【IT168 应用】谈到高性能计算，很多人都会想到那些每秒可以运行百万亿次、千万亿次计算的超级计算机，如最近炒得很火爆的“天河一号”、“曙光6000“等，但很少有人会想到上面跑的软件。其实，硬件只是基础，只是提供了平台和资源，真正发挥作用的还得依靠软件。一直以来，国内“重硬轻软”的现象非常严重，每当有一代新的超级计算机研制成功，从厂商到媒体到政府，都会进行铺天盖地的宣传。

　　但对于应用单位来说，跟自己关系更加密切的却是“软件”，是“应用”。就在上个月举行的全国高性能计算学术年会(HPC China 2010，专题)上，我们对250多位来自全国各地的高性能计算中心、高校和科研院所、企业等单位代表进行了问卷调查，大家普遍反映，就目前的高性能计算现状来看，软件仍然是大问题，突出表现在几个方面：

　　①. 目前软件水平远跟不上硬件发展，应齐头并进，为合适的硬件平台开发合适的软件。

　　②. 缺乏相应的软件框架支持，并行化难度高，并行化开发急需提升。

　　③. 改善编程环境，发展和优化并行编程环境与工具，研究并行编程模型，开发国产自主知识产权并行应用软件。

　　④. 增强专业领域有影响力的并行软件开发能力，做出几个极具国际影响力的应用软件来推广应用。

　　为此，我们对中科院超级计算中心、中南大学高性能计算中心等所使用的软件情况进行了一番整理，也借此机会向大家介绍一下这些高性能计算软件。

　　由于高性能计算涉及的领域很广泛，要模拟计算的问题也是千差万别，所以这个领域的软件跟一般企业里使用的ERP、数据库、操作系统等不同，在数量上非常繁多。比如这次HPC China 2010参会单位涉及的领域就包括EDA设计仿真、CAE、数值计算、计算化学、计算物理、材料设计、量子力学、分子动力学、流体力学、工业设计、图像渲染、生物信息、生命科学、气象、天文、金融、石油勘探、工程计算、地震资料处理、集群管理、并行应用软件开发(MPI、OpenMP、CUDA)、Linpack测试研究、超算服务等。

　　以中科院超级计算中心为例，其深腾7000平台上跑的商业软件和开源软件就有50多种，如下表所示：

深腾7000付费应用软件

深腾7000开源软件

　　下面我们对部分高性能计算软件进行一些简要介绍：

　　Materials Studio：材料的模拟设计软件

　　官方主页：http://accelrys.com/products/materials-studio/

　　简介

　　Materials Studio是ACCELRYS公司专门为材料科学领域研究者所涉及的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助你解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows98、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便的建立三维分子模型，深入的分析有机、无机晶体、无定形材料以及聚合物。

　　任何一个研究者，无论他是否是计算机方面的专家，都能充分享用该软件所使用的高新技术，它所生成的高质量的图片能使你的讲演和报告更引人入胜。同时它还能处理各种不同来源的图形、文本以及数据表格。

　　多种先进算法的综合运用使Material Studio成为一个强有力的模拟工具。无论是性质预测、聚合物建模还是X射线衍射模拟，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。灵活方便的Client-Server结构还是的计算机可以在网络中任何一台装有NT、Linux或Unix操作系统的计算机上进行，从而最大限度的运用了网络资源。

　　ACCELRYS的软件使任何的研究者都能达到和世界优秀工业研究部门相一致的材料模拟的能力。模拟的内容囊括了催化剂、聚合物、固体化学、结晶学、晶粉衍射以及材料特性等材料科学研究领域的主要课题。

　　Materials-Studio 问答全集: http://www.douban.com/group/topic/2600247/?from=mb-23195761

　　模块简介：

　　Materials Studio采用了大家非常熟悉的Microsoft标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目前，Materials Studio软件包括如下功能模块：

　　Materials Visualizer:

　　提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持Materials Studio的其他产品。是Materials Studio产品系列的核心模块。

　　Discover:

　　Materials Studio的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。

　　COMPASS:

　　支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。

　　Amorphous Cell:

　　允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度(CED)、状态方程行为、链堆砌以及局部链运动等。

　　Reflex:

　　模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括粉末衍射指标化及结构精修等工具。

　　Reflex Plus:

　　是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已被广泛验证的PowderSolve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具。

　　Equilibria:

　　可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial系数。适用领域包括石油及天然气加工过程(如凝析气在高压下的性质)、石油炼制(重烃相在高压下的性质)、气体处理、聚烯烃反应器(产物控制)、橡胶(作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度)。

　　DMol3:

　　独特的密度泛函(DFT)量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。

　　CASTEP:

　　先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究：晶体材料的性质(半导体、陶瓷、金属、分子筛等)、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构(能带及态密度)、晶体的光学性质、点缺陷性质(如空位、间隙或取代掺杂)、扩展缺陷(晶粒间界、位错)、体系的三维电荷密度及波函数等。

　　Materials Studio软件比Cerius2具有以下优点：

　　1、Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。支持Windows 98、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台。

　　2、Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT;计算模块(如Discover，

　　3、Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等)运行于服务器端，支持的系统包括Windows 2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux。

　　投入成本低，易于推广。浮动许可(Floating License)机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源，减少了硬件投资。

　　Matlab：通用数学计算资源

　　官方主页：http://www.mathworks.com/

　　简介

　　MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

　　20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。

　　MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

　　MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

　　应用领域

　　MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单独提供的专用 MATLAB 函数集)扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB的主要应用领域包括：

　　数值分析

　　数值和符号计算

　　工程与科学绘图

　　控制系统的设计与仿真

　　数字图像处理技术

　　数字信号处理技术

　　通讯系统设计与仿真

　　财务与金融工程

　　Matlab的优势和特点

　　MATLAB特点

　　1、 其高级语言可用于技术计算;

　　2、 此开发环境可对代码、文件和数据进行管理;

　　3、 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题;

　　4、 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等

　　5、 二维和三维图形函数可用于可视化数据;

　　6、 各种工具可用于构建自定义的图形用户界面;

　　7、 各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言(如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel)集成;

　　8、 不支持大写输入，内核仅仅支持小写。

　　MATLAB的优势

　　1、 友好的工作平台和编程环境：

　　MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。

　　2、 简单易用的程序语言：

　　Matlab一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。

　　3、 强大的科学计算机数据处理能力：

　　MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

　　4、 出色的图形处理功能：

　　MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等)，MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

　　5、 应用广泛的模块集合工具箱：

　　MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，它们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。

　　6、 实用的程序接口和发布平台：

　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的MATLAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C++代码。允许用户编写可以和MATLAB进行交互的C或C++语言程序。另外，MATLAB网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

　　7、 应用软件开发(包括用户界面)：

　　在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口;在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等;在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等;在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。

　　Matlab常用工具箱

　　MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。

　　开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。

　　Matlab Main Toolbox——matlab主工具箱

　　Control System Toolbox——控制系统工具箱

　　Communication Toolbox——通讯工具箱

　　Financial Toolbox——财政金融工具箱

　　System Identification Toolbox——系统辨识工具箱

　　Fuzzy Logic Toolbox——模糊逻辑工具箱

　　Higher-Order Spectral Analysis Toolbox——高阶谱分析工具箱

　　Image Processing Toolbox——图象处理工具箱

　　LMI Control Toolbox——线性矩阵不等式工具箱

　　Model predictive Control Toolbox——模型预测控制工具箱

　　μ-Analysis and Synthesis Toolbox——μ分析工具箱

　　Neural Network Toolbox——神经网络工具箱

　　Optimization Toolbox——优化工具箱

　　Partial Differential Toolbox——偏微分方程工具箱

　　Robust Control Toolbox——鲁棒控制工具箱

　　Signal Processing Toolbox——信号处理工具箱

　　Spline Toolbox——样条工具箱

　　Statistics Toolbox——统计工具箱

　　Symbolic Math Toolbox——符号数学工具箱

　　Simulink Toolbox——动态仿真工具箱

　　Wavele Toolbox——小波工具箱

　　Wien2K：由密度泛函(DFT)理论进行固体电子结构计算的软件

　　官方主页：http://www.wien2k.at/

　　中文介绍

　　用密度泛函理论计算固体的电子结构。它基于键结构计算最准确的方案——完全势能(线性)增广平面波((L)APW)+局域轨道(lo)方法。在密度泛函中可以使用局域(自旋)密度近似(LDA)或广义梯度近似(GGA)。WIEN 2000使用全电子方案，包含相对论影响。

　　英文介绍

　　The program package WIEN2k allows to perform electronic structure calculations of solids using density functional theory (DFT). It is based on the full-potential (linearized) augmented plane-wave ((L)APW) + local orbitals (lo) method, one among the most accurate schemes for band structure calculations. In DFT the local (spin) density approximation (LDA) or the improved version of the generalized gradient approximation (GGA) can be used. WIEN2k is an all-electron scheme including relativistic effects and has many features.

　　In the last years it became a tradition to have at least one "WIEN-workshop" every year, where new and experienced users can learn more about the code, interchange ideas and share experiences. This series started in 1993 in Vienna and subsequent workshops were held not only in Vienna, but also in Trieste, Isfahan (Iran), twice at PennState (US), in Kyoto (Japan) and at UCLA (California,US). In April 2006 we have held a WIEN2k-workshop in Vienna, which was joined together with the DFTEM2006 conference in honor of Karlheinz Schwarz, where we celebrated his 65th birthday.

　　For 2007 we plan two workshops, one organized by the Inst. of High Performance Computing (IHCP) in Singapore and one again at PennState Univ. in the US organized by J.Sofo.

　　功能

　　1、计算固体特性。

　　2、键能和态密度，电子密度和自旋密度，X射线结构因子，Baders的“分子中的原子”概念，总能量，力，平衡结构，结构优化，分子动力学，电场梯度，异构体位移，超精细场，自旋极化(铁磁性和反铁磁性结构)，自旋-轨道耦合，X射线发射和吸收谱，电子能量损失谱计算固体的光学特性。

　　3、费米表面。

　　4、LDA，GGA，meta-GGA，LDA+U，轨道极化。

　　5、中心对称和非中心对称晶格，内置230个空间群。

　　6、图形用户界面和用户指南。

　　7、友好的用户环境W2web (WIEN to WEB)可以很容易的产生和修改输入文件

　　8、帮助用户执行各种任务(如电子密度，态密度等。

　　平台：Unix / Linux。

　　Ansys：材料力学性能加工过程有限元分析软件

　　官方主页：http://www.ansys.com.cn，http://www.ansys.com

　　简介

　　ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

　　CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。

　　ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

　　软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

　　前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;

　　分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;

　　后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

　　功能

　　1.结构静力分析

　　用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

　　2.结构动力学分析

　　结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

　　3.结构非线性分析

　　结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

　　4.动力学分析

　　ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

　　5.热分析

　　程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。

　　6.电磁场分析

　　主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

　　7.流体动力学分析

　　ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

　　8.声场分析

　　程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

　　9.压电分析

　　用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

　　模块

　　软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

　　前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;

　　ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。

　　1, 实体建模

　　ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的较高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANS YS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

　　2,网格划分

　　ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

　　分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;

　　后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

　　3, 载荷

　　在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力(集中载荷)、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。

　　1、自由度约束(DOF Cinstraints):将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。

　　2、力(集中载荷)(Force)：是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。

　　3、面载荷(Surface Load):是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。

　　4、体载荷(Body Load):是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。

　　5、惯性载荷(Inertia Loads):是指由物体的惯性而引起的载荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。

　　6、耦合场载荷(Coupled-field Loads):是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。

　　Gaussian：量子化学综合软件包

　　官方主页：http://www.gaussian.com

　　基本介绍

　　Gaussian是目前计算化学领域内最流行、应用范围最广的商业化量子化学计算程序包。它最早是由美国卡内基梅隆大学的约翰•波普(John A Pople, 1998年诺贝尔化学奖)在60年度末、70年代初主导开发的。其名称来自于该软件中所使用的高斯型基组。最初，Gaussian的著作权属于约翰•波普供职的卡内基梅隆大学;1986年，约翰•波普进入美国西北大学后，其版权由Gaussian,Inc.公司所持有。Gaussian软件的出现降低了量子化学计算的门槛，使得从头计算方法可以广泛使用，从而极大地推动了其在方法学上的进展。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。到目前为止，Gaussian已经推出了12个版本，包括Gaussian70、Gaussian76、Gaussian80、Gaussian82、Gaussian86、Gaussian88、Gaussian90、Gaussian92、Gaussian92/DFT、Gaussian94、Gaussian98、Gaussian03等，其版本数字也是该版本发布的年份。其中，每个版本发布后，还陆续发布了一些这些版本的修订版。目前最新的版本是Gaussian03 Revision D.01/D.02。

　　Gaussian程序是用FORTRAN语言编写的，它从量子力学的基本原理出发，可计算能量、分子结构、分子体系的振动频率以及大量从这些基本计算方法中导出的分子性质。它能用于研究不同条件下的分子和反应，包括稳定的粒子和实验上难以观测的化合物，例如瞬时的反应中间物和过渡结构。

　　Gaussian的并行模式是采用OpenMP来实现的。OPENMP的并行实现是针对共享内存的机器的，实现方法简单。因此Gaussian在共享内存的机器上，能获得很好的性能。对于跨节点的计算，Gaussian使用TCP Linda软件来实现。TCP Linda是一个虚拟共享内存的并行执行环境，它可以把一个通过网络连接的分布式内存的机群或工作站虚拟成共享内存环境，从而使像Gaussian这样的用OPENMP实现并行的程序能够在分布式内存的机器上运行。

　　功能

　　1、 分子能量和结构

　　2、 过渡态能量和结构

　　3、 键和反应能量

　　4、 分子轨道

　　5、 多重矩

　　6、 原子电荷和电势

　　7、 振动频率

　　8、 红外和拉曼光谱

　　9、 核磁性质

　　10、 极化率和超极化率

　　11、 热力学性质

　　12、 反应路径

　　计算可以对体系的基态或激发态执行。可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。因

　　此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。

　　Gaussian 03 介绍

　　Gaussian 03在化学、化工、生物化学、物理化学等化学相关领域方面的功能都进行了增强。

　　1、 研究大分子的反应和光谱

　　Gaussian 03对ONIOM做了重大修改，能够处理更大的分子(例如，酶)，可以研究有机体系的反应机制，表面和表面反应的团簇模型，有机物光化学过程，有机和有机金属化合物的取代影响和反应，以及均相催化作用等。

　　ONIOM的其它新功能还有：定制分子力学力场;高效的ONIOM频率计算;ONIOM对电、磁性质的计算。

　　2、通过自旋-自旋耦合常数确定构像

　　当没有X-射线结构可以利用时，研究新化合物的构像是相当困难的。NMR光谱的磁屏蔽数据提供了分子中各原子之间的连接信息。自旋-自旋耦合常数可用来帮助识别分子的特定构像，因为它们依赖于分子结构的扭转角。

　　除了以前版本提供的NMR屏蔽和化学位移以外，Gaussian 03还能预测自旋-自旋耦合常数。通过对不同构像计算这些常数，并对预测的和观测的光谱做比较，可以识别观测到的特定构像。另外，归属观测的峰值到特定的原子也比较容易。

　　3、研究周期性体系

　　Gaussian 03扩展了化学体系的研究范围，它可以用周期性边界条件的方法(PBC)模拟周期性体系，例如聚合物和晶体。PBC技术把体系作为重复的单元进行模拟，以确定化合物的结构和整体性质。例如，Gaussian 03可以预测聚合物的平衡结构和过渡结构。通过计算异构能量，反应能量等，它还可以研究聚合物的反应，包括分解，降解，燃烧等。Gaussian 03还可以模拟化合物的能带隙。

　　PBC的其它功能还有：(1) 二维PBC方法可以模拟表面化学，例如在表面和晶体上的反应。用同样的基组，Hartree-Fock或DFT理论方法还可以用表面模型或团簇模型研究相同的问题。Gaussian 03使得对研究的问题可以选择合适的近似方法，而不是使问题满足于模块的能力极限。(2) 三维PBC：预测晶体以及其它三维周期体系的结构和整体性质。

　　4、 预测光谱

　　Gaussian 03可以计算各种光谱和光谱特性。包括：IR和Raman;预共振Raman;紫外-可见;NMR;振动圆形二色性(VCD);电子圆形二色性(ECD);旋光色散(ORD);谐性振-转耦合;非谐性振动及振-转耦合;g张量以及其它的超精细光谱张量。

　　5、模拟在反应和分子特性中溶剂的影响

　　在气相和在溶液之间，分子特性和化学反应经常变化很大。例如，低位构像在气相和在(不同溶剂的)溶液中，具有完全不同的能量，构像的平衡结构也不同，化学反应具有不同的路径。Gaussian 03提供极化连续介质模型(PCM)，用于模拟溶液体系。这个方法把溶剂描述为极化的连续介质，并把溶质放入溶剂间的空穴中。

　　Gaussian 03的PCM功能包含了许多重大的改进，扩展了研究问题的范围：可以计算溶剂中的激发能，以及激发态的有关特性;NMR以及其它的磁性能;用能量的解析二级导数计算振动频率，IR和Raman光谱，以及其它特性;极化率和超极划率;执行性能上的改善。

　　G03W的界面和G98W相比，没有什么变化，G98W的用户不需要重新熟悉界面。

　　Gaussian新增内容

　　1、 新的量子化学方法

　　(1) ONIOM模块做了增强

　　对ONIOM(MO:MM)计算支持电子嵌入，可以在QM区域的计算中考虑MM区域的电特性。

　　通过算法的改善，ONIOM(MO:MM)对大分子(如蛋白质)的优化更快，结果更可靠。

　　ONIOM(MO:MM)能够计算解析频率，ONIOM(MO:MO)的频率计算更快。

　　提供对一般分子力场(MM)的支持，包括读入和修改参数。包含了独立的MM优化程序。

　　支持任何ONIOM模拟的外部程序。

　　(2) 修改和增强了溶剂模块

　　改善和增强了连续介质模型(PCM)：

　　默认是IEFPCM模型，解析频率计算可以用于SCRF方法。此外改善了空穴生成技术。

　　模拟溶液中的很多特性。

　　可以对Klamt的COSMO-RS程序产生输入，通过统计力学方法，用于计算溶解能，配分系数，蒸汽压，以及其它整体性质。

　　(3) 周期性边界条件(PBC)

　　增加了PBC模块，用于研究周期体系，例如聚合物，表面，和晶体。PBC模块可以对一维、二维或三维重复性分子或波函求解具有边界条件的Schrodinger方程。周期体系可以用HF和DFT研究能量和梯度;

　　(4) 分子动力学方法

　　动力学计算可以定性地了解反应机制和定量地了解反应产物分布。计算包含两个主要近似：

　　Born-Oppenheimer分子动力学(BOMD), 对势能曲面的局域二次近似计算经典轨迹。计算用Hessian算法预测和校正走步，较以前的计算在步长上能够改善10倍以上。还可以使用解析二级导数，BOMD能够用于所有具有解析梯度的理论方法。

　　提供原子中心密度矩阵传播(ADMP)分子动力学方法，用于Hartree-Fock和DFT。吸取了Car和Parrinello的经验，ADMP传递电子自由度，而不是求解每个核结构的SCF方程。与Car-Parrinello不同之处在于，ADMP传递密度矩阵而不是MO。如果使用了原子中心基组，执行效率会更高。这一方法解决了Car-Parrinello存在的一些限制，例如，不再需要用D代替H以获得能量守恒，纯DFT和混合DFT均可使用。ADMP也可以在溶剂存在的情况下执行，ADMP可以用于ONIOM(MO:MM)计算。

　　(5) 激发态

　　激发态计算方面做了增强。由于改善了在完全组态相互作用计算中求解CI矢量的算法，提高了CASSCF执行效率。对能量和梯度计算可以使用约14个轨道(频率计算仍是8个)。

　　限制活性空间(RAS)的SCF方法。RASSCF把分子轨道分成五个部分：最低的占据轨道(计算中作为非活性轨道考虑)，计算中作为双占据的RAS1空间，包含对所研究问题非常重要分子轨道的RAS2空间，弱占据的RAS3空间，以及未占据轨道(计算中做冻结处理)。因此，CASSCF在RAS计算中分成三个部分，考虑的组态通过定义RAS1空间允许的最少电子数和RAS3空间允许的最多电子数，以及三个RAS空间电子总数来产生。

　　NBO轨道可用于定义CAS和RAS活性空间。对于对应成键/孤对电子的反键轨道可以提供相当好的初始猜测。

　　对称性匹配簇/组态相互作用(SAC-CI)方法，用于有机体系激发态的高精度计算，研究两个或更多电子激发的过程(例如电离谱的扰动)，以及其它的问题。

　　CIS，TD-HF和TD-DFT的激发态计算中可以考虑溶剂影响。

　　2、 新的分子特性

　　(1) 自旋-自旋耦合常数，用于辅助识别磁谱的构像。

　　(2) g张量以及其它的超精细光谱张量，包括核电四次常数，转动常数，四次离心畸变项，电子自旋转动项，核自旋转动项，偶极超精细项，以及Fermi接触项。所有的张量可以输出到Pickett的拟合与光谱分析程序。

　　(3) 谐性振-转耦合常数。分子的光谱特性依赖于分子振、转模式的耦合。可用于分析转动谱。

　　(4) 非谐性振动及振-转耦合。通过使用微扰理论，更高级的项可以包含到频率计算中，以产生更精确的结果。

　　(5) 预共振Raman光谱，可以产生基态结构，原子间连接，以及振动态的信息。

　　(6) 旋光性以及旋光色散，通过GIAO计算，用于识别手性体系的异构体。

　　(7) 电子圆二色性(ECD)。这一特性是光学活性分子在可见-紫外区域的差异吸收，用于归属绝对构型。预测的光谱还可用于解释已存在的ECD数据和归属峰位，

　　(8) 含频极化和超极化，用于研究材料的分子特性随入射光波长的变化。

　　(9) 用量度无关原子轨道(GIAO)方法计算磁化率，它类似于电极化率，用于研究分子的顺磁/反磁特性。

　　(10) 预测气相和在溶剂中的电、磁特性和光谱。

　　(11) ONIOM预测电、磁特性。

　　3、 新增加的基本算法

　　(1) 更好的初始轨道猜测。Gaussian 03使用Harris泛函产生初始猜测。这个泛函是对DFT非迭代的近似，它产生的初始轨道比Gaussian 98要好，例如，对有机体系有所改善，对金属体系有明显改善。

　　(2) 新的SCF收敛算法，几乎可以解决以前所有的收敛问题。对于其它极少数的不收敛情况，Gaussian 03提供了Fermi展宽和阻尼方法。

　　(3) 纯DFT计算的密度拟合近似。这一近似在计算库仑相互作用时，把密度用一组原子中心函数展开，而不是计算全部的双电子积分。它用线性换算的算法，对中等体系的纯DFT计算可以极大地提高计算效率，而又不损失多少精度。Gaussian 03可以对AO基自动产生合适的拟合基，也可以选择内置的拟合基。

　　(4) 更快的自动FMM方法，用于适中的体系(纯DFT约100个原子，混合DFT约150个原子)。

　　(5) 对纯DFT使用更快的库仑能算法，节省库仑问题的CPU时间。

　　(6) O(N)更精确的交换能量项。在Hartree-Fock和DFT计算中，通过删除密度矩阵的零值项来屏蔽精确的交换贡献。这可以节省时间，而又不损失精度。

　　4、 新增功能：

　　(1) 新的密度泛函：OPTX交换，PBE和B95相关，VSXC和HCTH纯泛函，B1及其变体B98，B97-1，B97-2，PBE1PBE混合泛函。

　　(2) 高精度能量方法：G3及其变体，W1方法。另外还包含W1BD，它用BD代替耦合簇，比CBS-QB3和G3更精确，当然计算也更加昂贵。

　　(3) 对重元素全电子基组计算的Douglas-Kroll-Hess标量相对论修正，用于当ECP基组不能满足精度的情况。

　　(4) 逼近基组极限的UGBS基组。

　　Fluent：通用CFD软件包

　　官方主页：http://www.fluentchina.com，http://www.fluent.com/

　　简介

　　通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到非常好的的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。

　　特点

　　FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法;

　　定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能;

　　FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题;

　　FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术;

　　FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的;

　　FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型;

　　适用于牛顿流体、非牛顿流体;

　　含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射;

　　化学组份的混合/反应;

　　自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型;

　　融化溶化/凝固;蒸发/冷凝相变模型;

　　离散相的拉格朗日跟踪计算;

　　非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型(考虑多孔介质压力突变);

　　风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型;

　　惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格;

　　动静翼相互作用模型化后的接续界面;

　　基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型;

　　质量、动量、热、化学组份的体积源项;

　　丰富的物性参数的数据库;

　　磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题;

　　连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题;

　　高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法;内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算;

　　FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口(UDF);

　　FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。

　　在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到非常好的。由于囊括了FluentDynamicalInternational比利时PolyFlow和FluentDynamicalInternational(FID)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司，后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司)，因此Fluent软件具有如下优点

　　1、功能强，适用面广。包括各种优化物理模型，如:计算流体流动和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等);辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到非常好的。

　　2、高效，省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

　　3、建立了污染物生成模型。包括NOX和ROX(烟尘)生成模型。其中NOX模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOX的消耗。而ROX的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟，且只使用于紊流

　　FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点：

　　1、稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好。

　　2、适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。

　　3、精度提高，可达二阶精度。

　　Quantum-ESPRESSO：基于密度泛函的从头算起分子动力学免费软件

　　官方主页:http://www.quantum-espresso.org/

　　简介

　　ESPRESSO意为“op(E)n (S)ource (P)ackage for (R)esearch in (E)lectronic (S)tructure, (S)imulation, and (O)ptimization”。Quantum-ESPRESSO软件包基于密度泛函理论，使用平面波基组和赝势。它包含以下代码：

　　1、PWscf：电子结构，结构优化，分子动力学，振动特性和介电特性。

　　2、FPMD：Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序。它基于R. Car和M. Parrinello的原始代码。

　　3、CP：Car-Parrinello可变晶胞的分子动力学程序。它基于R. Car和M. Parrinello的原始代码。

　　4、PWgui：产生PWscf输入文件的图形用户界面。

　　5、atomic：用于原子计算和产生赝势。

　　功能

　　一、基态计算：

　　1、自洽场总能量，力，和张量。

　　2、使用迭代对角技术，阻尼动力学，和共轭梯度进行能量最小化。

　　3、Kohn-Sham轨道。

　　4、Gamma点，k点取样，各种展宽技术(Fermi-Dirac，Gaussian，Methfessel-Paxton，Marzari-Vanderbilt)。

　　5、模守恒赝势和超软赝势，PAW。

　　6、交换关联泛函：LDA，GGA(PW91，PBE，B88-P86，BLYP)，meta-GGA，精确交换泛函，杂化泛函。

　　7、LDA+U。

　　8、Berry相极化。

　　9、自旋轨道耦合和非共线磁性。

　　10、最大局域化函数。

　　二、响应特性(密度泛函微扰理论)：

　　1、声子频率，以及任意波矢的本征矢。

　　2、完全声子色散，实空间的原子间力常数。

　　3、平移和转动的声音求和规则。

　　4、有效电荷和色散张量。

　　5、电-声相互作用。

　　6、三阶非谐声子寿命。

　　7、红外和Raman交叉部分。

　　8、EPR和NMR化学位移。

　　三、从头分子动力学：

　　1、Car-Parrinello分子动力学。

　　2、Born-Oppenheimer分子动力学。

　　四、结构优化：

　　1、使用准牛顿BFGS条件的GDIIS。

　　2、阻尼动力学。

　　3、离子共轭梯度最小化。

　　4、投影速度Verlet算法。

　　5、过渡态和能量最小化。

　　6、Born-Oppenheimer NEB。

　　7、Born-Oppenheimer弦动力学。

　　OpenFOAM：计算流体力学(CFD)软件包

　　官方主页：http://www.openfoam.org

　　简介

　　OpenFOAM的前身为FOAM(Field Operation and Manipulation的简写)，后来作为开源代码公布到网上，任何人都可以自由下载和传播她的源代码。OpenFOAM是一个完全由C++编写的面向对象的CFD类库，采用类似于我们日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程的有限体积离散化，支持多面体网格(比如CD-adapco公司推出的CCM+生成的多面体网格)，因而可以处理复杂的几何外形，支持大型并行计算，等。

　　OpenFOAM(Open Fi e ld Ope r a t i on andManipulation的简称)软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析以及金融评估等。该软件由OpenCFD公司开发维护，在GNU General Public License许可下可以自由下载和发布。

　　OpenFOAM软件的核心技术为一系列的高效C++模块数据包，利用这些数据包可以构造出一系列有效的求解器、辅助工具和库文件，用来模拟特定的工程机械问题和进行前后处理，包括数据处理、图形显示、网格处理、物理模型和求解器接口等。

　　OpenFOAM提供了许多预编译好的求解器、辅助工具和模型库等，可以模拟一系列复杂问题。同时它也是一款开源软件，用户可以扩展软件本身的功能和处理能力。该软件开源化不仅仅在于其程序代码对外公开，而且其软件程序结构和软件架构设计也开源化。因此用户可以最大程度地拓展程序以实现用户自定义功能。

　　OpenFOAM是一个完全由C++编写的面向对象的CFD类库，采用类似于我们日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程，采用有限体积法对偏微分方程进行求解。软件支持三维任意多面体网格(比如CDadapco公司推出的CCM+生成的多面体网格)，因而可以处理复杂的几何外形，支持区域分解并行计算等。

　　软件架构

　　OpenFOAM软件首先是一个C++库文件包，它包含许多可执行文件(也称为应用程序包)。从文件组织结构来说这些应用程序大体可以分为两大类：求解器和辅助工具。求解器用来求解连续介质力学中的某个特定问题，而辅助工具主要用来进行数据操作、辅助求解器完成计算任务。从程序实现功能的角度来看，OpenFOAM软件同众多商业CFD软件一样，包括核心求解器、前处理和后处理三大模块。具体组成如下：而从程序开发的角度来看，OpenFOAM软件主要基于以下几个主要的类及其相互之间的作用。

　　1、 Primitive与Container----基础类及容器类

　　2、 描述空间及时间的类

　　3、 张量的数学运算类

　　4、 Field、Dimension Set、Boundary Conditon和

　　5、 Geometric Field---场、量纲、边界条件及几何场

　　6、 Mesh---网格类

　　7、 积分、微分及离散类

　　8、 矩阵类

　　9、 描述PDE(偏微分方程)的类

　　10、 物理模型类

　　软件功能

　　OpenFOAM软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析。具体功能分述如下：

　　11、 求解方面

　　12、 用户可以进行基本的CFD分析，可压与不可压缩流动分析、多相流分析、燃烧分析、热分析以及电磁场和结构动力学耦合分析。

　　13、 前处理方面

　　14、 软件拥有自己的JAVA/C++图形界面——case管理器FoamX，可以对case进行管理，对模型数据进行操作、设置边界条件和求解设置等内容，此外还有其他一些直接对数据进行操作的辅助工具，如setField、MapField等工具。

　　15、 后处理方面

　　16、 软件自带有paraFoam模块，可以对OpenFOAM软件的数据直接进行读取。paraFoam基于开源可视化软件ParaView开发，可以进行一些常用的后处理操作，如网格显示、云图显示、等值面显示、曲线绘制等等。此外，软件包含有与第三方软件的接口工具，可以通过专业的后处理软件进行数据处理，如foamToEnsight、foamToFieldview、foamToGMV、smapToFoam等。Ensight软件也可以直接读取OpenFOAM软件的计算结果。

　　17、 网格方面

　　18、 软件支持各种各样的多面体非结构化网格，包括四面体、立面体、棱柱网格、Polehedral等。网格生成的时候即可以在自带的FoamX前处理器里进行简单操作(blockMesh)，也可以接受其他网格处理软件生成的网格，包含有多种网格转换工具如cfxToFoam、fluentMeshToFluent、mshToFoam、ansysToFoam等。对于网格模型数据，可以进行网格编辑操作和网格质量检查，如网格移动、旋转、细化、重编号、网格分割、动网格等。

　　19、 物理模型

　　20、 软件包含有先进的物理模型，用来模拟可压与不可压缩流体、牛顿与非牛顿流体。湍流模型方面既有常规的层流、S-A模型，还包括各种各样的k-e模型，还包括有丰富的大涡模拟模拟，如各种Smagorinsky模型、scale similarity模型、spectral eddy viscosity模型等等。另外OpenFOAM还具有以下功能和特点：

　　- 燃烧模拟

　　- 拉格朗日粒子追踪及射流

　　- 滑移网格，网格层消等

　　- 各种各样的工具箱，包括各种ODE求解器、ChemKIN接口等自动生成动网格与网格转换工具，可以转换多种网格形式为FOAM可以处理的网格形式支持多种网格接口。

　　GROMACS：开源的分子动力学软件

　　官方主页：http://www.gromacs.org/

　　简介

　　GROMACS是分子动力学通用软件包，用于模拟含几百到几百万粒子体系的牛顿运动方程。它特别适用于生物分子，如蛋白质，油脂等有大量复杂健作用的体系，但是由于GROMACS在计算非键作用(这占了模拟的主要部分)时相当快，因此也可广泛应用于非生物体系，如聚合物。

　　功能

　　GROMACS除了支持现代分子动力学的全部常见算法，还有一些颇具竞争力的新特色：

　　1、 GROMACS对代码进行了很多算法上的和针对不同硬件的优化，执行效率通常比其它同类程序高3-10倍

　　2、GROMACS界面友好

　　3、不用脚本语言，所有程序使用简单的命令行选项接口用于输入和输出文件。程序还提供支持全部程序模块的图形用户界面

　　4、进行计算时，GROMACS会告诉用户用了多少时间，以及预计还需要多长时间

　　5、输入文件和轨迹文件与硬件无关，因此可以被不同版本的GROMACS读取。程序还具有向下兼容性

　　6、通过使用有损耗压缩技术，提供了存储轨迹文件的紧凑方法

　　7、大量用于轨迹分析的工具，并可提供数学分析软件Xmgr/Grace格式的图

　　8、轨迹浏览器，只需要标准X的支持

　　9、使用标准MPI通信进行并行计算

　　10、GROMACS包含几种绝妙的算法，可以极大地提高计算效率却不损失计算精度

　　11、包含完全自动的拓扑生成器，产生蛋白质甚至是多聚体的结构

　　12、正在开发的GROMACS到量子化学和生物信息学数据库的接口

　　ABINIT：物理属性(能量、几何优化、分子动力学模拟)等计算专业软件

　　官网：http://www.abinit.org/

　　简介：

　　ABINIT的主程序使用赝势和平面波，用密度泛函理论计算总能量，电荷密度，分子和周期性固体的电子结构，进行几何优化和分子动力学模拟，用TDDFT(对分子)或GW近似(多体微扰理论)计算激发态。此外还提供了大量的工具程序。程序的基组库包括了元素周期表1-109号所有元素。ABINIT适于固体物理，材料科学，化学和材料工程的研究，包括固体，分子，材料的表面，以及界面，如导体、半导体、绝缘体和金属。

　　功能： 可以计算很多物理属性，包括：

　　A. 计算倒格子中核与电子的总能量。

　　A.1. 计算使用平面波和赝势。

　　A.2. 总能量的计算使用密度泛函理论(DFT)。可以使用大多数重要的局域密度近似 (LDA)，包括Perdew-Zunger近似。可以使用两种不同的局域自旋密度(LSD)，包括Perdew Wang 92和M. Teter的LSD。还可以使用Perdew-Burke-Ernzerhof，revPBE，RPBE和HCTH等GGA (自旋极化和非极化)。

　　A.3. 自恰场计算生成DFT基态，以及相关的能量和密度。此后的非自恰计算可以对能带结构的大量k-点产生本征能量。态密度的计算即可以用四面体方法，也可以用模糊技术。

　　A.4. 程序可以使用多种不同的赝势。对整个周期表适用的有两种：Troullier-Martins型和Goedecker型(这种类型包括自旋-轨道耦合)。如果需要的话，有四个代码可以产生新的赝势。

　　A.5. 程序本身可以处理金属和绝缘体系。

　　A.6. 晶胞可以是正交或者非正交。计算可以输入任何对称性及相应的k-点集。

　　A.7. 电子体系可以用自旋极化和自旋非极化计算。一个特殊的选项可以有效地处理反铁磁性。可以对总能量计算非共线的磁性(不能用于力，张量，相应函数...)。可以禁止晶胞的总磁矩。

　　A.8. 总能量，力，张量和电子结构的计算可以考虑自旋-轨道耦合。

　　A.9. 能量可分解为不同的成分(局域势，XC，Hartree...)。

　　A.10. 计算内部电子本征值。

　　A.11. 230个空间群和1191个Shubnikov磁群的对称性分析。

　　B. 计算总能量和本征能量

　　B.1. 用解析公式计算Hellman-Feynman力。

　　B.2. 计算应力。

　　B.3. 极化的计算。

　　B.4. 响应的计算。

　　B.5. 计算近似的和准确的磁化系数矩阵和介电矩阵。

　　B.6. 解析计算电子本征能量的导数。

　　B.7. 计算光学传导性。

　　B.8. Born有效电荷的能带分解，以及局域化张量的计算。

　　C. 激发态

　　C.1. 用GW近似计算电离能和亲和能。

　　C.2. 用TDDFT计算原子和分子的(单重、三重)激发态和振荡强度。

　　D. 移动原子，改变晶胞参数

　　D.1. 用不同的方法寻找平衡构型。可以同时优化晶胞参数。优化过程中如果需要的话，可以固定指定的晶胞参数，角度，或原子位置。

　　D.2. 有两种算法进行分子动力学计算。

　　D.3. 自动分析键长键角。原子坐标的格式支持用可视化软件XMOL显示。

　　E. 分析和图形工具

　　E.1. 后期处理程序cut3d用于分析密度和势文件。它还可以改变文件格式，提取2D明面或者1D线。此外还可以分析波函文件。

　　E.2. 另一个后期处理程序aim，用于进行Bader的“原子中的分子”(AIM)密度分析。

　　E.3. 对可视化程序产生格式化数据：键结构(用XMGR显示)，不同参数的总能量(用XMGR显示)，电荷密度(3D轮廓线，先用cut3d，再用商业程序matlab;cut3d也可以产生2D密度图)。

　　E.4. 后期处理程序band2eps自动画出eps格式的声子散射曲线。

　　CPMD：是一个Car-Parrinello 分子动力学程序包

　　很长一段时间以来，一直有人在问BOMD与CPMD究竟有什么不同?这里我就简单说一些二者的区别。

　　实际上，我想大部分人理解和接触的第一原理分子动力学方法以CPMD居多。CPMD，就是Car和Parrinello两个人作出的基于密度泛函的分子动力学方法，其特点是在引入电子虚拟质量，将电子运动耦合到了运动方程中，每一步分子动力学计算后，对电子结构的计算就不再需要自洽场迭代这一过程，因此可以大大节省计算资源，在计算机还不是那么好的80，90年代是弥足珍贵的。CPMD的建立开创了第一原理分子动力学方法的新时代，使其真正开始了实用化进程。

　　而BOMD，顾名思义，就是Born-Oppenheimer分子动力学。Born-Oppenheimer近似，也就是绝热近似，指的是将电子和离子的求解分离开来，只处理离子的动力学部分，而认为电子可以快速跟上电子的运动。其特点是每一步分子动力学计算之后都需要对电子结构进行自洽场迭代，使电子达到基态。正式由于这个自洽场迭代过程需要的计算量巨大，致使其一直没有达到广泛运用，直到90年代中后期，计算机技术的发展，才使BOMD开始逐步被人们重视。

　　CPMD和BOMD各有优劣。CPMD虽然计算速度更快，不需要进行自洽场迭代计算，计算量小，但是由于计算中并没有使体系真正达到基态，而只是尽量靠近基态，因此其准确性对电子的虚拟质量这个参数的选取依赖程度很大，一旦计算参数不对，得到的体系很可能远远偏离真实的势能面，得不到正确的动力学轨迹。同时，为了保证其尽量靠近基态，分子动力学时间步长一般选得较小。而BOMD虽然计算量大，但是由于每一步都保证系统达到基态，因此其分子动力学步长可以取得较大，一般1fs到5fs都有可能。综合来说，如果能结合二者的优势，第一原理分子动力学计算效率将大大提高，这也成为近年来其发展的重要方向。

　　官网：http://www.cpmd.org/

　　简介：

　　What is CPMD ?

　　The CPMD code is a plane wave/pseudopotential implementation of Density Functional Theory, particularly designed for ab-initio molecular dynamics. Its first version was developed by Jurg Hutter at IBM Zurich Research Laboratory starting from the original Car-Parrinello codes. During the years many people from diverse organizations contributed to the development of the code and of its pseudopotential library:

　　Michele Parrinello, Jurg Hutter, D. Marx, P. Focher, M. Tuckerman, W. Andreoni, A. Curioni, E. Fois, U. Roetlisberger, P. Giannozzi, T. Deutsch, A. Alavi, D. Sebastiani, A. Laio, J. VandeVondele, A. Seitsonen, S. Billeter and others.

　　The current version, 3.13, is copyrighted jointly by IBM Corp and by Max Planck Institute, Stuttgart, and is distributed free of charge to non-profit organizations ( see download ). Profit organizations interested at the code should contact us .

　　CPMD runs on many different computer architectures and it is well parallelized (MPI and Mixed MPI/SMP).

　　CPMD main characteristics

　　works with norm conserving or ultrasoft pseudopotentials LDA, LSD and the most popular gradient correction schemes; free energy density functional implementation isolated systems and system with periodic boundary conditions; k-points molecular and crystal symmetry wavefunction optimization: direct minimization and diagonalization geometry optimization: local optimization and simulated annealing molecular dynamics: constant energy, constant temperature and constant pressure path integral MD response functions excited states many electronic properties time-dependent DFT (excitations, molecular dynamics in excited states) coarse-grained non-Markovian metadynamics

　　CPMD 是一个Car-Parrinello 分子动力学程序包。它也基于平面波赝势框架，支持模守恒和超软两种赝势。CPMD 软件中包括自由能密度泛函、路径积分分子动力学和meta-dynamics 等方法。它可以计算响应函数、激发态和其他许多电子性质。

　　mpiBLAST:是一个基于MPI的NCBI BLAST的并行实现

　　官网：http://www.mpiblast.org/

　　mpiBLAST is a freely available, open-source, parallel implementation of NCBI BLAST. By efficiently utilizing distributed computational resources through database fragmentation, query segmentation, intelligent scheduling, and parallel I/O, mpiBLAST improves NCBI BLAST performance by several orders of magnitude while scaling to hundreds of processors. mpiBLAST is also portable across many different platforms and operating systems. Lastly, a renewed focus and consolidation of the many codebases has positioned mpiBLAST to continue to be of high utility to the bioinformatics community.

　　Key Features of mpiBLAST:

　　1. Database fragmentation

　　2.Query segmentation

　　3.Exact NCBI e-value scores

　　4. Increased per-query throughput

　　5.Improved query response time

　　6. Portable across all major operating systems

　　7. Integrated advanced job scheduling

　　8.Parallel input/output

　　9.Fault tolerant

　　10.High-performance on desktops, clusters, and HPC systems

　　mpiBLAST是一个基于MPI的NCBI BLAST的并行实现。它由代替formatdb 和 blastall的两个程序组成，在安装有MPI的并行计算机群集上执行BLAST作业。和传统BLAST相比，使用mpiBLAS有两个主要的好处。首先，mpiBLAST分割群集中每个节点上的数据库。由于数据库每个节点的分段越小，它就可以驻留在缓存存储器中，由于减少了磁盘I/O次数，从而大幅提高速度。其次，由于处理器相互间的通信需求低，所以它允许BLAST用户利用高效、低代价的Beowulf 群集。当数据库太大以至不能完全放在RAM中时，mpiBLAST 可以取得超线性的加速，而在一般情况下能获得线性的加速。

　　Amber是程序套件集合的名称，用于分子(特别是生物分子)的动力学模拟

　　官网：http://ambermd.org/

　　Amber是程序套件集合的名称，用于分子(特别是生物分子)的动力学模拟，并不是哪个具体的程序叫这个名称，而是很好地协调工作的各个程序部分一起提供了一个强大的理论框架，用于多种通用计算。AMBER提供两部分内容：用于模拟生物分子的一组分子力学力场(无版权限制，也用于其它一些模拟程序中);分子模拟程序软件包，包含源代码和演示。

　　功能 发布版包含了大约 60 个程序，它们相当好地协调工作。主要的程序有：

　　sander 用来自 NMR 的能量限制模拟退火。可以基于来自 NOE 的距离限制和扭转角限制、基于化学位移和 NOESY值的性能损失函数，进行 NMR 的精细化。Sander也是用于分子动力学模拟的主程序。

　　gibbs

　　程序包含自由能微扰(FEP)和热动力学积分(TI)，还允许平均力势(PMF)的计算。

　　roar

　　进行 QM/MM 计算，“真正的”Ewald模拟，以及备用的分子动力学积分程序。

　　nmode

　　使用一阶和二阶导数信息进行简正模式分析的程序，用于寻找局域最小值，进行振动分析，寻找过渡态。

　　LEaP

　　X-window程序，用于基本模型，AMBER 坐标和参数/拓扑文件的创建。它包含分子编辑器，可以创建基团和操作分子。

　　antechamber

　　该程序套件对大多数有机分子自动产生力场描述。它从结构开始(通常是 PDB 格式)，产生LEaP可识别的文件用于分子模拟。要求对蛋白质和核酸产生的力场与通常的 Amber力场一致。

　　ptraj和 carnal

　　用于分析 MD轨迹，计算参考结构的 RMS 偏差，氢键分析，时间相关函数，扩散特性等。

　　mm_pbsa

　　脚本，对 MD 轨迹自动后期处理，用连续溶剂方法进行热力学分析。它能够把能量归属到

　　不同的基团片断中去，并估算不同构像之间的自由能量差。

　　ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件

　　官网：http://www.simulia.com/

　　ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。ABAQUS具备十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库;ABAQUS也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫，以及地质材料，例如土壤和岩石等。作为一种通用的模拟工具，ABAQUS不仅能够解决结构分析(应力/位移)问题。而且能够模拟和研究包括热传导、质量扩散、电子部分的热控制(热电耦合分析)、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等广阔领域中的问题。

　　ABAQUS为用户提供了广泛的功能，使用起来又非常简单。即便是最复杂的问题也可以很容易地建立模型。例如，对于复杂多部件问题，通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将它们组装成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性问题，用户仅需要提供如结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况这些工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。

　　ABAQUS 有两个主求解器模块— ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块 — ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。

　　ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是少有的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业和研究中所广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。

　　ABAQUS/Standard模块

　　解决各种实际问题

　　ABAQUS/Standard 为工程师和分析专家提供强有力的工具来解决许多工程问题：从线性静态、动态分析到复杂的非线性耦合物理场分析。结合使用 ABAQUS/Standard 与 ABAQUS/Explicit ，利用两者的隐式和显式求解技术，可以让更多实际问题获得求解。

　　精确、可靠的分析

　　分析一项工程问题所使用工具的质量，极大地影响该问题求解的可靠性和质量。我们对 ABAQUS/Standard 的每一个版本，在所有支持的计算机平台上，都进行一整套完整的测试;包括 13,000 次的回归测试以及对许多客户模型的测试。此外， ABAQUS/Standard 有最好的行业技术支持和完备的手册做后盾，用户完全可以放心的使用该产品。

　　开发高效求解技术

　　对于绝大多数复杂问题的求解来说，高效可靠的求解过程是非常重要的。 ABAQUS/Standard 提供并行的稀疏矩阵求解器。该求解器对各种大规模计算问题都能十分可靠地快速求解。不仅如此，ABAQUS/Standard 还包含许多新颖的求解技巧来提高求解速度。

　　改进现有工作流程

　　业内领先的 ABAQUS/Standard 分析能力，结合与现有前后处理器的兼容能力，使 ABAQUS 常常成为用户的唯一选择：用户可以把他们所有的有限元分析需求全部集成在 ABAQUS 中进行求解。 ABAQUS/Standard 不仅可以在现有的工作流程中方便的使用，还可以借助它强大的功能显著的改进现有的工作流程。

　　ABAQUS/Explicit模块

　　求解复杂的非线性问题

　　ABAQUS/Explicit 是求解复杂非线性动力学问题和准静态问题的理想程序，特别是用于模拟冲击和其它高度不连续事件。 ABAQUS/Explicit 不但支持应力 / 位移分析而且还支持完全耦合的瞬态温度-位移分析、声固耦合分析。 ABAQUS/Explicit 与 ABAQUS/Standard 有机的结合，使求解能力更加强大和灵活。任意的拉格朗日 —欧拉 (ALE) 自适应网格功能可以有效地模拟大变形非线性问题，例如金属成形。

　　使用的可靠性

　　ABAQUS/Explicit 的开发有着严格的质量监控，它是同类软件中唯一同时达到了 ISO9001 和美国国家标准协会 / 美国机械工程师协会( ANSI/ASME )颁布的核工业质量保证程序 NQA-1 规范要求的软件。为了保证在工业生产中使用该产品的可靠性和高质量， ABAQUS/Explicit 的每一个版本都经过了一系列广泛的测试，包括超过 3500 个回归测试和许多对用户模型的测试。

　　精确、可靠的分析

　　分析一项工程问题所使用工具的质量，极大地影响该问题求解的可靠性和质量。 ABAQUS/Explicit 恰当地运用力学知识和算法，能使问题得到有效的、精确的解答。这就保证了相同的问题在不同的计算机平台上或者当计算机的处理器个数不同时都能得到相同的结果。此外， ABAQUS/Explicit 拥有最好的工业技术支持和最完备的用户指南，使您在使用该软件时信心十足。

　　开发高效求解技术

　　ABAQUS/Explicit 为用户提供了高效模拟各类问题的技术。在各种的处理器上 ABAQUS/Explicit 显示出强大的并行处理能力。 ABAQUS/Explicit 拥有全面的处理接触问题的功能，能够模拟模型里许多部件之间复杂的接触和相互作用并且显著地削减运算时间。其它功能，如质量缩放和重启动，使 ABAQUS/Explicit 成为有效地模拟复杂问题的工具。

　　ABAQUS/CAE模块

　　快速地创建高质量的模型

　　熟悉现代 CAD 系统的用户欣赏基于特征的、参数化建模方法所带来的高效率和机动性。 ABAQUS/CAE 是唯一提供这种几何建模方法的有限元前处理程序。用户能够创建参数化几何体如：拉伸、旋转、扫略、倒角和放样。同时也能够由各种流行的 CAD 系统导入几何体，并运用上述建模方法进行进一步编辑。

　　全面支持 ABAQUS 的分析功能

　　ABAQUS/CAE 支持广泛的 ABAQUS 分析功能并且为初学者和经验丰富的用户提供人机交互的使用环境。熟悉的 ABAQUS 分析概念，如分析步、接触、约束和预设条件等，能够通过操作简便的界面得以实现。 ABAQUS/CAE 还提供了完全的后处理和可视化功能，即使最大规模的 ABAQUS 分析结果也可以高速、高质量地进行绘图。

　　混合建模方法的使用

　　在实际的分析过程中，几何体和网格体往往共同存在于模型中， ABAQUS/CAE 通过混合建模方法能够非常容易的处理这种情况。用户可以处理基于几何体的数据，同时也可以处理导入的纯的节点和单元数据，这些数据没有任何几何拓扑关系。接触、载荷以及边界条件能够施加在几何体上或者直接施加在单元的节点、边或面上。这种允许几何体与网格体混合使用的建模环境，为用户分析特定问题提供了非常好的的灵活性。

　　流程化和自动化处理

　　ABAQUS/CAE 建立在一个开放的可拓展的平台之上，这使得用户可以对成熟的工作流程进行二次开发。从基本的宏功能和重放文件到完全集成的企业级应用， ABAQUS/CAE 提供了一个丰富的工具包来自动化处理各种任务和流程，并容易将 ABAQUS 的有限元分析功能向更广阔的用户群推广。

　　其它模块

　　Fe-safe

　　Safe Technology 是设计和开发耐久性分析软件的技术领导者。目前世界上有超过 100 家公司把 Fe-safe 作为标准的耐久性分析工具，其中包括 Caterpillar Inc, Cummins Inc, International Truck & Engine Company, Dana Corp, SKF 和 Rolls Royce 。

　　新版本的 Fe-safe

　　Fe-Safe 世界上非常先进的耐久性分析工具包。在 fe-safeWorks 耐久性分析产品和服务中， fe-safe 是旗舰性的产品。 5 版本中，在分析速度有了显著的提高，并且添加了很多新特征和一些独特的功能。用户界面的改进，使得 fe-safe 更容易使用。

　　更加强大的功能

　　增加的分析速度

　　快速识别非损伤节点的优化疲劳算法和少有的技术，使得 Fe-safe 在分析速度上取得了飞速的进步，并且在求解精度上没有作出任何的牺牲。对于某些分析，分析时间减小到原来的 40% 。

　　客户比较性的研究不断的显示出 Fe-safe 是最快的疲劳分析代码。耐久性评估程序现在可以更快的给出分析结果，缩减产品上市的时间，并且允许包含更多的附加分析条件。

　　默认的疲劳分析算法

　　基于选定的材料， Fe-safe v5 将自动选择最合适的疲劳算法，使得非专业用户可以自信的使用 Fe-safe 软件。在单个分析中，可以在模型的每个区域使用不同的算法和材料。这是 Fe-safe 独有的特点。

　　改进的载荷定义方法

　　同其它产品相比， Fe-safe 的载荷定义方法更具有代表性和广泛性。处理块过渡的方法被改进。可以在疲劳寿命分析中引入弹塑性残余应力，比如模拟加工过程和组装过程。

　　更多的功能

　　在 v5 中，引入了超过 100 个功能的改进，保持了较高级耐久性分析软件的领军地位。

　　主要的改进，其中许多是 Fe-safe 特有的，包括：

　　为每个组采用用户自定义的方法 – 允许为每个单元组定义不同的分析算法和不同的平均应力纠正。对于焊点连接，可以为每个焊点指定不同的焊接类型。

　　整个模型的附加分析输出，单个组或选定的单元，包括：

　　- 载荷敏感性

　　- 每块的损伤

　　- 寿命最差节点列表

　　- 临界平面方位

　　- 通过输出应力 - 时间和应变 - 时间历程，模拟 “ 虚拟应变计 ”

　　- 日志文件中增强的诊断输出

　　对于分析组，估计的或测量的残余应力可以用于定义单个的面内应力

　　可以分析多层的壳单元

　　Fe-safe/Rotate 附加模块对所有支持的平台可用。利用单个的有限元分析结果，

　　Fe-safe/Rotate 可以为轴对称组件(部件的组件)作快速简单的疲劳寿命分析。

　　对于所有支持的有限元分析工具， Fe-safe/TMF 附加模块支持热力疲劳分析

　　用户可以自定义有限元模型和材料的单位 – 用户可以选择英制或国际单位制。

　　用户可以自定义疲劳寿命的单位，比如小时、里、出动架次或操作次数，而不是简单的重复的载荷。

　　可以从列表中选择表面剖光类型，程序将自动的选择 Kt 值。用户可以自己创建表面剖光数据库。在 Fe-safe 中，包含三个基于公开发布数据的数据库。

　　强大的宏观记录和批处理功能，使得重复性的工作和日常分析可以非常简单的定义，并容易的运行

　　ABAQUS-Aqua

　　ABAQUS/Aqua 拓展了 ABAQUS/Standard 在海洋工程中的应用。它包括海洋平台导管架和立管的分析、 J 形管的拖曳模拟、底部弯曲计算和漂浮结构的研究。结构可以承受由稳定流和波效应引起的拖曳力、浮力和流体惯性载荷。还可以为自由水面以上的结构施加风载。 ABAQUS/Aqua 与 ABAQUS/Standard 其他的功能兼容，同时可以考虑静力、动力或频率分析中的线性和非线性效应。

　　周围介质

　　1. 流体分布 用户提供流体密度和引力常数，同时需要提供稳态流速度与相对海床的位置和高度的函数。

　　2. 波的分布 可以通过分析过程中计算的流体粒子速度、加速度和动力学压力，可以定义重力波。同时包含 Airy (线性)波理论和 Stokes 5 阶理论。 Airy 理论允许任意数量的波列沿不同的方向传播。单个波列用于 Stokes 非线性理论，适合于模拟深水或大浪的情况。另外，可以直接在固定的网格上指定波速、加速度和动力学压力，然后通过线性或二次插值得到感兴趣点的相应的值。用户还可以通过用户子程序，将其他类型的波载施加到结构当中。

　　3. 风的分布 因为 ABAQUS/Aqua 纪录自由表面的高度，而且还允许结构的部分浸没，所以风载只对结构暴露在空气中的区域有效。用户可以指定风速的分布，用于计算梁、管道和一维刚体单元的载荷分布。风的分布在水的自由表面以上的部分以指数函数的形式沿高度变化。在水平面上，风不发生变化。

　　载荷

　　除了 ABAQUS/Standard 提供的载荷形式(重力载荷、静水压力等等)， ABAQUS/Aqua 为部分或全部浸没的结构提供特定的载荷库。用户可以指定那些单元承受那些类型的载荷，比如浮力或拖曳力。基于单元的几何形状、流体属性、稳态流、波的形式和风速的分布，程序将自动确定载荷的大小和方向。

　　1. 拖曳载荷 利用 Morison 方程计算拖曳载荷。流体和风都可能在结构上产生拖曳载荷。流体表面之下的稳态流和波荷载引起流体拖曳力，它同时具有横向和切向的贡献;风载施加于结构在洋流表面之上的部分，只具有横向作用。在流体和结构之间，切向和横向的作用力同相对速度的平方成比例。

　　2. 浮力载荷 基于外露表面与垂直方向的取向计算浮力。默认情况下，提供封闭端条件。浮力可以用于梁单元、管道单元和弯管单元，还可以施加到刚体的表面用于研究浮动结构，比如张力腿平台和海船。拖曳力、浮力和点载荷可以施加于刚梁。可以得到刚体参考点瞬时的全部垂直载荷、剪力和翻转弯矩。当浮力载荷同波分布同时施加时，由静止表面干扰引起的动力学压力被添加到静水压力，用于计算总体浮力载荷。

　　3. 惯性载荷 惯性力是基于管道和周围流体相对加速度而引入的附加质量的贡献。拓展 Morison 拖曳方程，允许用户分离从稳态流引起的部分拖曳载荷和从波引起的部分拖曳载荷，然后在单个分析中独立地施加这些载荷。频率分析可以包含这些附加质量效应。

　　附加特征

　　1. 锚链 锚链用于海床管道的安装。它的重力与连接管道的漂浮设备的浮力平衡。 ABAQUS/Aqua 中，锚链被理想化为通过悬链线与管道相连的管道固定支座，适合于模拟管道的运动比锚链长度大很多的情况。

　　2. 各项异性海床摩擦 在分析管道直接位于地面或海床上的响应时，摩擦的影响将非常重要。阻碍管道横向运动的阻力大于平行于管道方向的阻力。各项异性摩擦模型可以分析这种效果。海床较软的自然现象可以通过在刚体表面使用软接触表面行为恒容易的模拟。

　　3. 桩脚连接单元 桩脚连接单元利用等效的弹塑性响应，近似的模拟某些海洋平台结构土壤 - 结构的接触。

　　4. 筒体结构的滑动线 通过 在其它的管道中拉伸管道，将管道从海床提升到海面。 ABAQUS/Aqua 具有专门模拟 J 形管拉伸的单元。

　　5. 自升式钻塔底座分析 利用特殊的单元模拟桩脚和海床的弹塑性接触

　　6. 缆绳单元 在底部弯曲分析中，通过缆绳在海床上拖动管道。

　　ABAQUS-Design

　　ABAQUS/Design 拓展了 ABAQUS/Standard 在设计敏感性分析( DSA )中的应用。设计敏感性，即设计参数与设计响应的梯度，有益于理解设计行为和预计设计变化的影响。对于基于梯度的优化设计，设计敏感性分析可以为 "instant re- analysis" 或 v 设计提供依据。

　　在静态分析或频率提取分析中， ABAQUS/Design 可以计算结构对于形状和材料参数的敏感性。敏感性分析使用半解析方法，因此不需要附加的总体刚度矩阵分解。在单元级别进行数值差分，默认情况下自动选择所需的小扰动，以达到足够的精度。

　　设计敏感性分析可以用于分析以下设计响应，比如：位移、应力和应变(包括主值和不变量)、反力、单元体积、接触压力和特征频率。

　　设计参数，如弹性或超弹性材料属性、定向、结点坐标、截面属性和横向剪切刚度等，将显著的影响实体、壳、薄膜、梁和桁架单元的响应。在大位移分析的敏感性计算中，可以考虑非线性几何效应。模型可以包含较小的有限滑动接触，其中摩擦系数可以同设计参数相关。敏感性分析可以被重启动。

　　默认的敏感性算法可以精确的计算敏感性，而不需要用户指定任何的控制数据。用户可以直接指定数值差分方法(向前或中心差分)和参数扰动的大小，在半解析的设计敏感性分析方法的求解精度和求解费用之间权衡。

　　ABAQUS/Design 提供全量的和增量的设计敏感性分析公式。增量公式设合于分析路径相关的解。设计敏感性分析的结果可以利用 ABAQUS/Viewer 查看。比如，可以绘制位移或应力的敏感性云图。还可以用编程的方式访问敏感性分析的结果。

　　ABAQUS for CATIA V5

　　ABAQUS for CATIA V5产品为用户提供了完全集成在CATIA V5的使用环境中，采用功能强大的ABAQUS求解器进行非线性有限元分析的功能。

　　CATIA V5的几何建模功能在业内有着良好的声誉，其三维复杂图形的处理能力更是灵活强大。ABAQUS for CATIA V5 基于CATIA V5的框架内增加了两个ABAQUS的求解分析平台：结构分析和热分析。用户在CATIA V5的操作界面下进行几何建模，模型中的点、面和体成为分析模型的一部分来施加载荷、边界条件和接触定义。这样CATIA的模型同时成为ABAQUS的模型，CAD和FEA工程师无需脱离CATIA的界面就可以运用ABAQUS强大的非线性有限元分析功能，计算得到的结果文件也可以在CATIA中查看。

　　同时，ABAQUS for CATIA V5还为用户提供了随机帮助文档，用户可以根据帮助文档提供的技术细节为线性或非线性分析创建合适的有限元模型。

　　用户前期需要具备的知识包括结构分析的基本概念和CATIA V5的基础建模知识，如有限元的基本概念，部件、装配件的概念和基本的点、线、面操作技能。

　　SIESTA是一种实现电子结构计算和第一性原理分子动力学模拟的程序

　　官方主页：http://www.icmab.es/siesta/

　　背景介绍：(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands ofAtoms)是一种实现电子结构计算和第一性原理分子动力学模拟的程序，同时也是一种实现的方法。软件主要由剑桥大学地球科学系Emilio教授、西班牙马德里Autónoma大学的Soler与其他大学的研究人员共同开发的。SIESTA最早于1997年发布SIESTA 0.8版本，分别经历了SIESTA 0.9、SIESTA1.1、SIESTA1.3, 现在最新的版本是SIESTA2.0，它于2006年开发完成的。

　　软件功能：SIESTA用于分子和固体的电子结构计算和分子动力学模拟。SIESTA使用标准的Kohn-Sham自恰密度泛函方法，结合局域密度近似(LDA-LSD)或广义梯度近似(GGA)。计算使用完全非局域形式(Kleinman-Bylander)的标准守恒赝势。基组是数值原子轨道的线性组合(LCAO)。它允许任意个角动量，多个zeta，极化和截断轨道。计算中把电子波函和密度投影到实空间网格中，以计算Hartree和XC势，及其矩阵元素。除了标准的Rayleigh-Ritz本征态方法以外，程序还允许使用占据轨道的局域化线性组合。使得计算时间和内存随原子数线性标度，因而可以在一般的工作站上模拟几百个原子的体系。程序用Fortran 90编写，可以动态分配内存，因此当要计算的问题尺寸发生改变时，无需重新编译。程序可以编译为串行和并行模式。

　　软件主要有以下功能:

　　l 总能量和部分能量

　　l 原子力

　　l 应力张量

　　l 电偶极矩

　　l 原子，轨道和键分析 (Mulliken)

　　l 电子密度

　　l 几何松弛，固定或者改变晶胞

　　l 常温分子动力学

　　l 可变晶胞动力学 (Parrinello-Rahman)

　　l 自旋极化计算(共线或者非共线)

　　l BZ区的k-取样

　　l 态的局域和轨道投影密度

　　l 能带结构

　　l 通过过滤或移到原子格点的方法平滑“蛋箱效应”

　　l HF和混和泛函

　　l 用多格点方法对溶剂中的分子计算Poisson-Boltzman方程

　　l 其它的线性标度方法

　　l 增强的MD历史框架

　　Siesta 3.0新增功能：

　　1. 功能增強：TranSiesta功能;主程序模块化;计算COOP/COHP/PDOS曲线的新程序，用于化学分析;优化基组、赝势的工具程序;新的过滤流程，用于减少蛋箱结构的影响。

　　2. 新的工具：新版本denchar;新的检查蛋箱脚本;赝势文件解释器;加入新的STM-图像代码;Python、Matlab、Octave语言的脚本工具。

　　3. 新的功能：更灵活的产生基组选项;正确处理带电表面;Ordejon-Mauri线性标度泛函支持奇数电子;PBEsol和Wu-Cohen泛函;优化的增强;新的分子力学框架，包括Grimme型vdW;任意k点。

　　Fropho 是一个使用 Fortran 语言编写用于实现晶体声子谱分析程序

　　官网：http://fropho.sourceforge.net/

　　fropho calculates phonon in crystal, which is based on Parlinski-Li-Kawazoe method. Information of forces acting on atoms when an atom is displaced is required as input information. Convenient tools for the VASP code are prepared. The development of fropho is going to be replaced by phonopy. phonopy has the interface to the VASP-DFPT force-constants.

　　Function:

　　Phonon band structure

　　Phonon DOS (Vibrational spectra)

　　Thermal properties

　　Mulliken notation assignment of vibration mode

　　Feature:

　　Crystal symmetry check (relying on spglib)

　　Reducing cost to calculate forces and improving accuracy.

　　Space group determination

　　Distortion cleaning of crystal structure.

　　Other:

　　Tools for handling VASP output to make input files are attached

　　Fropho 是一个使用 Fortran 语言编写用于实现晶体声子谱分析程序。它目前提供了VASP、Wien2K 的接口用来计算原子受力，通过分析原子受力得到力常数矩阵。从而根据力常数矩阵进行材料的声子谱及热性能分析。其主要功能有：

　　计算声子色散谱;

　　计算声子态密度，包括分立态密度;

　　声子热力学性质，包括自由能，热容量，焓。

　　接下来简要介绍程序的编译，通过一个简单的算例来介绍它的使用方法。

　　Maple：最为通用的数学和工程计算软件之一

　　官网：http://www.maplesoft.com/

　　Maple 是目前世界上最为通用的数学和工程计算软件之一，在数学和科学领域享有盛誉，有“数学家的软件”之称。Maple 在全球拥有数百万用户，被广泛地应用于科学、工程和教育等领域。

　　Maple 提供智能界面求解复杂数学问题和创建技术文件，集成世界上最强大的符号计算和高性能数值计算引擎，内置超过5000个计算命令，覆盖几乎所有的数学分支，如微积分、微分方程、特殊函数、线性代数、图像声音处理、统计、动力系统、等等。

　　Maple 是所有数学工作的理想环境。智能的文件环境提供革命性的可点击数学技术，解决任意技术学科中的数学问题。用户可在易于使用的智能文件环境中完成科学计算、建模仿真、可视化、程序设计、技术文件生成、报告演示等，从简单的数字计算到高度复杂的系统，满足各个层次用户的需要，从高中生到高级研究员。

　　Maple 是现代工程师和科学家必备的工具：可用于项目的各个阶段，方案设计-建模-科学计算-文件报告，从初始的概念探索和数字化设计，高保真模型，到最终的技术文件和演示。

　　Maple 的主要特征

　　强大的求解器：数学和符号计算软件的领导者

　　内置超过5000个符号和数值计算命令，覆盖几乎所有的数学领域，如微积分，线性代数，方程求解，积分和离散变换，概率论和数理统计，物理，图论，张量分析，微分和解析几何，金融数学，矩阵计算，线性规划，组合数学，矢量分析，抽象代数，泛函分析，数论，复分析和实分析，抽象代数，级数和积分变换，特殊函数，编码和密码理论，优化等。

　　各种工程数学：优化，统计过程控制，灵敏度分析，动力系统设计，小波分析，信号处理，控制器设计，集总参数分析和建模，各种工程图形等。

　　提供世界上最强大的符号计算和高性能数值计算引擎，包括世界上最强大的微分方程求解器(ODEs，PDEs，DAEs)。

　　智能自动算法选择。

　　支持单位和公差计算。

　　高级编程语言，让您能够开发更复杂的模型或算法。

　　Maple 与新一代多领域建模和仿真工具 MapleSim 紧密集成，为 MapleSim 提供求解器。

　　技术文件环境：重新定义数学的使用性

　　大量易学易用的工具和特征，用户即使没有任何语法知识也可以完成大量数学问题的计算，戏剧性缩短学习曲线。

　　技术文件界面组合文字、数学、图形、声音、建模、科学计算等您所有的工作。

　　大量的绘图和动画工具，包括超过150种图形类型。基于OpenGL的可视化技术，可定义相机轨迹。图片输出格式包括：BMP、DXF、EPS、GIF、等等。

　　数据输入和输出格式：ASCII、CSV、MATLAB、Excel、等等。

　　Maplet让您快速建立客户用户界面和应用程序。

　　各种文件处理工具，如页眉页脚、段落、幻灯片等;各种图元件，刻度盘、滑动条、按钮等可在图元件中添加程序，实现交互式模拟操作。

　　知识捕捉：不仅是工具，更是知识

　　Maple是您所有数学工作的理想环境，您所想象的数学就是您在Maple中做数学的方式。

　　多种格式(1D、2D)输入数学内容，如教科书一样地显示和操作数学和文字。

　　工作过程包括最初的草稿、计算、深度分析、演示报告、共享，以及重用。

　　专业出版工具包括文件处理工具，可输出Maple文件为PDF、HTML、XML、Word、LaTeX、和MathML格式文件。

　　特有的教育功能包，包含特定主题的计算方法信息和Step-by-Step求解步骤。

　　使用MapleNET发布交互式内容到web上，将您的工作交互式呈现给您的同事、学生、和同行。

　　外部连接：无缝集成到您现有的工具链中

　　MATLAB连接：您可以使用MATLAB Link在Maple中调用MATLAB完计算，以及利用MATLAB代码生成和转换的功能;另一个选择是Maple Toolbox for Matlab工具箱，Maple-Matlab双向连接，共享数据、变量等。

　　OpenMaple API - 在外部程序中使用Maple作为计算引擎，或者在Maple中使用外部程序。

　　Maple - CAD系统双向连接：通过CAD Link为CAD系统增加重要的分析功能，如统计、优化、单位和公差计算等，结果在CAD模型中自动更新，目前支持SolidWorks，NX，和 Autodesk Inventor。

　　Excel：Excel数据的输入和输出;通过加载项(宏)，在Excel内使用Maple计算命令。

　　数据库：对大型数据集完成分析和可视化。

　　Simulink：输入和输出Simulink模块，添加Maple的分析和优化功能到Simulink模块。

　　OpenMaple API - 在外部程序中 (如C/Java/VB) 使用 Maple 作为计算引擎，或者通过External calling，在Maple中使用外部程序，如C/Java/Fortran。

　　MedeA-Vasp：材料第一原理计算软件

　　官方主页：http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp/

　　中文介绍

　　VASP是使用赝势和平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于CASTEP 1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域密度近似(用自由能作为变量)以及对每一MD步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混 合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电 子的相互作用超缓Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子 所必需的平面波数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。

　　功能

　　一、VASP程序的亮点：

　　1、VASP使用PAW方法或超软赝势，因此基组尺寸非常小，描述体材料一般需要每原子不超过100个平面波，大多数情况下甚至每原子50个平面波就能得到可靠结果。

　　2、在平面波程序中，某些部分代码的执行是三次标度。在VASP中，三次标度部分的前因子足可忽略，导致关于体系尺寸的高效标度。因此可以在实空间求解势的非局域贡献，并使正交化的次数最少。当体系具有大约2000个电子能带时，三次标度部分与其它部分可比，因此VASP可用于直到4000个价电子的体系。

　　3、VASP使用传统的自洽场循环计算电子基态。这一方案与数值方法组合会实现有效、稳定、快速的Kohn-Sham方程自洽求解方案。程序使用的迭代矩阵对角化方案(RMM-DISS和分块Davidson)可能是目前最快的方案。

　　4、VASP包含全功能的对称性代码，可以自动确定任意构型的对称性。

　　5、对称性代码还用于设定Monkhorst-Pack特殊点，可以有效计算体材料和对称的团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或四面体方法。四面体方法可以用Blöchl校正去掉线性四面体方法的二次误差，实现更快的k点收敛速度。

　　二、VASP 5.2的新功能：

　　1、大规模并行计算需要较少的内存。

　　2、加入新的梯度校正泛函AM05和PBEsol;用标准PBE POTCAR文件提供新泛函;改善了单中心处理。

　　3、离子位置和格矢中加入有限差分，从而得到二阶导，用于计算原子间力常数和声子(需要超晶胞近似)，和弹性常数。计算中自动考虑对称性。

　　4、离子位置和静电场中加入线性响应，从而得到二阶导，用于计算原子间力常数和声子(需要超晶胞近似)，Born有效电荷张量，静态介电张量(电子和离子贡献)，内应变张量，压电张量(电子和离子贡献)。线性响应只能用于局域和半局域泛函。

　　5、精确的非局域交换和杂化泛函：Hartree-Fock方法;杂化泛函，特别是PBE0和HSE06;屏蔽交换;(实验性的)简单模型势GW-COHSEX，用于经验的屏蔽交换内核;(实验性的)杂化泛函B3LYP。

　　6、通过本征态求和计算含频介电张量：使用粒子无关近似，或通过GW的随机相近似。可用于局域，半局域，杂化泛函，屏蔽交换，和Hartree-Fock。

　　7、完全含频GW，速度达到等离子极点模型：单发G0W0;在G和W中迭代本征矢直至自洽;(实验性的)迭代G(也可以选W)本征矢的自洽GW;(实验性的)对相关能使用RPA近似的GW总能量;用LDA计算G和W的顶点校正(局域场效应)，仅能用于非自旋极化的情况;(实验性的)W的多体顶点校正，仅能用于非自旋极化的情况。

　　实验性的功能：用TD-HF和TD-杂化泛函求解Cassida方程(仅能用于非自旋极化的Tamm-Dancoff近似);GW顶点的Bethe-Salpeter(仅能用于非自旋极化的Tamm-Dancoff近似)。

　　ADF：化学家的通用密度泛函程序

　　官网：http://www.scm.com/

　　ADF基于密度泛函理论(DFT)，主要应用于量子化学计算。广泛应用于医药化学，材料学等研究及应用领域。特别应用于同类和异类催化，无机化学，重元素化学，生物化学及多种光谱学。包括分子ADF程序，周期结构程序BAND(专门用于计算周期性体系晶体，聚合物等)和图形用户界面程序ADF-GUI(可以在图形界面下创建ADF计算任务和图形显示结果)。

　　功能

　　单点计算，几何优化，过渡态，频率和热动力学特性，跟踪反应路径，理论预测化学催化过程，计算任意电子组态，激发能和(超)极化率，使用含时密度泛函(TDDFT)理论(于1999年，2002年分别加入到ADF模块和BAND模块中)，NMR化学位移，激发能，超极化率，范德瓦尔斯系数，用QM/MM (量子力学/分子力学)混合近似处理大体系环境。 ADF使用的全部是Slater型基组，不同于大多数量化软件使用的高斯基组。

　　应用范围：基组库包含了Z=1-118号所有元素，而且对常见元素有不同尺寸的基组，从最小的到高质量的，并且对在ZORA近似中的相对论计算和需要附加弥散基函数的响应计算提供了特殊的基组。

　　模型哈密顿量

　　--选择一种密度泛函，局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)。LDA包括Xonly，Xalpha，VWN和Stoll修正的VWN;GGA包括Pw91，Blyp，Lb94以及2002版加入的PBE，RPBE，revPBE等。GRAC和SAOP交换相关势，能够改善LB94和BP的结果。最近流行的Meta-GGA交换相关泛函进行post-SCF处理能够获得标准G2计算的精度。

　　--自旋：限制或非限制。

　　--相对论效应：标量近似和自旋轨道(双群对称性)，使用ZORA(推荐)或泡利原理(以前使用)。

　　--环境：溶剂影响，均匀电场，点电荷(Madelung场)，QM/MM方法分析。

　　--在化学组成(空间相互作用、泡利排斥、轨道相互作用......)中键能的分解。

　　--数据的表示(分子轨道系数、穆里肯布居)， 按照分子中化学片段的组成以及传统的元素基函数表示。

　　--原子的电荷由Hirshfeld分析与Voronoy分析，以及经典Mulliken布居决定。

　　--功能强大的的图形用户界面ADFinput，只用鼠标就能设置ADF非常复杂的计算，还可以显示分子。

　　分析方法

　　1.利用碎片轨道结合生成最终分子轨道;

　　2.键能分析;

　　3.高级电荷密度分析;

　　4.利用分子对称性;

　　5.利用第三方分析软件。

　　ADF 2004.01的新功能

　　1. 改善了格点生成程序，更利于几何优化的收敛。某些在ADF 2003中很难收敛的几何优化计算，现在在十次迭代之内即可收敛。

　　2. TDDFT计算手性光学特性：圆二色性和旋光色散。新的方法实现了并行化，可以很简单地处理大分子。

　　3. Meta-GGA和混合交换-相关泛函(如B3LYP)。

　　4. 几何优化加入新的Hessian更新和坐标限制方法。

　　5. 到NBO 5.0的接口(需单独购买，仅提供给NBO用户)。

　　6. 默认的非限制计算打印S2的期待值，用于检查自旋污染。

　　7. 程序加速：更快的解析二阶导数;并行化的NMR和CPL(用于计算NMR自旋-自旋耦合常数)程序;Fock矩阵计算加速;BAND的TDDFT程序。

　　8. ADF-GUI新增模块：ADFspectra从TAPE21的信息显示不同类型的光谱：DOS，红外，以及光学光谱;ADFmovie显示振动过程中的核移动，监视几何优化的进程。

　　9. Windows版更容易安装和使用，无需再用Cygwin模拟器和进行环境变量设置，计算速度也大大提高。

　　ADF 2005的新功能：

　　1. ADF-GUI支持OpenGL，增加了显示Raman和CD光谱的功能。

　　2. Discrete Reaction Field environment model。

　　3. 基于QM/MM的离散溶剂反应场(DRF)模型。

　　4. Nalewajski-Mrozek键级分析。

　　5. TDDFT支持开壳层分子的激发能计算和核电子激发的计算，包括自旋反转激发。还可以用含时流密度泛函理论(TDCDFT)计算激发能。

　　6. 几何优化加入线性标度技术。

　　7. 几何优化和过渡态搜索使用非定域化坐标，适于大体系和松弛体系。

　　8. 用Nudged Elastic Band (NEB)方法搜索过渡态。

　　9. 频率计算使用对称位移方法，可以只计算IR-可见频率。

　　10.新的交换关联势：XC势和能量包括KT1，KT2，XLYP;XC能量泛函包括OPBE0和X3LYP。

　　11.ZORA TZ2P+基组增加了对57-70号元素的支持。

　　12.对于H-Kr元素，对非相对论的SZ，DZ，DZP，TZP，TZ2P基组增加了弥散函数，用于TDDFT的激发能计算。

　　13.LDA势的解析二阶导数。

　　14.产生PDB文件。

　　15.更新了物理常数。

　　ANSYS/LS-DYNA：全世界最知名的有限元显式求解程序

　　官网：http://www.ansys.com/products/lsdyna.asp

　　ANSYS/LS-DYNA的前后处理器是ANSYS/PRE-POST,求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。

　　LS-DYNA在1976年由美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)J.O.Hallquist博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。LS-DYNA的源程序曾在北约的局域网Pubic Domain公开发行，因此在广泛传播到世界各地的研究机构和大学。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。

　　1988年，J.O.Hallquist创建利沃莫尔软件技术公司(Livermore Software Technology Corporation)，LS-DYNA开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料模式、接触算法以及多场耦合方面获得非常大的进步。

　　1996年功能强大的ANSYS前后处理器与LS-DYNA合作，命名为ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。

　　ANSYS/LS-DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门(航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等)。应用领域是：高速碰撞模拟(如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏)、乘客的安全性分析(保护气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析)、零件制造(冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等)、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机械部件的运动分析等。

　　ANSYS/LS-DYNA强大功能的基础是求解器的理论基础和丰富算法。下面仅就LS-DYNA在模拟冲压、锻压和铸造等工艺过程的功能和特色进行说明：

　　1. 冲压

　　薄板冲压过程的物理描述是：在模具各部件(通常是凸模、凹模和压料板)的共同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动外功，而能量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。由此可见，对于成形过程的模拟，软件的接触(contact)算法的理论和精度决定程序的可靠性，除此之外，由于板料的位移和变形很大，用来模拟板料的单元类型应满足这一要求。

　　进行一定的假设：模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的位移边界条件。将冲压过程的物理模型转化为力学模型，即动量方程、边界条件、初始条件。

　　可描述为：在给定的模具位移条件下，求得板料的位移函数，并在任意时刻同时满足动量方程、边界条件和初始条件。这已经是一般性的力学问题，可采用有限元的方法进行求解。

　　LS-DYNA在分析冲压时模具定义为刚体，因此板料和模具都应用壳单元进行离散。LS-DYNA的单元都采用Lagrange增量方法进行描述。其壳单元算法共有16种，可用于板成形分析使用的单元有11中，可分类为四节点和三节点单元;单点积分、多点积分单元和缩减积分(select-reduced)单元。

　　单元采用co-rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动。使用单点积分的求解速度很快，一般都可得到可靠的结果。当单元的翘曲和弯曲变形较大时，可通过增加沿壳厚度方向的积分点数目保证精度。用于板料成形的材料模式是各种弹塑性材料，可考虑各向异性、强化特征。强化类型包括指数强化、随动强化、等向强化、混合强化以及应变率对材料强化的影响。

　　应变率的影响归结为两种方式，1.采用Cowper-Symonds模型;2.以表格方式给定任意应变率下的应力-应变曲线。部分材料模式引用Hill或Barlat的各向异性屈服假设，并假定壳单元的平面应力状态，因此几乎专用于板成形模拟。并且还能够通过给定材料的FLD(flow limit dia.)判断板料在拉延过程中局部开裂现象。

　　LS-DYNA目前的接触类型有30余种，适于板成形分析的有12种，都采用罚函数方法(penalty)，在接触计算过程中考虑壳单元厚度及其变化。

　　值得说明的是：

　　1.拉延筋与板料接触(contact-drawbead)，可认为是非线性弹簧算法，需给定单位长度拉延筋的对板料的阻力变化曲线。

　　2.LS-DYNA 新增加三种接触类型(forming类型接触)专用于板成形模拟，这些接触类型降低了对模具网格的连续性要求，并且计算速度更快。

　　LS-DYNA进行板成形分析时可选择使用3D adaptive mesh功能，可在计算过程中对板料网格进行局部加密，网格加密的准则可选择为：1.板厚变化;2.曲率变化;3.单步长接触穿透深度值。

　　2. 锻压

　　锻压过程是金属体积成形过程，与板成形相比，其物理描述和力学模型中相同，但单元、材料、模具定义不同。在锻压过程中往往考虑模具的变形，单元采用实体单元，材料在多数情况下经历较大的温度变化，为热塑性材料。

　　LS-DYNA的实体单元可分为三大类：1.结构单元;2.ALE单元(包括Euler流体单元);3.声单元。进行锻压分析时要采用结构实体单元，这些单元可分为单点积分、多点积分和缩减积分(select-reduced)单元;节点带旋转自由度(nodal rotations)和不带旋转自由度单元。

　　单元采用co-rotational坐标系统分离单元运动中的变形和刚体运动，并在应力更新中采用Jaumann应力率，避免因刚体运动产生应力。在剪切变形较大时，可选择使用Green-Naphdi应力率。变形结构单元为8节点6面体，可退化为6节点5面体或4节点4面体。

　　LS-DYNA的热塑性材料通过列表给定不同温度下的材料性质，例如常用的一种各向同性热塑性材料可将整个温度范围分成7段，每个温度段内可定义不同弹性模量、泊松比、屈服应力、硬化模量、热膨胀系数等参数，这种材料采用线性硬化模式。材料的热性能(比热、导热系数等)可为各向同性或各向异性。

　　在LS-DYNA中结构材料和热材料的定义是分开的，并且在接触传热分析中定义相关热接触界面，因此可进行结构和热场的耦合分析。 在多数锻压分析中，随着金属件成形过程的继续，初始网格的变形逐渐加大，将导致单元精度降低甚至发生畸变，因此必须使用网格重新划分功能(remeshing)。

　　网格重划分包括以下几个步骤：

　　1.检查网格的变形程度，若超过规定的变形度停止计算，保存结果;

　　2.检查需要改变位置的节点，调整节点位置，保证材料边界不变，材料内部节点可自由移动。

　　3.将保存的结果映射到新的网格上。

　　4.重新对网格初始化并进行计算。

　　LS-DYNA对于二维与三维网格，皆提供重划分网格的功能。另外，LS-DYNA早已采用一种更为先进的网格ALE，即任意拉格朗日-欧拉网格。ALE网格进行Rezoning的目的和过程与Remeshing基本相同，但两者的网格描述存在本质差异(后者是拉格朗日网格)。ALE结合拉格朗日和欧拉网格各自的优点，已广泛用于结构材料的极度变形。有关ALE的技术在下面详细说明。

　　3.浇注

　　前面已经提到，结构单元运动描述采用Lagrange方法，这是因为Lagrange描述中始终以初始构形为求解的参考构形，由材料点(material point，在Total Lagrange中是初始构形的X0 ，在Updated Lagrange描述中参考构形是上一个积分步的构形，即X n-1)来确定动量方程、运动-应变关系、应变-应力关系。

　　由此可见，任一单元的积分点在整个过程当中可以保持不变，即为同一材料点，这对于求解历史相关的变形问题是极为重要的，因为对于固体结构材料而言，正是如此。对流体介质，LS-DYNA采用Euler描述，即以当前构形(通常记为spatial point x)，来确定动量方程、变形-应变关系、应变-应力关系，因此不同时步单元积分点不是相同的材料点，即物质可以在Euler网格间输运，由物质的运动导致压力和能量在Euler区传播。

　　Lagrange和Euler 是对物质运动的两种表述，这两种方法本质上是一样的，但由于采用的自变量(其自变量分别为X，t和x,t)不同，各自具备特点。在形式上，前者的网格节点与材料点在物质运动过程中一一对应;而后者节点不动，材料点在Euler网格中移动。在前者，任意材料点的历程都可以得到，在后者，只能得到t时刻Euler节点处材料点的特性，在下一时刻是另外一个材料点的特性，而处于此节点处的材料从何处来到那里去难以确定。

　　此外，在物理描述上，Lagrange和Euler在确定动量方程、质量方程、和能量方程时存在较大的不同，通常Euler方程采用保守形式，而Lagrange方程往往应用工程假设采用简化格式，这一点在质量方程的表达上尤为明显。

　　总之，Lagrange和 Euler是对连续介质运动的两种描述，由于参考构形的选择不同(或者说是观测者位置不同)，导致对物质运动的观测和描述的侧重点存在差异。

　　ALE方法最早是由Noh(1964)以耦合欧拉-拉格朗日的术语提出的，至80年代末90年代初才形成成熟理论并在少数分析程序中出现。在ALE描述中，网格点可以随物质点一起运动，但也可以在空间中固定不动，甚至网格点可以在一个方向上固定，而在另一个方向上随物体一起运动。

　　ALE中，有限单元的剖分是对参考构形进行的，网格点就是参考点，网格是独立于物体和空间运动的，亦即参考构形是已知的，初始构形和现时构形是待求解的。 由于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各自的缺点，成为目前非线性连续介质力学中大变形分析的十分先进有效的方法。

　　早在91年，DYNA程序中就成功地引入ALE算法，在流体动力学、流体-结构相互作用、加工成型、碰撞、爆炸冲击、接触等大变形问题中得到了广泛的应用，如海啸、坝的决口、容器中流体的大幅度晃动和液体泄露、液体中高压气泡的扩展、水下爆炸、超高速碰撞、成型装药、鸟撞飞机、锻压等等。

　　ANSYS/LS-DYNA的算法除拉格朗日和ALE外，还包括欧拉和多物质流体求解。欧拉构形主要有三种：一阶精度的Donor Cell;二阶精度的Van Leer;二阶精度的Van Leer +Half Index Shift。多物质流体的单元构形主要有二种：流体+空材料和全空材料;多种材料的混合单元(压力平衡)。

　　这些模型都可以和通用的固体结构单元如solid、shell、brick和beam等单元自动耦合，不需要滑移界面。同时，此类求解器的加入，使ANSYS/LS-DYNA具有了可压缩流体流动分析的能力，可求解如自由界面流动、波浪破碎、任意管道流动、流体混合、复合材料等的注塑成型、金属构件浇注成型、高速高压气体注入等复杂的流体和流体-结构耦合问题。

　　LS-DYNA在进行浇注模拟时，模具的空腔定义为Euler区，并将其材料定义成空(void)或任何物质(如空气)，浇口处单元定义为Euler源(Euler ambient)，即物质由此进入Euler区，物质运动的动力是压力和(或)重力。

　　LS-DYNA的流体介质定义为流体动力材料，其性质主要包括密度和粘性，单元的压力以及可压缩性由附带的状态方程决定(状态方程即压力方程，其自变量包括密度、温度、内能)。 随着物质由浇口流入Euler区，空腔和浇口的压力差逐渐降低，最终达到平衡，模拟即可终止。 在浇注分析中可考虑热扩散，LS-DYNA中可方便施加温度边界条件和热生成。

　　总之，LS-DYNA时间积分器采用中心差分格式，对未知量显式求解。由于质量矩阵进行对角化处理，可进一步加快求解速度。例如一般的冲压、锻压、铸造等问题合理控制有限元规模，在PC机上运行5-20小时能得到理想结果，这样的效率是其它程序难以相比的。

　　ANSYS Mechanical：通用机械分析软件

　　官网：http://www.ansys.com/products/structural-mechanics/default.asp

　　ANSYS Mechanical包含通用结构力学分析部分(Structure模块)、热分析部分(Professional)及其耦合分析功能。

　　ANSYS Mechanical具有一般静力学、动力学和非线性分析能力，也具有稳态、瞬态、相变等所有的热分析能力以及结构和热的耦合分析能力，可以处理任意复杂的装配体，涵盖各种金属材料和橡胶、泡沫、岩土等非金属材料。

　　ANSYS Mechanical的耦合场分析功能具有声学分析、压电分析、热/结构耦合分析和热/电耦合分析能力。

　　ANSYS Mechanical也可与ANSYS CFX专业流体分析模块进行实时双向的流固耦合分析。

　　特色功能

　　前后处理

　　双向参数互动的CAD接口

　　智能网格生成器

　　各种结果的数据处理

　　各种结果的图形及动画显示

　　全自动生成计算报告

　　结构静力分析(线性/非线性)

　　叠层复合材料(非线性叠层壳单元、高阶叠层实体单元、Tsai-Wu失效准则、图形化)

　　非线性分析能力

　　几何非线性(大变形、大应变、应力强化、旋转软化、压力载荷强化)

　　材料非线性(近70种非线性材料本构模型，含：弹塑性、蠕变、粘塑性、粘弹性、超弹性、非线性弹性、岩土和混凝土、膨胀材料、垫片材料、铸铁材料等)

　　单元(或称边界/状态)非线性

　　高级接触单元(点对点接触、点对面接触、刚对柔面面接触、柔对柔面面接触、线性接触(MPC)等，支持大滑移和多种摩擦模型，支持多场耦合接触)

　　其它非线性单元(旋转铰接单元、弹簧-阻尼器单元、膜壳单元、……)

　　动力学分析能力

　　模态分析(自然模态分析、预应力模态分析、循环对称模态、阻尼复模态、模态综合分析)

　　谐响应分析

　　瞬态分析(线性/非线性、多种算法)

　　响应谱和随机振动分析(单点谱、多点谱、功率谱)

　　转子动力学分析

　　屈曲分析(线性屈曲、非线性屈曲、循环对称屈曲分析)

　　高级对称分析(循环对称模态分析、循环对称结构静力分析、轴对称、平面对称和反对称)

　　断裂力学分析(应力强度因子、J积分、裂纹尖端能量释放率)

　　通用疲劳分析

　　结构热分析部分(Professional)

　　稳态温度场(热传导、热对流、热辐射)

　　瞬态温度场(热传导、热对流、热辐射、相变)

　　管流热耦合

　　支持复杂热载荷和边界条件

　　非线性特性(接触传热、非线性材料)

　　耦合场分析部分及其它功能

　　静流体分析(流固耦合静动力分析)

　　声学分析(声波在各种声学介质中的传播、声波的反射和吸收(远场))

　　耦合场分析

　　设计优化：多种优化算法、多种辅助工具

　　拓扑优化：拓扑形状优化、拓扑频率优化

　　概率设计系统(PDS)

　　十种概率输入参数

　　参数的相关性

　　两种概率计算方法：蒙特卡罗法、响应面法

　　支持分布式并行计算

　　可视化概率设计结果

　　其它实用技术

　　P单元、子结构、子模型分析技术

　　单元生死分析技术

　　专用单元(螺栓单元、真实截面梁单元、表面效应单元、轴对称谐波单元、……)

　　二次开发特征

　　ANSYS参数化设计语言(APDL)

　　用户可编程特性(UPF)

　　用户界面设计语言(UIDL)

　　专用界面开发工具(TCL/TK)

　　外部命令

　　求解器：直接求解器、多种迭代求解器、特征值求解器

　　并行求解器

　　分布式ANSYS 求解器：包括两个稀疏矩阵求解器(“Sparse”和“Distributed Sparse”直接求解器)、一个PCG求解器和一个JCG求解器

　　代数多重网格求解器AMG：支持多达8个CPU的共享式并行机(CPU每增加一倍，求解速度提高80%，对病态矩阵的处理性能优越)

　　客户价值

　　提供与CAD软件的双向几何接口;

　　对复杂装配体自动生成接触，也提供手动生成接触的向导;

　　软件高效的并行求解器，提供超大规模模型求解能力;

　　提供强大的非线性分析能力，在三个方面具有独特优势：先进的非线性单元、广泛的非线性材料模式和稳健的接触分析;

　　全面的动力学分析能力;

　　耦合场求解功能，有效处理诸如摩擦生热、接触传热、焊接过程分析等热/结构分析问题，以及压电、热/电耦合和声学问题。

　　AVS/Express：三维可视化软件开发版

　　官网：http://www.avs.com/software/soft_t/avsxps.html

　　AVS/Express高级可视化系统是居于世界领先水平的多维可视化开发平台，广泛应用于：工程分析、航空航天、国防、油气田、地理信息与遥感、环境、医学图象、流体力学计算、有限元分析、电信、金融等领域。并与许多功能软件和格式都有直接的本地接口，如MSC-NASTRAN、MSC-DATRAN、MSC-DYTRAN、ANSYS、FLUENT、DXF等，AVS/Express具有强大的可视化功能、是软件集成平台。AVS公司的核心产品是AVS/Express开发版。其他软件产品或是由它演变而来，或是为它服务的。AVS/Express分为开发版和可视化版两种版本，AVS/Express可视化版主要是面向最终用户设计的软件产品。

　　AVS/Express MPU(Multi-Pipe Edition)是SGI，KGT Inc.，曼彻斯特可视化中心和AVS公司最新的合作结果，是专门为SGI的Onyx2 Multi-Pipe高性能工作站设计的。利用Multi-Pipe或Multi-Channel显示环境MPU为科学家、研究员和其他技术开发人员提供最全面的可视化和分析能力。MPU灵活、可扩展且易于使用，还为虚拟现实系统提供宽幅的可视化能力，使用户可使用图象可视化的最新技术。MPU为虚拟现实研究和工程可视化调度设计提供一个坚实的平台。MPU可以达到并行实时显示的非常好的效果。

　　下面重点介绍AVS/Express开发版。

　　对于要求进行交互式可视化和图形功能的科学和应用来说，AVS/Express开发版提供了一个适合于多种平台的可视化应用的开发环境。利用面向对象的可视化编程环境，开发者可以快速地进行交互式图形应用，以便在开放和可扩充的环境中处理大量数据问题。AVS/Express开发版提供了有关先进图形、图象、数据可视化、数据库接口、注释和硬拷贝等现代先进技术。

　　一.一个多平台的可视化应用开发环境

　　AVS/Express开发版是一个可在各种操作系统下开发可视化应用程序的平台，使用它可以快速建立具有交互式可视化和图形功能的科学和商业应用程序。开发者可以使用其面向对象的可视化编程环境，在一个开放和可扩展的环境下快速建立应用程序原型，处理海量数据问题。AVS/Express开发版提供了有关图形、图象、数据可视化、数据库接口、注释和硬拷贝输出等方面的许多先进技术。

　　AVS/Express的可视化编程环境提供了一个易于使用的编程接口，使传统的3GL和4GL开发方法黯然失色。这个环境增加了软件的可重用性，提高了软件开发的效率，是目前市场上功能最强的可视化开发工具。

　　开发版具有大量预制的可视化编程对象，以提供一个功能强大的可视化开发环境。开发者除了可以使用诸如2D和3D图形观察器之类的高级对象之外，还可对这些高级对象进行重新定制(例如：重新设置一个观察器中光线的数目)。

　　开发版对其支持的所有平台均是授权的，用户可将其应用程序生成各种平台下的标准执行程序，脱离AVS/Express单独执行。由于对应用程序采取了高级的可视化描述，从而使用户应用程序可方便地实现跨平台移植。用户只需要做少量的工作，即可使你的应用得到可视的表示，然后在选定平台上编译成独立的可执行程序。

　　二.AVS/Express开发版的组成部分

　　1.图形显示软件包(Graphic Display Kit)

　　图形显示软件包提供对文本、二维图象、二维或三维几何对象(非结构网格)和体(三维均匀计算网格和三维显示空间)进行显示和处理的图形组件基本技术。该软件包主要包括：

　　1) 高级特性

　　提供统一的二维/三维显示通道，以支持在同一个坐标系中图象、二维/三维对象和体的一体化显示和注释，这使得它可以容易地显示复杂的景物。

　　提供图形硬件加速或软件显示器(软件显示器支持一些先进的显示功能，包括透视、反混淆, 纹理映射等)，最大限度地利用硬件加速功能。

　　提供无需产生中间几何图形的直接数据显示，以便实现对存储器的有效管理。

　　提供对静态和动态对象的超高速缓存模式，以利于快速显示。

　　2)显示元素

　　包括视图、照相机和灯光等(在一个应用中的单视图或多视图;每个视图中一个照相机对多个对象和和灯光;照相机方向和投影控制等)。

　　3)显示基元

　　包括图象、线、多边形、文本等

　　二维图象：支持8或24位图象显示模式;支持8位抖动显示;所感兴趣区域(ROI)的草图;体的切片显示等。

　　二维几何图形：支持8或24位显示模式;特别支持彩色，多种模式绘图(点、线、面)，填充和可见性等。

　　三维几何图形：支持8或24位显示模式;特别支持彩色、材质、镜面颜色和透视度;以多种模式支持画图、遮挡、可见性等。先进的特性如透明和纹理映射。

　　体显示：光线跟踪、加速光线跟踪。

　　4)用户界面编辑器

　　包括特性、变换和绘图模式等。

　　5)交互器

　　诸如对象选择和变换(可以滚动跟踪的虚拟跟踪球;可定制的姿态控制;当交互显示时，支持替换对象的显示)。

　　6)拾取操作器

　　例如数据探查(支持非侵入对象的画图，从而改善了交互性)。

　　7)图形对象

　　包括视口、图象组、坐标轴、曲线、图例和提示。

　　8)注释

　　可在任意图象、二维/三维图形上显示高质量的注释。

　　9)硬拷贝输出

　　支持Postscript和CGM输出。

　　2.数据可视化软件包

　　数据可视化软件包包括为可视化和分析大范围数据集而特别设计的对象、数据结构和函数库。AVS/Express的数据模型已被精细地调整，以便对图形敏感应用中经常出现的所有类型数据，包括图象、体、有限元、散列点和几何数据，或者更一般地说是任何多变量数据，进行最有效和最优化的处理。

　　数据可视化软件包的对象是多态的，因此每个对象都可操作许多不同的数据类型(包括原始数据类型如字节、字符、短整型、整型、单精度型、双精度型数据)和不同的类型的集合数据，比如无结构数据集、结构数据集(非规则数据集、正交数据集和均匀数据集)等。

　　数据模型是建立在一个功能强大的“数据—引用”结构基础上的。数据结构可以分层定义，特定数据结构的组件，可被引用作为计算对象的输入。如果一个应用程序需要非常特殊的数据类型，它们可以非常方便地进行定义。另外，一个应用中的数据结构，可以组合到数据模式的基本数据类型，即域数据类型中，从而提供一个单一的数据结构，其中除了可视化数据之外，还包括应用程序特定的属性信息。

　　数据可视化软件包提供了进行可视化的非常丰富手段，其中包括：

　　数据输入/输出部分：读/写图象(AVS .x, BMP, JPEG, PBM, SGI Image, Sun Raster, GIF, TIFF);读/写几何图形;读/写netCDF格式文件;读/写域;读/写UCD;读特定URL点内容;读体数据;读美国中情局数据格式(Word DataBank II database);读美国地理测绘局数字高层数据格式(USGS DEM)等, 读各种工程软件的输出数据。

　　数据分析：如求矢量场旋度、散度、数值大小;标量场的梯度;对矢量或标量场进行探查等。

　　数据处理：选取指定范围的值数据、选取指定网格的数据、缩放数据网格点、位移、缩放、阈等。

　　标量显示技术：城市图、柱状图、等值线、等值面、挖掘三维砖块、正交切片、流带、任意切片、曲面图等。

　　矢量显示技术：流线、矢量表示、图形符等。

　　几何工具：边框、画线、外边界、外表面等。

　　几何图形：箭头、轴、方块、十字、钻石、直线、球、平面、点、探测器等。

　　3.图象处理软件包

　　图象处理软件包是一个分析和处理图象的巨大函数库。用图象处理软件包，用户不仅可以处理单频段图象，还可处理多频段中各个频段的图象、子图象或任何感兴趣区域的图象。这个软件包的关键功能包括：

　　分析：例如图象探查、测量、记录和直方图

　　运算：例如浮点运算、逻辑运算、移位运算

　　绘图/编辑：例如感兴趣区域、网格和查询

　　滤波：高维卷积、边缘、核和中值滤波

　　几何光学处理系统：例如反射、旋转、多项式扭曲、放大、平移等

　　快速富里叶变换：例如实数、数值和相位富里叶变换及反变换

　　形态变换：膨胀、收缩、边缘增强等

　　格式转换：完成图象的各种格式转换

　　4.数据库软件包

　　数据库软件包提供了与几个基于结构化查询语言(SQL)的关系数据库管理系统(RDBMS)如Oracle，Sybase和 Informix的接口。此外，数据库包还支持开放数据库互连(ODBC)接口。一个可配置的可视化对象库可以提供与一个或多个关系数据库的连接;还可以显示数据库表格和以SQL表达的组件;并且简化了从SQL查询中返回数据的可视化。数据库包为用户提供必需的所有功能：

　　同时连接到多个本地或远程的数据库

　　用完全SQL指令支持来快速选择及表达数据

　　建立可重复使用的与数据库独立的对象

　　建立从SQL查询返回的数据的多维可视化

　　集成和显示地理、人口统计和组合数据

　　5.用户接口软件包

　　用户接口软件包使用户可以在Motif和Windows的环境中，确定应用用户接口的结构和设计。应用开发是通过简化传统的图形用户接口(GUI)编制工具包中的“编辑—编译—连接”过程而形成流程。在用户接口包中，包括所有创建GUI所需的组件，如菜单、对话框、按钮、列表框、组合框、滚动条、图标、拨号盘、滑动条、文本框等等。另外，用户接口包中还包括用于捕获鼠标的组件，以实现应用程序鼠标驱动的完全交互。这些构件可以修改，也可以从外部资源输入附加的构件组。

　　6.地理信息系统(GIS)处理包

　　地理信息系统处理软件包包括对输入和运行地理信息系统进行宏观优化的模块，数据输入模块，地图投影和用户接口。AVS公司在1997年6月与在地理信息系统和测绘软件方面占领先地位的环境系统研究院(ESRI)结成联盟。现在，在AVS/Express开发版中设有地理空间接口(SDI)，可以和ESRI的地理空间数据引擎(SDE)相连。SDE允许RDBMS采用标准和规定的应用来管理和利用地理空间数据。

　　7.支持的平台

　　Digital UNIX, Hewlett-Packard HP—UX, IBM AIX, Silicon Graphics IRIX(SGI), SunOS, Sun Solaris, PC(Windows and Windows NT)。AVS公司最新颁布的版本已支持LINUX系统。

　　三.AVS/Express开发版的特点

　　1.完全面向对象开发环境

　　AVS/Express是一个完全的面向对象开发平台。AVS/Express中所有元素均为对象，包括对象模版，数据对象和图形对象。

　　2.强大的图形显示功能

　　AVS/Express提供了功能强大的图形图象显示引擎。提供各种图形显示要素对象，包括调色板、灯光、照相机等对象;提供多种图形显示器，包括软件显示、硬件图形加速(如OpenGL, PEX,XGL,XIL等各种图形库支持)、硬拷贝输出;提供多种图形显示技术，如光线跟踪，BTF等。

　　3.多维可视化软件

　　AVS/Express是一个多维的可视化软件。AVS的数据可视化基于其中心数据结构field, 该结构可以轻松表示任意维的数据。AVS力图利用最简单的图形来表达最复杂最丰富的数据信息。AVS提供了多种可视化技术，包括标量和矢量显示技术，每一种可视化技术均力图表示尽可能多维的数据信息。

　　4.开放和可扩展性

　　AVS/Express是一个开放的体系结构，除本身提供了上千个预制组件供用户使用外，还允许用户利用模块生成向导快速添加自己的组件。AVS/Express开发版也允许用户打开任何系统预制组件，对其进行修改以满足用户自己的需要。目前已经有许多第三方软件商提供的AVS组件和软件包可供使用，比如任何用户均可免费从国际AVS中心免费获取大量的AVS组件，这些组件可以非常容易地加入用户的系统，从而快速扩展AVS/Express的功能。

　　5.可视化快速编程环境

　　在AVS/Express的可视化快速编程环境网络编程器(NE)中，用户可以交互方式非常容易地快速生成自己的可视化应用程序。它以流程图方式显示用户的应用程序结构，用户可以在其中图形式地连接对象，调用模块，从而组建一个可视化网络。网络可以做为一个应用程序或对象被保存，重复使用或修改，从而大大提高应用程序开发者工作效率。

　　使用NE的开发环境，用户建立应用程序甚至只需用鼠标进行拖—放操作便可轻松完成。

　　6.多种编程手段

　　1)利用AVS/Express提供的预制组件，在NE中用鼠标进行简单的拖—放，按需要建立自己的可视化网络，从而快速生成应用程序。

　　2)利用AVS/Express 提供的功能强大的高级描述性语言V，快速进行应用程序开发。

　　V语言简单易学，功能强大且灵活方便，其中包括了一些令程序开发人员非常满意的特性。比如在V语言中的模块，它封装了对象的属性和方法，相当于C++中的类，但比C++的类功能更为强大。

　　V语言模块中的每个方法都可以在该模块实例化时执行，也可在该模块被删除时执行，还可同某个或某些属性相联系，使得该方法在与之相联系的属性发生改变时就被调用执行;同时一个模块中的不同方法还可规定优先级，从而确定其执行顺序。

　　V语言中的合并操作(+)，可使编程人员非常方便地从已有对象构造出新对象、也能利用该操作修改原有对象，合并操作非常轻松地实现了面向对象编程语言的多继承问题，但其功能却远不只此;

　　V语言中的引用操作(=>)则能方便实现模块间的协调，实现模块间消息传递。

　　3)利用 AVS/Express 提供的模块生成向导快速封装已有的C、C++和Fortran源代码、目标代码甚至已有的应用程序，或是利用用户代码接口封装已有的C、C++结构，构造出新的模块。

　　AVS/Express 提供了一个非常开放，扩展性很强的应用程序开发框架，用户利用AVS添加模块功能可以非常方便地在AVS/Express中添加自己的专业算法，变成可重用模块，方便自己和别人进行代码重用。

　　4)利用AVS/Express 提供的应用程序编程接口(API)，包括OM API(C), OMX API(C++)和OMF API(Fortran)，调用AVS/Express 提供的丰富的图形函数库，开发用户自己的功能强大的图形应用程序。

　　7.广泛的应用程序分发方法

　　AVS/Express为用户提供了广泛的应用程序分发(Distribution)方法。

　　1)V语言文本文件

　　用户可将自己的应用程序用V语言以文本文件保存，从而可使复杂的可视化应用程序，以极小的文本文件发送，这种方式特别适合网上分发。

　　2)可视化网络

　　以图象的方式拍下网络编程器中应用程序可视化网络，比如用GIF和JPEG文件格式保存可视化网络。该方式也适合网上分发，而且较为直观。

　　以上两种方法对于需要考虑不同操作系统平台分发时非常有用，它使得用户开发的可视化应用程序，可以方便地在不同平台上移植，但这两种方法分发的应用程序不能离开AVS/Express环境单独执行。

　　3)生成标准的执行程序

　　应用程序开发者可以将自己开发的可视化程序编译生成单独的可执行程序，使得使用者可以脱离AVS/Express环境单独执行。

　　4) 生成C++类库

　　应用程序开发者可以将自己的模块以C++类库的方式分发，使用者可在自己的C++开发环境使用该类库。

　　5)生成Active-X控件

　　应用程序开发者也可将自己的模块，以Active-X控件的方式分发，从而可在VB，VC，Office，浏览器等广泛领域使用。

　　6)生成网景(Netscape)公司浏览器插件。

　　7)以VRML语言保存

　　应用程序开发者可将可视化结果保存为虚拟现实语言VRML，从而任何人只要使用具有VRML浏览能力的浏览器，即可浏览可视化得立体图形。

　　8)创建自己的Web服务器图形引擎

　　开发者可创建自己的Web服务器图形引擎，响应浏览器客户端的输入，动态生成新的VRML脚本，发送浏览器客户浏览。

　　8.广泛的数据输入/输出模块

　　开发版的包含数据库软件包，除支持ODBC外，还提供了对Oracle，Sybase 和Informix的直接数据库接口。同时，空间数据接口SDI还提供同ESRI的SDE的接口。

　　提供了广泛的数据输入/输出模块，包括输入图象、电子表格数据、几何图形 、netCDF、UCD、体 、AVS域 、Web服务器上的域及几何图形 、CIA World DataBank II、USGS DEM等;输出图象、AVS域 、netCDF、PS格式、VRML等多种格式文件。

　　AVS/Express提供一个统一的域数据结构，任何数据转换成该结构后都可在AVS中进行处理和显示。根据网格类型可将域分为四种类型：均匀网格、正交网格、非规则网格和非结构网格。如果用户文件中数据的网格可归为前三种，Read_Field模块将其输入AVS，其中用户文件可以为文本格式或二进制格式，数据也可在多个文件中存放，经常用户数据文件可以不经任何修改，只需添加一个极短的文本描述文件就可轻松输入系统;如果用户文件中数据网格只能归为非结构网格，则可使用Read_UCD模块将其读入。

　　AVS/Express提供的工程数据接口(EDI)包含了许多用于数据输入/输出的模块，用户可以使用它读取许多工程软件的输出文件。

　　用户也可以从自己添加数据输入/输出模块，或者也可从国际AVS中心免费获得许多这样的模块。

　　9.海量数据处理

　　AVS/Express 提供了许多技术用于处理大数据量问题。AVS对于大数据量问题的处理贯穿其所有模块;当然AVS也有专门的算法用于处理大数据量问题，如fileobj，slice，crop，downsize等等模块。

　　10.功能强大的多媒体生成模块

　　AVS/Express具备功能强大的动画生成能力。AVS具有专门生成动画的模块，该模块可将AVS图形对象的属性进行关键帧插值，然后将插值后的属性连续变化，AVS图形显示引擎则动态更新图形对象，从而生成逼真的动画效果。再利用AVS的多媒体生成模块，可输出标准的MPEG、AVI等多媒体文件。

　　ANSYS CFX：通用CFD软件包、工程计算

　　官网：http://www.ansys.com/products/cfx.asp

　　CFX是全球先进个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。

　　回顾CFX发展的重要里程，总是伴随着她对革命性的CFD新技术的研发和应用。1995年，CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块-CFX-Tascflow，CFX-Tascflow一直占据着90%以上的旋转机械CFD市场份额。同年，CFX成功突破了CFD领域的在算法上的又一大技术障碍，推出了全隐式多网格耦合算法，该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度，成为CFD技术发展的重要里程碑。CFX一直和许多工业和大型研究项目保持着广泛的合作，这种合作确保了CFX能够紧密结合工业应用的需要，同时也使得CFX可以及时加入非常先进的物理模型和数值算法。作为CFX的前处理器，ICEM CFD优质的网格技术进一步确保CFX的模拟结果精确而可靠。

　　2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真软件ANSYS的大家庭中。CFX的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案。CFX将永远和我们的用户伙伴一起，用非常先进的技术手段，不断揭开我们身边真实物理世界的神秘面纱。

　　一.CFX产品特点简介

　　CFX是全球先进个在复杂几何、网格、求解这三个CFD传统瓶径问题上均获得重大突破的商业CFD软件。借助于其少有的，有别于其它CFD软件的技术特点，CFX领导着新一代高性能CFD商业软件的整体发展趋势。

　　精确的数值方法

　　和大多数CFD软件不同的是，CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。

　　基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点插值，而单纯的有限体积法仅采用6点插值。

　　基于有限元的有限体积法，对四面体网格单元采用60点插值，而单纯的有限体积法仅采用4点插值。

　　CFX在湍流模型的应用上，也一直是业界领先的。除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)等高级湍流模型。

　　快速稳健的求解技术

　　CFX是全球先进个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这种革命性的求解技术克服了传统算法需要“假设压力项-求解-修正压力项”的反复迭代过程，而同时求解动量方程和连续性方程，加上其采用的多网格技术，CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了1~2个数量级，更重要的是，CFX的求解器获得了对并行计算最有利的几乎线形的“计算时间-网格数量”求解性能，这使工程技术人员第一次敢于计算大型工程的真实流动问题。CFX突出的并行功能还表现在它可以网络上UNIX、LINUX、WINDOWS平台之间随意并行。

　　丰富的物理模型

　　CFX的物理模型是建立在世界最大的科技工程企业AEA Technolo(续致信网上一页内容)gy 50余年科技工程实践经验基础之上，经过近30年的发展，CFX拥有包括流体流动、传热、辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题的丰富的通用物理模型;还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。

　　此外，CFX为用户提供了从方便易用的表达式语言(CEL)到功能强大的用户子程序的一系列不同层次的用户接口程序，允许用户加入自己的特殊物理模型。

　　旋转机械一体化解决方案

　　在旋转机械领域，CFX向用户提供从设计到CFD分析的一体化解决方案。提供了三个旋转机械设计分析的专用工具：BladeGen、TurboGrid、TASCFlow。

　　BladeGen是交互式涡轮机械叶片设计工具。用户通过修改元件库参数或完全依靠BladeGen中的工具设计各种旋转和静止叶片元件及新型叶片，对各种轴向流和径向流叶型，从CAD设计到CFD分析在数分钟即可完成。

　　TurboGrid为叶栅通道网格生成工具。她采用了创新性的网格模板技术，结合参数化能力，工程师不仅可以既快捷又简单地为绝大多数叶片类型生成高质量叶栅通道网格。所需用户提供的只是叶片数目、叶片及轮毂和外罩的外形数据文件。

　　TASCflow是全球公认最好的旋转机械工程CFD软件，由于特为旋转机械裁制的完整软件体系，以及在旋转机械行业十多年的专业经验，TASCflow被旋转机械领域90%以上的企业作为主要的气动/水动力学分析和设计工具，其中包括GE，Pratt & Whitney, Rolls Royce，Westing House，ABB，Siemens，CE，Voith Hycho等企业界巨擘。