所有工程师在FEA之前应了解的6件事

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每个行业的工程师都将有限元分析（FEA）集成到设计周期中，以确保其产品安全，具有成本效益并且可以快速推向市场。 但是，分析并不像将CAD模型放入任何FEA包中那样简单。

今天有比以往更多的软件选项。多年以来，工程师一直只能使用线性静应力分析。最近，有限元软件包已经扩展到包括非线性静态应力，动态应力（振动），流体流动，传热，静电以及基于FEA的应力和运动分析功能。通常将这些功能组合在一起以执行考虑多种物理现象的分析，并将其紧密集成在CAD界面中。

本文将简要讨论一些FEA基础知识，然后概述工程师在决定使用FEA时需要了解的内容。

1.     FEA基础知识。有限元模型是要分析的连续物理零件的离散表示。该表示是使用节点创建的，这些节点连接在一起形成表单元素。节点是物理零件上的离散点，在该点上，分析将预测由于施加的载荷而导致零件的响应。根据节点自由度（DOF）定义此响应。对于应力分析，根据所选的元素类型（例如梁，板，2D和3D元素），每个节点最多可以有六个自由度（平移三个分量和旋转三个分量）。公共节点上的连接元素网格包括网格。 当相邻元素共享节点时，位移场在共享元素边界上是连续的，并且可以在元素之间传递载荷。

2.     设计标准。 在任何分析中，工程师首先需要确定零件将要暴露于的重要物理现象和环境条件，以及所需的设计目标。 例如，工程师最普遍关注的问题之一就是最大化零件的耐用性。分析的第一步是确定设计是否要经受静态或动态条件。 在其实际应用中，零件是固定在空间中，受到振动还是相对于装配中的其他零件移动？ 当您在整个运动周期中运行整个产品时，会发生什么？ 多年来，面对昂贵的计算资源的工程师通过使用静态FEA软件在单个时刻及时计算压力来简化该问题。 仅当设计在一段时间内没有受到冲击，运动或施加的负载变化时，此方法才有效。

3.     3.多物理场。 除了考虑零件承受机械应力的能力之外，FEA软件还经常使工程师能够预测其他实际应力，例如：极端温度或温度变化的影响（传热分析），流体流过物体和围绕物体的流动 （流体流动分析），或对象的整个表面或整个体积上的电压分布（静电分析）。这些影响通常是一致起作用的，因此，FEA程序必须考虑它们彼此之间的影响，这一点很重要。 例如，计算机芯片可能会随着时间的流逝而发热，被来自风扇的气流冷却，与其他零件振动并带电。 一种典型的方法可能是隔离并计算每个变量，然后一次将结果输入到FEA程序中。 但是，每个变量也会影响所有其他变量，因此通常需要使用耦合分析或用于关联结果的工具。

4.     运动仿真。 使用当今更便宜，更快的计算机，FEA的增长趋势是使用有限元模型来模拟大规模运动。 过去，设计过程需要能够构建用于不同用途（设计，加工或分析）的模型的专家。 但是，借助唾手可得的更多计算能力，当今的工程师可以针对所有三个需求使用相同的模型，甚至可以从其台式机执行运动分析。 共有三种常用方法：运动载荷传递要求工程师使用两个应用程序：运动学软件包用于获取近似载荷，然后将其输入到FEA程序中进行分析。 这种方法不模拟有限元模型的运动，而只是模拟许多近似的静态点。 它比手工计算应力要快，但是它使用刚体运动程序，因此工程师必须接受某些假设。 例如，诸如垫圈之类的零件是柔性的，但是刚体程序无法计算出来。显式时间步方法使用大量短时间间隔来模拟模型的实际运动。它通过沿时间“前进”来确定解决方案，从先前时间步的解决方案中推断出来。在给定的时间间隔内，此方法速度很快，但是对于整个场景而言，它可能会花费太长时间。例如，如果您要模拟撞在电线杆上的汽车，那么使用这种方法来考虑实际冲击时刻将是不切实际的。基于FEA的应力和运动分析的隐式时间步方法和自动时间步方案可以通过以较大的时间步运行相对不活动的时间段（例如恒定的加速或减速）来模拟模型的运动周期，然后自动减少时间步大小以捕获关键活动的周期，例如表面间接触，局部屈曲或冲击。因此，针对零件的运动，变形和应力的精确解决方案变得实用。但是，与往常一样，在速度上需要进行一些权衡，因为这种方法会计算每个时间点的结果。

5.     建模。 在确定所需的分析类型和操作环境的特征之后，工程师必须生成具有适当分析参数（例如载荷，约束和适当网格）的有限元模型。 CAD / FEA互操作性的三种可用方法在易用性，准确性和功能性方面可以有很大不同：CAD通用文件格式方法要求工程师将CAD实体模型导出为中性文件格式（例如IGES，ACIS或Parasolid），然后将中性文件导入FEA系统以进行设置和分析。 尽管此方法通常使工程师能够充分利用FEA程序，但在转换模型时也可能导致CAD几何数据丢失。 因此，这不是理想的方法，因为它有时涉及使用问题的简化版本。“一窗口式” CAD / FEA方法不需要文件翻译，因为FEA供应商将分析功能内置到CAD实体建模器中。用户选择此选项是因为它易于使用，因为他们可以从单个应用程序中的下拉菜单访问FEA功能。但是，由于空间和接口的限制，FEA提供程序通常会简化其单窗口版本。另外，由于FEA公司必须针对每个CAD供应商的软件量身定制其产品才能集成这两个产品，因此它也可能受到限制。因此，如果CAD / FEA互操作性方法是在多CAD环境中或具有中等到高级的分析功能，则工程师可能需要购买和学习其他软件。“一个窗口之外”的CAD / FEA方法也不需要文件翻译，但是它具有额外的功能，可以在与CAD实体建模器不同的计算机上执行FEA分析，并且可以使用单个界面处理多个CAD软件包。主要区别在于FEA在单独的应用程序中运行，因此FEA供应商可以提供更完整的版本（例如，包括更多的元素类型，网格和分析选项），而无需其他分析软件。这种方法的一个可能的缺点是，工程师必须同时学习CAD和FEA软件。

6.     结果解释。工程师获得分析结果后，他或她不可避免地会问：“我怎么知道我的答案是正确的？”因此，FEA软件必须提供结果验证或确认工具。理想情况下，这些工具不仅包括位移，应力或其他结果轮廓，而且还包括提供定性和定量验证的精密轮廓。通常，工程师所做的分析和建模选择将决定解释结果的难易程度。例如，如果执行了线性静应力分析，则仅在单个时间点的轮廓将可用。需要以某种方式解释显示的应力，例如将值与分析中使用的材料的屈服应力进行比较。此外，工程师还假设在线性静态应力分析中分析的那一瞬间代表了最坏的情况。另一方面，如果在实体装配体上执行基于FEA的应力和运动分析，则解释结果将容易得多，因为可以看到模型随时间移动，弯曲，弯曲甚至断裂。这些与时间有关的结果可以记录在动画文件中，例如Windows .avi格式。除动画功能外，工程师应期望FEA软件具有快速，易于使用的可视化工具，以查看和呈现所有分析类型的结果以及其他集成的显示选项，例如用于生成结果轮廓图像文件的自动选项。和绘图，VRML文件和HTML报告。这些工具可用于准备向其他工程师甚至经理和客户展示结果。仔细考虑此处讨论的分析，建模和结果解释问题，将有助于工程师对他们的FEA结果的有效性更有信心地展示其设计。