuò)展問(wèn)題，基于傳統(tǒng)的有限元方法的網(wǎng)格重劃分和裂尖加密技術(shù)效率較低，而擴(kuò)展有限元法（XFEM）能夠較好地解決這一問(wèn)題，XFEM技術(shù)利用富集基函數(shù)或形函數(shù)的方法避免了網(wǎng)格重劃分，使其成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。XFEM基于傳統(tǒng)的有限元方法理論框架，擴(kuò)展了FEM的應(yīng)用。對(duì)于某些問(wèn)題，如巖石邊坡失穩(wěn)崩塌的過(guò)程模擬，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元法僅僅能處理前期的邊坡穩(wěn)定和變形問(wèn)題，對(duì)于崩塌的滑落塊體則需要借助其它方法，如離散元法（DEM），將不同數(shù)值方法結(jié)合使用也是未來(lái)有限元軟件需要發(fā)展的一種能力。例如，CDEM就是中科院開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于連續(xù)—非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的巖土工程數(shù)值分析軟件。
隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)的發(fā)展，有限元等數(shù)值方法和有限元軟件在實(shí)際工程中獲得了大量的應(yīng)用。目前已開(kāi)發(fā)的有限元軟件可以粗略地分為兩大類，即通用有限元軟件和巖土工程專用軟件，軟件使用者則需要根據(jù)擬解決問(wèn)題選擇合適的巖土工程軟件，提高數(shù)值模型的效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益；軟件開(kāi)發(fā)者則需要關(guān)注有限元軟件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提高軟件的競(jìng)爭(zhēng)力。
