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有限元分析

有限元分析 (FEA) 是对产品和组件的结构、声学、电磁或热性能进行虚拟建模和仿真。有限元分析是有限元法(FEM)的实际应用。

什么是有限元分析?

有限元分析是在虚拟环境中对产品和系统进行建模,以查找和解决潜在(或现有)产品性能问题。有限元分析是有限元的实际应用,工程师和科学家使用它对复杂的结构、声学、电磁、热、流体和多物理场问题进行数学建模和数值求解。有限元分析软件可用于广泛的行业,但最常用于航空、汽车、电子、工业机械、船舶和消费品行业。

有限元 (FE) 模型由一个称为“节点”的点系统组成,这些点构成了设计的形状。与这些节点相连的是构成有限元网格的有限元,这些有限元包含模型的材料和结构属性,定义了模型对某些条件的反应方式。有限元网格的密度可能会在整个材料中发生变化,具体取决于特定区域应力水平的预期变化。应力变化较大的区域通常比应力变化很小或没有应力变化的区域需要更高的网格密度。分析点可能包括先前测试材料的断裂点、圆角、拐角、复杂细节和高应力区域。

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A finite element analysis for structural dynamics of a gearbox for an electric vehicle powertrain visuals from the Simcenter 3D software.

发现优势

有限元分析是一种成熟的方法,通常用于替代或补充实验和分析方法,以帮助日常产品的工程设计和分析。与原型设计和实验相比,基于有限元分析的仿真具有以下优势。

提高性能

通过有限元分析,您可以快速分析和探索提高产品性能的工程可能性。

时间缩短

与构建和测试方法相比,有限元分析可帮助您更快地将优化的产品设计推向市场。

降低成本

与传统的基于物理样机的测试流程相比,通过利用有限元分析,您可以显著降低产品开发成本。

有限元分析仿真过程中的步骤

无论使用何种软件,大多数有限元分析仿真都遵循这些通用步骤。

车架的 3D 模型,带有来自 Simcenter 3D 软件的热图视觉效果。

前处理

预处理阶段包括编辑几何体并准备仿真。在称为网格划分的过程中,预处理工具在应用材料属性、载荷、约束和仿真参数之前将设计几何体转换为小的有限元。

CFD 仿真软件开始使用 CFD 求解器迭代求解离散化方程。

求解

有限元分析仿真软件开始使用求解器迭代求解离散化方程。这一步骤需要大量时间和计算资源。对于复杂仿真,越来越多的企业开始诉诸于云计算,这是针对此问题经济实惠的解决方案。

通过 Simcenter 3D 软件对机械结构进行线性分析。

后处理

一旦求解完成,下一步就是使用报告、监控、绘图、2D/3D 图像和动画定性定量地对仿真结果进行分析和可视化。此阶段还包括对结果的验证和确认。

有限元分析的类型

一维分析(梁模型)

一维分析是指应用仅由仅由两个节点组成的一维元素(如梁单元)创建的模型。一维分析可以很好地查看通常难以建模的结构(例如车身或机身)的早期分析。一维光束模型可以帮助工程师在完整的几何形状准备好进行更深层次的分析之前快速评估车身动力学。

二维分析(壳模型)

工程师将几何图形与二维元素(例如用于薄壁体的四边形或三角形单元)网格化,例如由钣金制成的零件。然后,元素属性定义壳单元的厚度,求解器将使用该厚度来计算应力、应变和其他结果。有限元分析预处理器具有快速网格划分算法,可帮助工程师在几何体上创建壳网格。

3D 分析(实体模型)

对于实体、厚实的几何体(如发动机缸体),工程师使用实体 3D 元素来表示几何体。四角、金字塔和六角元素在整个实体中产生。有限元分析预处理器具有工程师创建实体网格模型所需的工具。

多物理场有限元分析

现代有限元分析不仅仅是单独模拟单个物理场。如今,有限元分析已经变得更加多学科,使工程师能够将不同的物理场耦合在一起,例如流固耦合 (FSI)、热机械仿真、基于结构 FE 的柔性体的多体动力学、机电热等。多物理场仿真 在日益复杂的产品中至关重要,这些产品需要全面的跨域工程来实现最佳性能。

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