《有限元仿真實(shí)踐原理》進(jìn)行有限元分析前的準(zhǔn)備

2017-02-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

進(jìn)行有限元分析需要的基本信息

一般來講,有限元分析的步驟可以分為:

? 建模(前處理)

? 求解

? 結(jié)果可視化(后處理)

建模/前處理

CAD數(shù)模

任何一個(gè)有限元分析,最常見的是從導(dǎo)入一個(gè)部件的CAD幾何數(shù)模(例如:CATIA、STEP、UG、IGES、solidThinking等)到前處理軟件(例如:HyperMesh)來進(jìn)行的。

在很多情況下,導(dǎo)入后的幾何不適合直接劃分網(wǎng)格,經(jīng)常首先需要進(jìn)行幾何清理,因?yàn)?

? 破面

? 沒有連接的幾何面

? 重復(fù)的面

? 太小的幾何面,不能劃分合適的網(wǎng)格

下圖描述了其他的幾個(gè)幾何問題:

《有限元仿真實(shí)踐原理》進(jìn)行有限元分析前的準(zhǔn)備ansys培訓(xùn)的效果圖片2

左邊的圖中是導(dǎo)入的幾何。幾何面的邊線(綠色)沒有相交在一個(gè)點(diǎn)上,也就是說,有一個(gè)非常小的偏差。當(dāng)在這個(gè)幾何上劃分網(wǎng)格時(shí),這個(gè)小偏差會被自動(dòng)考慮到,很不幸,這會生成質(zhì)量非常差的單元。中間的圖片描述了在初始的幾何上劃分網(wǎng)格的情況。注意局部網(wǎng)格是如何扭曲的。右邊是幾何清理之后劃分的網(wǎng)格。

一旦這些問題處理之后,分析者需要問自己,所有的幾何信息是否真的都需要。小的倒角和圓角、小孔、甚至公司標(biāo)志等,這些常常在CAD數(shù)模中的特征需要嗎?它們真的對部件的整體性能有用嗎?

網(wǎng)格劃分

當(dāng)幾何處理好之后,就可以劃分網(wǎng)格來近似幾何形狀。梁桿單元(1-D)、板殼單元(2-D)、或者實(shí)體單元(3-D)將被劃分出來。網(wǎng)格劃分步驟對有限元分析非常重要,因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的質(zhì)量。同時(shí),單元數(shù)量(節(jié)點(diǎn)數(shù)量)影響計(jì)算時(shí)間。這是為什么在一些情況下,選擇板殼單元和梁桿單元,而不選擇實(shí)體單元。例如,在分析金屬薄板時(shí),結(jié)構(gòu)的二維近似只用到少的多的單元,這樣會減少計(jì)算用的CPU時(shí)間(這個(gè)時(shí)間是你等待分析結(jié)果的時(shí)間)。

《有限元仿真實(shí)踐原理》進(jìn)行有限元分析前的準(zhǔn)備ansys培訓(xùn)的效果圖片3

上圖是典型的一維,二維和三維單元?jiǎng)澐值慕Y(jié)構(gòu)。你會選擇哪種單元來劃分哪種部件?

除了自動(dòng)化的網(wǎng)格劃分(自動(dòng)化的網(wǎng)格劃分是選擇之一),網(wǎng)格質(zhì)量、單元連接和單元法向都需要檢查。如果需要,這些單元問題可以通過修改幾何或者編輯單個(gè)單元來修改。

材料和屬性信息

網(wǎng)格劃分完成之后,材料(例如楊氏模量)和屬性信息(例如厚度值)將會賦給單元。

載荷、約束和求解器信息

各種各樣的載荷和約束施加到模型上來描述到部件受到的載荷條件。同一個(gè)模型上,可以定義不同的載荷步來表示不同的載荷條件。通過加入求解器信息來告訴求解器,哪種分析將運(yùn)行,哪些結(jié)果將輸出等等。

要確定你的工況,需要你的工程技能?？紤]到你的結(jié)構(gòu)上將會受到的所有載荷情況,判斷是否你需要進(jìn)行相應(yīng)分析。要確定靜態(tài)或動(dòng)態(tài)情況下的載荷,多體動(dòng)力學(xué)仿真(MBD)是很有幫助的。

然后,從前處理軟件HyperMesh中,導(dǎo)出有限元模型(包含節(jié)點(diǎn)、單元、材料、屬性、載荷和約束)。導(dǎo)出的有限元模型,通常稱為求解文件,是一個(gè)ASCII文本文件,根據(jù)所選擇的求解器(例如RADIOSS或者OptiStruct),有對應(yīng)的語法格式。一個(gè)OptiStruct求解文件的一部分如下圖所描述:

《有限元仿真實(shí)踐原理》進(jìn)行有限元分析前的準(zhǔn)備ansys圖片4

正如你所看到的,求解文件中的信息,和節(jié)點(diǎn)定義相關(guān)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過它的節(jié)點(diǎn)號和x、y、z坐標(biāo)確定。每一個(gè)單元然后通過它自己的單元號和組成它的節(jié)點(diǎn)號確定。這就完成了前處理階段。

求解

在一個(gè)簡單的線性靜態(tài)分析,或者一個(gè)自由模態(tài)分析過程中,基本上不需要你做太多工作。有限元程序中的默認(rèn)設(shè)置能夠很好的處理這類問題。實(shí)際的分析將會告訴你,如果這類問題分析過程中因?yàn)閳?bào)錯(cuò)而停止計(jì)算,通常是因?yàn)槟阍谇疤幚黼A段犯了錯(cuò)誤。這里介紹一些常見的錯(cuò)誤:

? 單元質(zhì)量

? 無效的材料屬性

? 材料屬性沒有賦予單元

? 模型約束不足(模型在外部載荷作用下顯示出剛體位移)

可視化(后處理)

求解成功后,接下來就是進(jìn)行仿真結(jié)果的后處理(用HyperView觀察云圖,HyperGraph進(jìn)行二維/三維數(shù)據(jù)處理)。觀察應(yīng)力、應(yīng)變和變形云圖,檢查部件在各種載荷條件下如何響應(yīng)。根據(jù)結(jié)果,可能需要對部件進(jìn)行改動(dòng),然后重新做一次仿真分析,檢查改動(dòng)如何影響該部件。

這樣就算完成了有限元仿真分析。

實(shí)際仿真將表明在很多項(xiàng)目中,上述流程必須重新進(jìn)行,因?yàn)榉抡娼Y(jié)果顯示改動(dòng)后的部件并沒有預(yù)期的性能。

很明顯,重新進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)(進(jìn)行改動(dòng)),然后重新進(jìn)行整個(gè)有限元分析令人厭煩。

一個(gè)非常有效(并且令人激動(dòng))的技術(shù)可以加速這個(gè)流程,這個(gè)技術(shù)叫做Morphing。應(yīng)用morphing技術(shù),可以讓CAE工程師改變有限元模型的幾何外形,比如改變半徑,改變加強(qiáng)筋的厚度,改變倒角形狀,等等。Morphing之后的有限元模型,可以導(dǎo)出(無需網(wǎng)格重劃分),CAE工程師可以馬上對改動(dòng)后的部件進(jìn)行重新分析。

Morphing有限元模型的一個(gè)例子如下圖所示:

總論

個(gè)人進(jìn)行有限元分析,不僅容易發(fā)生很多人為的錯(cuò)誤,比如定義材料或者載荷時(shí)輸入錯(cuò)誤。而且選擇建模的假設(shè)(例如幾何簡化、選擇單元類型和單元尺寸等),必須花費(fèi)很多精力。雖然有限元求解器可以檢查其中的一些主要錯(cuò)誤,但是很可能你的分析結(jié)果是由有問題的模型得到的。

本章節(jié)選自《有限元仿真實(shí)踐原理》

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