有限元分析是什么?为什么要做有限元分析?
时间:2021-10-26 09:51:45   阅读

有限元分析 (FEA) 为产品设计工程师和制造商带来了大量机会,现已成为汽车、生物医学、航空航天、工业设备和重型工程等行业产品开发过程中不可或缺的一部分。它基本上由三个主要阶段组成:预处理,解决方案和后处理。


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有限元分析使用的求解器是以数字方式求解一组方程。因此,通过仿真获得的结果完全取决于所应用的边界条件、选择的模型类型、分配的材料属性和分析类型的选择。那么,为什么有限元分析如此重要呢?

使用有限元分析的理由

(1)新产品和现有产品的性能改进;

(2)降低设计和制造成本;

(3)减少所需的物理测试试验次数;

(4)更快地将产品推向市场;

(5)可以评估和优化替代设计和材料;

(6)快速分析基本解决方案的变体;

(7)由于清楚地了解组件的设计意图,因此可以更好地设计产品;

(8)减少材料浪费;

(9)结构的拓扑和重量优化,不影响性能和安全性;

(10)由于信息完整,可以做出更好的设计决策;

(11)更快地达到所需质量的最终产品设计;

(12)轻松满足各种产品标准和合同要求;

(13)提高产品安全性;

(14)通过在模型上应用适当的边界条件来确定现实条件下的产品行为;

(15)提高客户满意度;

(16)即使在经济实惠的工作站和台式个人计算机上也可以执行FEA;

(17)CAE软件现在是大多数一流企业的必备工具;

(18)确定产品的使用寿命并确定保修和维修计划。


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有限元分析确实是工程师为市场提供优质产品的重要工具之一。现在,将仿真测试和设计优化与产品开发周期相结合,提高产品质量和缩短产品上市时间是一种普遍现象。


有限元分析的优点之一是,在制作原型之前,您可以在计算机辅助设计模型的任何部分找到应力,因此,您可以预测哪些区域可能首先失效,以及哪些第二和第三区域可能在较高负载下失效。通过正确应用有限元分析,您可以在仿真模型而不是物理原型上,有效地执行设计迭代。

有限元分析的另一个优点是,你可以沿着构建和测试路线看到你看不到的东西。例如,如果你让灰铸铁铸件过载,在它突然开裂或断裂之前,变形可能是不明显的。现在,如果你想让它在某个方向变得更硬,那么很难在试验台架上测量如此小的挠度。通过有限元分析,挠度很容易看到,这有助于您理解载荷路径,并以最有效的方式加固结构。

为大型组件和结构构建和测试原型非常昂贵,想象一下,在一个20米长、50吨重的高架移动式起重机上,一个试验台证明地震运动的可靠性要花多少钱。另一方面,有限元分析对尺寸或重量没有限制。

塑料组件需要考虑的另一件事是,您的原型可能与您制造的组件使用不同的材料。用于大批量生产的注塑模具非常昂贵,因此您可能只能用类似的材料而不是生产材料来制造和测试您的组件。类似的塑料可以具有非常不同的机械性能,尤其是在经受高温或低温以及重复负载循环时。有限元分析将为您提供机会,以最小的成本快速探索不同的材料选择。

有限元分析尤其适用于高度管控行业中以安全为重点的部件, 如压力容器。有许多设计规范和标准要求准确计算应力, 以便对照容许应力进行检查。AS ME规范的某些部分允许有限元分析产生的应力直接用于检查符合要求的标准。


使用有限元方法执行分析的步骤

① 导入或开发产品的CAD几何图形以进行分析;

② 根据仿真要求选择模型类型(1D,2D或3D);

③ 使用所选模型类型为模型生成网格;

④ 网格大小设置和验证可纠正错误并改善网格质量;

⑤ 选择分析类型,例如静态,动态,热或耦合;

⑥ 应用负载,力矩,温度等边界条件;

⑦ 执行仿真分析;

⑧ 后处理以提取结果。


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有限元分析只是一种工具,就像其他任何工具一样,需要有足够经验的工程师来理解如何正确使用它。任何金融分析师最重要的属性不是他们驱动软件包的能力,而是他们作为工程师的能力。

有限元分析具体能做什么?

有限元分析是应力和结构分析最常用的工具。它还可以从运动学分析系统和计算流体动力学系统等其他工具接收输入数据。有限元分析软件可用于:

机械工程设计

计算机辅助制图和工程模拟服务

结构分析

模态分析

固体力学

模具流动分析

疲劳和断裂力学

热和电分析

金属板成形分析


当今大多数有限元分析软件都非常准确。划分有限元分析服务的不是软件,而是团队的经验。影响测试结果的一些因素是几何、物理、材料特性和载荷的准确输入。同样重要的是要记住,由于大多数有限元分析测试都是在理想的环境下进行的,所以区分优秀公司和优秀有限元分析公司的是对结果的广义解释,而不是实际数字。这也是提供有限元分析服务的公司应该拥有不同行业经验的原因。


有限元分析的基本步骤如下:

1) 建立研究对象的近似模型。

在进行数值计算之前,需要建立研究对象的模型。建模过程主要依靠基础实验或者观测的结果,需要大量学科领域知识。在进行有限元分析的时候很难把研究对象的所有细节都包括进来,有时是因为缺乏实验观测数据,有时是需要缩小计算规模,因此需要对研究对象进行不同程度的简化。通常在研究对象的几何形状、材料特性和边界条件这三个方面做适当的简化。

2) 将研究对象分割成有限数量的单元。

研究者很难从整体上分析对象系统,需要把对象系统分解成有限数量的、形式相同、相对简单的分区或组成部分,这个过程也被称为离散化。每个分区是一个由基本单元,把空间连续的问题转化成由一些基本单元组成的离散问题。

3) 用标准方法对每个单元提出一个近似解。

研究者能够比较容易地分析基本单元的行为,提出求解基本单元的方法。提出适用于所有单元的标准求解方法,就可以编制计算机程序求解所有的单元。

4) 将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统。

将基本单元组装成一个近似系统,在几何形状和性能特征方面可以近似地代表研究对象。通过分析近似系统,可以了解研究对象的性能特征。找到某种标准的组装方法,就可以用计算机程序组装数目巨大的单元。

5) 用数值方法求解这个近似系统。

采用离散化之后,就不需要再求解复杂的偏微分方程组,而转换为求解线性方程组。数学家提出了许多求解大规模线性方程组的数值算法。

6) 计算结果处理与结果验证。

由数值计算可以得到大量的数据,如何显示、分析数据并找到有用的结论是人们一直关系的问题。目前,商用有限元软件都具有后处理功能,可以实现数据的图形化显示,如显示物体的变形、温度场分布等,使得计算结果变得更加直观。也可以使用一些专用的数据可视化工具来处理计算结果。如何判定计算结果是否正确,是有限单元法应用中的关键问题。可以采用与实验或观测数据对比、与简化模型对比或与理论计算结果对比。研究者的领域知识也有助于正确理解计算结果。


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