Abaqus的第一個(gè)logo形象竟然是中國(guó)算盤！
Abaqus的故事要從來兩個(gè)自英國(guó)的年輕人說起。
時(shí)間撥回到上個(gè)世紀(jì)60年代末，一個(gè)冬日的上午，倫敦市中心的蘋果公司總部（當(dāng)然，不是喬幫主的那個(gè)）屋頂，John Lennon正抱著一把Gibson大肚琴和他的披頭士樂隊(duì)扯著嗓子唱“Don’t let me down…”，這是一場(chǎng)沒有宣傳的音樂會(huì)，沒人知道他們?cè)趺磿?huì)突然出現(xiàn)在這，一會(huì)兒的功夫，屋頂和街道擠滿了人，城市正常的秩序被打破，警察很快過來制止了他們，這場(chǎng)42分鐘的表演，最終成為他們職業(yè)生涯的最后一次公開演出，也標(biāo)志著音樂界一個(gè)時(shí)代的結(jié)束。
與此同時(shí)，在大洋彼岸的美國(guó)布朗大學(xué)，有兩個(gè)英國(guó)人正忙于一個(gè)非線性有限元程序的開發(fā)，沒有多少人察覺，學(xué)術(shù)界的一個(gè)嶄新時(shí)代，悄然而至。
這個(gè)程序就是MSC.Marc的前身，它是世界上第一款商業(yè)化的非線性有限元求解器。
Abaqus簡(jiǎn)史涉及的主要人物
而這兩位年輕人就是Pedro Marcal教授和David Hibbitt博士。為了學(xué)習(xí)更多的力學(xué)，David從劍橋來到美國(guó)羅德島州普羅維登斯的布朗大學(xué)讀博，他在自己的固體力學(xué)博士生涯快結(jié)束的時(shí)候更換了指導(dǎo)教授，新的導(dǎo)師就是Pedro，一位從倫敦來的助理教授，他帶了兩盒裝有SAP有限元程序的打孔卡，試圖擴(kuò)展這些程序，以便用于非線性問題，比如塑性和大變形。恰好此時(shí)的David發(fā)現(xiàn)自己對(duì)Fortran編程有濃厚興趣，并且非常熱衷于將固體力學(xué)應(yīng)用于工程，兩人不謀而合。
年輕時(shí)的David Hibbitt騎著他的文森特黑影
彼時(shí)距離Ray W Clough等人在有限元領(lǐng)域開創(chuàng)性的工程應(yīng)用已有十幾年了，人們也逐漸意識(shí)到有限元方法的潛力。當(dāng)時(shí)已經(jīng)存在幾種商業(yè)有限元代碼，但都只能處理線性問題，David和Pedro都確信非線性有限元代碼的工程應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。
01. 首次涉足非線性領(lǐng)域
Marc程序是以David的博士論文為基礎(chǔ)開發(fā)的，該論文由美國(guó)海軍的一項(xiàng)合同資助，要求開發(fā)一種有限元方法，以便對(duì)潛艇殼體的多道次焊接進(jìn)行建模，并預(yù)測(cè)由殘余變形引起的性能損失。為此，他必須首先開發(fā)出傳熱分析的能力，以解決熔融金屬凝固時(shí)的潛熱效應(yīng)，并結(jié)合預(yù)測(cè)的溫度來模擬多道次焊接過程中結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)，包括塑性和蠕變，最后對(duì)扭曲變形的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲分析。
David回憶，“那是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)的性能?！?整個(gè)布朗大學(xué)當(dāng)時(shí)只有一臺(tái)IBM360/50計(jì)算機(jī)，這意味著可以分配給研究人員的時(shí)間相當(dāng)有限。我們知道，如今一部手機(jī)的計(jì)算能力是此類計(jì)算機(jī)的數(shù)千萬倍，而運(yùn)行有限元程序要求計(jì)算機(jī)具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過手機(jī)的處理能力，所以，當(dāng)時(shí)問題的困難程度可想而知。
隨著研究的進(jìn)展，Pedro的團(tuán)隊(duì)接到的電話越來越多，來自各個(gè)行業(yè)的人都在詢問Marc是否可以幫助他們。生意就這樣開始了，Pedro于1971年成立了Marc Analysis公司，David作為公司的次要共同所有人，也是第一位全職員工。隨著公司的成長(zhǎng)，Paul Sorensen加入了一段時(shí)間，后來為了攻讀斷裂力學(xué)博士學(xué)位而離職，畢業(yè)后他在底特律的通用汽車研究實(shí)驗(yàn)室工作，直到后來他加入David Hibbitt和Bengt Karlsson，三個(gè)人合伙創(chuàng)立了HKS公司。
Marc公司按“每小時(shí)付費(fèi)”的方式在控制數(shù)據(jù)公司（美國(guó)CDC公司）的大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序，瑞典斯德哥爾摩數(shù)據(jù)中心的CDC分析師Bengt Karlsson在使用Marc程序之后，發(fā)現(xiàn)它很不錯(cuò)，然后他就加入了Marc公司。當(dāng)Pedro辭去布朗大學(xué)的教職，搬到加利福尼亞開展新的業(yè)務(wù)時(shí)，David和Bengt選擇和開發(fā)小組一起留在了羅德島州，他們倆后來發(fā)現(xiàn)Marc實(shí)際使用起來很難滿足大多數(shù)工程師的需求，因?yàn)檫@些工程師的主要目的是設(shè)計(jì)，并非研究代碼，因此沒有時(shí)間重建或調(diào)試代碼，換言之，當(dāng)時(shí)的程序通用性太差，需要極強(qiáng)的專業(yè)能力才能使用。
David說：“我們認(rèn)為當(dāng)前的明智之路是為需要進(jìn)行非線性計(jì)算的工程師開發(fā)出一個(gè)強(qiáng)大的‘黑盒子’工具。”但是不幸的是，Pedro對(duì)這種投資沒有興趣。
02. 開發(fā)一個(gè)全新的程序
David和Bengt決定自己嘗試，David回憶說，“幾乎每個(gè)人都說我們會(huì)失敗，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)有22個(gè)可行的有限元程序，業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)很激烈，而且即便當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)也很難進(jìn)行實(shí)際尺寸的非線性計(jì)算，所以我們無論是開發(fā)新的線性或非線性程序，都不會(huì)成功?！?/span>
好在他們有足夠的積蓄養(yǎng)家糊口并支付一年的抵押貸款，所以，他們構(gòu)思了ABAQUS軟件，第一個(gè)LOGO形象是一個(gè)完整的中國(guó)算盤，上面有一個(gè)信息，它的珠子設(shè)定為公司正式成立的日期：1978年2月1日。他們本打算直接將軟件命名為算盤ABACUS，但此商標(biāo)已被注冊(cè)使用，于是聰明的將字母“C”改成了“Q”
ABAQUS早期LOGO與含義
許多科技公司都始于破舊的車庫，與之相比，David和Bengt擁有的農(nóng)舍前廳要相對(duì)豪華一些，David經(jīng)常在餐桌上使用妻子Susan租來的IBM Selectric打字機(jī)進(jìn)行工作。
“我們是一家軟件公司：沒有軟件，沒有計(jì)算機(jī)，沒有客戶或潛在客戶，幾乎沒有錢”David如實(shí)說。他們首先編寫了《用戶手冊(cè)》，旨在使問題定義變得簡(jiǎn)單而直觀，然后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的代碼架構(gòu)，同時(shí)也編寫了《理論手冊(cè)》。
在那段比較艱難的日子里，David也在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校以副教授的身份給研究生講授塑性力學(xué)課程，通勤期間經(jīng)常在飛機(jī)上編寫代碼，他從事這項(xiàng)工作是為了補(bǔ)貼自己的公司。
據(jù)David回憶，當(dāng)時(shí)租用“超級(jí)計(jì)算機(jī)”的價(jià)格是白天每小時(shí)1000美元，夜間每小時(shí)400美元，所以他們經(jīng)常帶著做好的打孔卡程序，驅(qū)車100公里到沃爾瑟姆（Waltham），在夜間使用IBM計(jì)算機(jī)，然后第二天檢查運(yùn)行結(jié)果，找出程序出了什么問題。
1978年6月，一次ASME會(huì)議上偶然的機(jī)會(huì)，David與漢福德核發(fā)展基地實(shí)驗(yàn)室（Hanford nuclear Development Site）建立了合作，該實(shí)驗(yàn)室需要解決快速增殖反應(yīng)堆燃料棒的接觸問題，合同要求9月底交付代碼，在克服一些困難之后，David和Bengt為他們的首個(gè)客戶提供了ABAQUS的第一個(gè)版本。
“我們知道，如果在三個(gè)月內(nèi)交付不了代碼，我們就拿不到一分錢”Bengt說，“那是一次很大的鞭策！”他們按時(shí)交付了15000行的FORTRAN代碼，包含四種單元：beam、gap、truss和SPHEX，用來模擬熱膨脹、蠕變、以及燃料棒和約束裝置中金屬的輻射溶脹。
1978年圣誕節(jié)，Paul Sorensen到普羅維登斯探望岳父母時(shí)，也拜訪了David和Bengt，一番交流之后，Paul決定加入他們。所以他們的公司成為了HKS公司，這是由三個(gè)人姓氏的首字母組成的名字，Paul在穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展有限元模擬方面的背景對(duì)HKS公司首批客戶的項(xiàng)目是十分有利的。
另一個(gè)早期客戶是埃克森美孚生產(chǎn)研究公司（Exxon Production Research），該公司需要一套用于海上管道安裝和海上立管分析的代碼，這套代碼就是現(xiàn)在Abaqus/Aqua的前身?！凹夹g(shù)上的困難是數(shù)百英尺長(zhǎng)的10英寸管道的長(zhǎng)細(xì)比太大，”David回憶，“在涉及大運(yùn)動(dòng)的情況下，通?；趧偠鹊牧?jiǎn)卧獰o法解決這一問題。因此，我們研究了混合單元的使用。”混合梁和牽引鏈單元對(duì)于這種分析的成功至關(guān)重要，今天仍在使用。
03. Abaqus的快速發(fā)展
80年代，ABAQUS的功能隨著HKS員工的增加而持續(xù)增長(zhǎng)，補(bǔ)充了殼和連續(xù)體單元，以及對(duì)塑性、動(dòng)力學(xué)、傳熱等過程的模擬功能?！懊總€(gè)客戶對(duì)我們都很重要，他們的需求推動(dòng)了我們的發(fā)展，”Bengt說，“但是我們始終意識(shí)到在提供實(shí)用功能的同時(shí)，一定要保持代碼的通用性?！?/span>
早期HKS工作人員為客戶安裝ABAQUS
在那些日子，每當(dāng)有新客戶購(gòu)買許可證時(shí)，HKS的工作人員都會(huì)到客戶現(xiàn)場(chǎng)去安裝ABAQUS軟件，他們會(huì)把磁帶上的源代碼帶到客戶那里，編譯程序并使其可以運(yùn)行，然后執(zhí)行所有示例文件，最后檢查打印輸出。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使打孔卡進(jìn)入歷史書籍，ABAQUS具備在這些強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的技術(shù)，它在學(xué)術(shù)和工程界中逐漸建立起盛譽(yù)。未來數(shù)十年高性能計(jì)算的爆炸式增長(zhǎng)，為ABAQUS每個(gè)新版本的發(fā)展提供了動(dòng)力，其模型在單元數(shù)量和自由度方面都實(shí)現(xiàn)了飛躍，在計(jì)算效率和3D可視化方面的能力日益增強(qiáng)。
當(dāng)然按照今天的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)的FEA仍處于起步階段。然而對(duì)于HKS來說，非線性分析市場(chǎng)已經(jīng)存在。
04. 前后處理與顯式動(dòng)力學(xué)
隨著ABAQUS求解器功能的不斷開發(fā)，很明顯，如果沒有前處理器來解決復(fù)雜建模問題，并通過后處理器以圖形的方式查看結(jié)果，它很難作為獨(dú)立產(chǎn)品繼續(xù)下去。
早期FEA工程師不得不通過打印表來分析計(jì)算結(jié)果，但是，展望未來，《 ABAQUS 4.0用戶手冊(cè)》中建議“以圖形或圖片形式顯示結(jié)果，對(duì)于大多數(shù)問題，比數(shù)字列表更為高效”。為了滿足這種需求，誕生了“繪圖輸出文件”的概念，通過這種方式，用戶可以在分析中插入間隔地輸出應(yīng)力或位移的繪圖命令，生成一個(gè)繪圖文件并在繪圖儀上繪制，那時(shí)要花半天時(shí)間才完成幾百個(gè)單元的云圖繪制工作。
后來到了1987年，不再需要外接一個(gè)繪圖儀了，ABAQUS/Post作為一個(gè)獨(dú)立的后處理器發(fā)布，具有圖像顯示和命令輸入的功能。
第一款后處理器ABAQUS/Post
開發(fā)前、后處理器是ABAQUS團(tuán)隊(duì)多年來的一項(xiàng)挑戰(zhàn)?！拔覀兿胍粋€(gè)完全交互式的代碼”David說，所以HKS為ABAQUS/CAE的研發(fā)投入了大量資金，而ABAQUS/CAE旨在成為求解器的窗口，用戶可以輕松地創(chuàng)建、管理和可視化復(fù)雜的仿真模型，并針對(duì)特定應(yīng)用定制專屬的ABAQUS界面。
ABAQUS/CAE的第一個(gè)版本
在能夠進(jìn)行前、后處理的同時(shí)，還必須投入大量精力來開發(fā)自己的商業(yè)顯式動(dòng)力學(xué)代碼。David說，“當(dāng)時(shí)，ABAQUS/Explicit的主要目標(biāo)是沖擊分析，但是，與其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品不同，我們非常小心，不能為了提高計(jì)算速度而以犧牲質(zhì)量為代價(jià)。”ABAQUS/Explicit的第一個(gè)正式版本于1992年交付MIT。ABAQUS/Viewer作為獨(dú)立產(chǎn)品于1998年發(fā)布，與之功能相同的是1999年首發(fā)的ABAQUS/CAE中的可視化模塊。
05. Abaqus“黑科技”與多元化的SIMULIA
經(jīng)過23年的領(lǐng)導(dǎo)，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周年之際，2002年11月，HKS公司更名為ABAQUS公司。2005年，ABAQUS公司被達(dá)索收購(gòu)（此后作為軟件的Abaqus變?yōu)槭鬃帜复髮懀?，成立為達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA品牌，總部仍在羅德島州。
42年的不斷發(fā)展，Abaqus FEA已經(jīng)具備強(qiáng)大的多物理場(chǎng)分析能力，支持非常豐富的單元庫、材料本構(gòu)模型和二次開發(fā)接口。在各個(gè)行業(yè)，越來越多的科研、工程人員傾向于使用這個(gè)“黑科技”來解決自己遇到的問題。
Marco Parente博士研究胎兒順產(chǎn)的不同胎位對(duì)盆底肌肉的損傷時(shí)，非常明智的選擇了Abaqus軟件，因?yàn)橥ㄟ^UMAT/VUMAT可以方便的開發(fā)出具有主動(dòng)收縮能力的超彈性材料本構(gòu)模型，他成功的搭建好有限元模型并進(jìn)行了研究分析，這項(xiàng)成果在胎兒順產(chǎn)時(shí)對(duì)產(chǎn)婦造成可能性傷害的預(yù)估方面非常有意義。
枕前位是最佳分娩胎位
Abaqus不斷進(jìn)化的同時(shí)，SIMULIA也在多元化發(fā)展，流體、疲勞和耐久性、注塑、多體、優(yōu)化、電磁、聲學(xué)等方面也增加全新的功能。Abaqus的吸引力帶來了其他一些優(yōu)秀產(chǎn)品，XFlow、fe-safe、SIMPOE-Mold、SIMPACK、Tosca、Isight、CST、WAVE6等，這些產(chǎn)品的開發(fā)者與HKS的創(chuàng)始人一樣，有著同樣的熱情，熱衷于解決最棘手的仿真問題。
Living Heart Project
當(dāng)David Hibbitt帶上Living Heart Project負(fù)責(zé)人Steve Levine遞給他的3D眼鏡，看到眼前這顆人體心臟模型時(shí)，他感到很欣慰，這個(gè)數(shù)字化的“活體心臟”在周期性的跳動(dòng)、內(nèi)部有血液涌出瓣膜、心室肌肉組織由復(fù)雜的各向異性超彈性材料模擬…Abaqus現(xiàn)在的發(fā)展在某種程度上已經(jīng)超乎這位創(chuàng)始人最初的想象。
事件時(shí)間線
參考資料：
基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用_清華大學(xué)出版社，莊茁，等
Analysis Origins – ABAQUS_NAFEMS Blog，Lynn Manning
Abaqus and it’s market_ MIT，Dr. David Hibbitt
元王4.10-11日將開展為期兩天的“Abaqus軟件線上基礎(chǔ)培訓(xùn)”，歡迎感興趣的朋友們報(bào)名參加！
文章來源于USim ，作者鄧怡超
