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怎么看有限元仿真?怎么學(xué)有限元仿真?

8XCt_sim_ol ? 來(lái)源:仿真秀App ? 作者:尚曉江 ? 2022-11-24 10:23 ? 次閱讀
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一方面,有限元分析應(yīng)用面很廣,涉及行業(yè)眾多,各行業(yè)關(guān)注的具體問(wèn)題包羅萬(wàn)象;另一方面,從事計(jì)算工作的人當(dāng)中,有資深的計(jì)算分析專家,也有日常從事產(chǎn)品性能驗(yàn)證的工程師,還有入行不久想了解和學(xué)習(xí)仿真技術(shù)的,當(dāng)然還有更多對(duì)仿真分析感興趣的、還未走向工作崗位的在校研究生和本科生同學(xué)。

思之再三,我覺(jué)得還是從學(xué)習(xí)和應(yīng)用有限元分析技術(shù)的“初心”再出發(fā)圍繞仿真分析的工程思維這個(gè)主題,跟各位探討如下的三個(gè)問(wèn)題,即:怎么看有限元仿真?怎么學(xué)有限元仿真?怎么做有限元仿真?

一、怎么看有限元分析

理工科專業(yè)的朋友大多對(duì)有限元技術(shù)有所了解,但是真正日常在用并能夠用好這一技術(shù)的人卻不多。在大家眼中的有限元技術(shù)到底是什么?能解決什么問(wèn)題或起到什么樣的作用?這個(gè)問(wèn)題似乎也是眾說(shuō)紛紜,沒(méi)有統(tǒng)一的意見(jiàn)。比如說(shuō)企業(yè)里的朋友:

有人認(rèn)為有限元仿真技術(shù)是不可或缺的產(chǎn)品研發(fā)手段

有人則認(rèn)為,有限元技術(shù)對(duì)人員的要求過(guò)高,并不是所有企業(yè)都能夠掌握;

也有人認(rèn)為,在目前制造業(yè)利潤(rùn)率很低的大背景下,企業(yè)不具備搞好仿真的內(nèi)在環(huán)境和條件。

還有人認(rèn)為,實(shí)際工程問(wèn)題十分復(fù)雜,有限元分析無(wú)法有效考慮實(shí)際情況,計(jì)算結(jié)果的可信度不高,與指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)有一定距離

甚至有人認(rèn)為,仿真分析是錦上添花,就是一種可有可無(wú)的“裝飾”。

那么,到底應(yīng)當(dāng)如何正確看待有限元技術(shù)的作用呢?

有限元技術(shù)在很多企業(yè)的成功應(yīng)用,有效地提升了企業(yè)的產(chǎn)品性能和研發(fā)能力,由此可見(jiàn)有限元技術(shù)肯定是有用的。另一方面,有限元分析對(duì)人的要求是比較高的,其能夠發(fā)揮作用的前提是要能夠應(yīng)用得當(dāng)。

仿真技術(shù)要發(fā)揮作用,應(yīng)當(dāng)循序漸進(jìn),由簡(jiǎn)單問(wèn)題到復(fù)雜問(wèn)題,由單一零件到裝配體,由常規(guī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證到設(shè)計(jì)優(yōu)化,由線性分析到非線性分析,由靜力學(xué)分析到動(dòng)力學(xué)分析,由單學(xué)科到多學(xué)科。

需要指出的是,對(duì)仿真分析的作用要客觀理性的看待。現(xiàn)階段很多單位的研發(fā)部門(mén)負(fù)責(zé)人或設(shè)計(jì)人員并不充分了解仿真技術(shù),平時(shí)也不怎么接觸計(jì)算軟件,有時(shí)會(huì)對(duì)分析工程師提出一些不切實(shí)際的要求,比如安排復(fù)雜的非線性分析任務(wù),不理解仿真分析中的必要簡(jiǎn)化手段,或者在不可能完成的時(shí)間內(nèi)就急于得到分析結(jié)果,這些都不是對(duì)仿真分析的正確看法。

有限元分析作為一種計(jì)算手段,在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)中也不可能包治百病,其重要作用主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)的驗(yàn)證和減少實(shí)物測(cè)試等方面。

從仿真分析工程師的角度來(lái)看,也不能為了仿真而仿真,更不能脫離力學(xué)概念、設(shè)計(jì)思想和工程思維。把所有問(wèn)題都通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)解決是不切實(shí)際的,仿真工程師應(yīng)當(dāng)找準(zhǔn)個(gè)人在單位研發(fā)體系中的位置,主動(dòng)為設(shè)計(jì)服務(wù),提供有價(jià)值的仿真驗(yàn)證和設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

二、怎么學(xué)有限元分析 對(duì)于有興趣學(xué)習(xí)和了解有限元仿真的朋友,應(yīng)當(dāng)如何學(xué)習(xí)和掌握這一技術(shù)呢?我們認(rèn)為,學(xué)習(xí)分析技術(shù)不僅僅是學(xué)軟件的操作方法,建議可以從理論基礎(chǔ)、軟件操作和工程知識(shí)三個(gè)方面去著手。

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圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

理論基礎(chǔ)方面,主要就是力學(xué)、傳熱學(xué)和有限元方法這些課程。力學(xué)和傳熱學(xué)的基本概念和原理可以為分析工程師提供建模、計(jì)算以及結(jié)果分析方面的理論指導(dǎo)。

現(xiàn)在理工科專業(yè)本科階段一般都開(kāi)設(shè)了彈性力學(xué)、數(shù)理方程這類的基礎(chǔ)課,建議學(xué)習(xí)過(guò)程中重點(diǎn)把握基本概念、一些常見(jiàn)問(wèn)題的理論結(jié)果等內(nèi)容,而無(wú)需把側(cè)重點(diǎn)放在解析求解的過(guò)程上,因?yàn)閷?shí)際工程問(wèn)題大多是通過(guò)數(shù)值方法求解的。

比如:彈性力學(xué)的圣維南原理,可以為荷載的施加方式提供理論指導(dǎo);開(kāi)圓孔方板的應(yīng)力解答闡釋了應(yīng)力集中的概念,可以為有限元分析網(wǎng)格劃分提供依據(jù)等。

如果分析桿系結(jié)構(gòu),應(yīng)當(dāng)掌握桿件截面特性,了解節(jié)點(diǎn)連接方式、梁的截面定位等概念。如果分析實(shí)體或板殼結(jié)構(gòu),需要了解應(yīng)力(變)狀態(tài)、主應(yīng)力(變)、平面問(wèn)題、軸對(duì)稱問(wèn)題以及3D問(wèn)題的基本方程和邊界條件、薄板彎曲理論等,了解典型問(wèn)題的理論解答。

對(duì)于熱分析和熱應(yīng)力分析,需要了解傅里葉定律、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等概念,了解固體熱傳導(dǎo)方程及其邊界條件,了解熱應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識(shí)。

對(duì)于振動(dòng)分析,需要了解質(zhì)量、剛度、阻尼等基本概念,了解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程、自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)、模態(tài)疊加等概念。

對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析,需要了解壓桿穩(wěn)定、板件的受壓穩(wěn)定性等概念。 相信有了這些基礎(chǔ)知識(shí),再結(jié)合計(jì)算軟件的操作和對(duì)結(jié)果的概念分析,在應(yīng)用過(guò)程中就不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏差。

此外,有限元方法和軟件的理論手冊(cè),也建議進(jìn)行閱讀和學(xué)習(xí)。通過(guò)學(xué)習(xí)有限元方法的理論基礎(chǔ),就不難理解剛度矩陣、位移、支反力、應(yīng)變、應(yīng)力等的數(shù)值計(jì)算過(guò)程和剪切鎖定、體積鎖定、沙漏模式等有關(guān)的概念。了解這些以后,做有限元分析心里會(huì)更加有底氣也會(huì)更加自信。

軟件操作方面,建議沒(méi)有軟件操作基礎(chǔ)的技術(shù)人員花一周左右的時(shí)間系統(tǒng)了解一下軟件的基本概念術(shù)語(yǔ)和基本操作方法。應(yīng)當(dāng)熟悉前處理、求解、后處理的任務(wù),具備創(chuàng)建及編輯幾何模型的能力,掌握部件的連接關(guān)系定義方法,掌握網(wǎng)格劃分方法與控制選項(xiàng),熟悉結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)力分析、特征值分析的求解組織過(guò)程和分析設(shè)置選項(xiàng),掌握加載的方法,掌握常用后處理操作。

建議以軟件官方培訓(xùn)課程為主進(jìn)行學(xué)習(xí),并學(xué)會(huì)使用軟件幫助文檔。

工程知識(shí)方面,應(yīng)當(dāng)熟悉工程問(wèn)題的邊界條件和載荷工況、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)大致的設(shè)計(jì)流程有所了解。

三、怎么做有限元分析

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有限元分析所要求解的問(wèn)題本質(zhì)上都是力學(xué)問(wèn)題

如果分析者無(wú)法為分析的問(wèn)題定性,那么仿真將是毫無(wú)意義的。計(jì)算軟件的各種分析模塊本質(zhì)上都是根據(jù)特定力學(xué)問(wèn)題編制的計(jì)算程序,只能計(jì)算具體的問(wèn)題,更無(wú)法通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)新的物理機(jī)制。

學(xué)了那么多力學(xué),怎么還是不會(huì)做有限元分析?這是我先前寫(xiě)的文章,我建議分析人員首先給要分析的問(wèn)題定性,把實(shí)際工程問(wèn)題抽象為一個(gè)完整描述的力學(xué)問(wèn)題,包括分析問(wèn)題的類型、求解域以及邊界條件、載荷工況等;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合軟件的功能和應(yīng)用,將力學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為軟件語(yǔ)言,即軟件可以數(shù)值求解的分析模型。

在以上的“二次映射”基礎(chǔ)上,即可著手實(shí)施具體的有限元分析過(guò)程了,這一過(guò)程可依照前處理、求解、后處理的順序依次進(jìn)行。由于求解階段主要是計(jì)算機(jī)的工作,因此前、后處理才是仿真分析的關(guān)鍵。

1、前處理關(guān)鍵點(diǎn)解讀

前處理階段的目標(biāo)是為求解器輸出一個(gè)計(jì)算模型。前處理階段的三個(gè)重要任務(wù)節(jié)點(diǎn)是:準(zhǔn)備幾何模型、模型的裝配與連接以及網(wǎng)格劃分

有限元分析的幾何模型,與三維CAD軟件中的幾何模型并不等同。比如:板殼結(jié)構(gòu)的幾何模型是薄壁的中面而不是實(shí)體,即便是實(shí)體結(jié)構(gòu),其幾何模型也需要在原始模型的基礎(chǔ)上做必要的簡(jiǎn)化處理,刪除一些不必要的特征,或者添加為加載而設(shè)置的印記等。

模型的裝配與連接,與三維CAD系統(tǒng)中的零件裝配也不是一個(gè)概念。這里所說(shuō)的裝配是力學(xué)意義上的裝配而不是幾何位置的裝配。模型的裝配通常包含接觸面或其他必要的能夠有效傳遞荷載的力學(xué)連接方式。 網(wǎng)格劃分是形成有限元模型的必要環(huán)節(jié)。

對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型選用合適的單元類型和階次,對(duì)不同的求解域選用不同的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格控制措施。對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu),優(yōu)先選用二次單元,不規(guī)則域可采用二次四面體單元。實(shí)體單元和板殼、梁等結(jié)構(gòu)單元可混合使用。

2、求解計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)解讀

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求解階段的主要任務(wù)節(jié)點(diǎn)包括:分析設(shè)置、加載以及求解。 分析設(shè)置選項(xiàng)包括分析類型、求解步控制、輸出選項(xiàng)等,對(duì)于非線性問(wèn)題,還需定義非線性選項(xiàng)。在所有的分析選項(xiàng)中,求解步選項(xiàng)是最為關(guān)鍵的,根據(jù)所選擇的分析類型設(shè)置求解步,相當(dāng)于對(duì)求解過(guò)程的組織和設(shè)計(jì)。

加載環(huán)節(jié),需要根據(jù)規(guī)劃的求解步按步施加約束條件及對(duì)應(yīng)載荷。對(duì)于多步分析,載荷歷程與加載步(求解步)要對(duì)應(yīng)。要根據(jù)作用機(jī)理正確選用載荷和約束類型,載荷的數(shù)值可以是恒值、表格或函數(shù)。

3、后處理關(guān)鍵點(diǎn)解讀

求解結(jié)束后,在后處理階段的任務(wù)通常包括:結(jié)果正確性的驗(yàn)證、結(jié)果的分析以及報(bào)告的撰寫(xiě)等。 驗(yàn)證結(jié)果的正確與否,可通過(guò)整體以及局部的平衡條件、與理論解答比較、與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較、與其他計(jì)算結(jié)果比較等方式實(shí)現(xiàn)。如果沒(méi)有可以比較的參照物,則可以基于力學(xué)概念去分析和驗(yàn)證。比如,可以根據(jù)概念估計(jì)上下界限,然后看計(jì)算結(jié)果是否在此范圍中間。

分析和查看結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果時(shí),首先看位移結(jié)果,其次才是看應(yīng)力結(jié)果。應(yīng)力結(jié)果要注意區(qū)分單元應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力、角節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和邊中點(diǎn)的應(yīng)力等。查看和分析結(jié)果要注意選擇合適的坐標(biāo)系。可以借助于切片、路徑、云圖、矢量圖、動(dòng)畫(huà)、探針、圖表等后處理工具對(duì)結(jié)果進(jìn)行全方位的數(shù)據(jù)挖掘。在后處理的過(guò)程中,要圍繞關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)指標(biāo)展開(kāi)分析,注意計(jì)算結(jié)果是否反映了設(shè)計(jì)思想和意圖。

總而言之,有限元分析實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)解題的過(guò)程,要重視解題的方法,更需要重視題目的提出過(guò)程。這好比不僅要會(huì)“解方程”,更重要的是要會(huì)正確的“列方程”。“列方程”的依據(jù)不是別的,正是基于力學(xué)和物理學(xué)的基本原理。如果在有限元分析的各個(gè)環(huán)節(jié)中都能做到以力學(xué)概念和工程經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo),必將能夠使得分析的過(guò)程事半功倍,并能夠更好地實(shí)現(xiàn)分析的正確性、有效性、經(jīng)濟(jì)性。

四、關(guān)于結(jié)構(gòu)仿真工程師的職業(yè)成長(zhǎng)體系

正如上文所說(shuō),仿真不僅僅是軟件操作,而是一整套體系,仿真工程師的成長(zhǎng)也是一整套體系







審核編輯:劉清

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    ?使用出色的FEM求解器SimcenterNastran是在計(jì)算性能、準(zhǔn)確性和可靠性方面都很出色的有限元法(FEM)求解器。它是線性和非線性結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、聲
    的頭像 發(fā)表于 02-11 10:24 ?648次閱讀
    【產(chǎn)品介紹】Simcenter Nastran<b class='flag-5'>仿真</b>軟件

    一種新型機(jī)翼應(yīng)變載荷關(guān)系神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

    摘要 建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變載荷關(guān)系模型時(shí),地面標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)保真度高、但工況范圍及數(shù)量受限,有限元仿真工況范圍覆蓋廣、但數(shù)據(jù)保真度低,導(dǎo)致單獨(dú)依據(jù)地面標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元仿真數(shù)據(jù)建立的應(yīng)變載
    的頭像 發(fā)表于 11-21 10:59 ?520次閱讀
    一種新型機(jī)翼應(yīng)變載荷關(guān)系神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

    使用FEMM(有限元法磁性學(xué))對(duì)電感式傳感器進(jìn)行仿真

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    發(fā)表于 09-19 11:13 ?7次下載
    使用FEMM(<b class='flag-5'>有限元</b>法磁性<b class='flag-5'>學(xué)</b>)對(duì)電感式傳感器進(jìn)行<b class='flag-5'>仿真</b>

    導(dǎo)彈電磁彈射器有限元仿真及分析

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    發(fā)表于 08-22 12:18 ?2次下載

    一種天線支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

    結(jié)合某型接收天線使用要求,設(shè)計(jì)了一型天線支架,并對(duì)其進(jìn)行有限元分析。分析在12級(jí)風(fēng)作用下天線支架的應(yīng)力和變形,確定了具體的設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全可靠和輕量化。所提方法適用于天線支架的靜力學(xué)分析問(wèn)題,可為同類型設(shè)計(jì)提供參考。
    的頭像 發(fā)表于 08-13 17:22 ?129次閱讀
    一種天線支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及<b class='flag-5'>有限元</b>分析

    電磁仿真軟件有哪些常用的方法

    電磁仿真軟件是一種用于模擬和分析電磁場(chǎng)行為的計(jì)算工具,廣泛應(yīng)用于電子、通信、電力、航空航天等領(lǐng)域。本文將介紹電磁仿真軟件的常用方法。 有限元法(Finite Element Method, FEM
    的頭像 發(fā)表于 07-12 10:02 ?2034次閱讀
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