深度解析有限元分析(FEA)：CAD中的原理、应用与软件工具

本文导览：

• 什么是FEA(有限元分析)
• 有限元分析与仿真软件原理
• FEA通用流程
• 有限元方法类型
• CAD中的有限元分析应用
• FEA软件为何有用
• 核心结论

工程师身负重托：对其设计的所有产品和结构完整性与安全性负全责。设计微小失误常酿成惨剧(频引发诉讼)。

因此产品结构部署前须经阵列压力测试与优化。但按百次迭代(且按比例)实施成本高昂。工程师常转向仿真建模技术(如有限元分析)自动化简化测试。

这减少了迭代原型中本用于实体化的材料使用。

有限元分析是工程师和CAD设计师模拟设计“应力”最常用技术之一。

什么是FEA(有限元分析)？

有限元分析(FEA)是用基于物理的计算方程组求解工程问题的数值技术。

例:工程师设计桥梁需预测结构受载行为。描述结构应力分布的方程组虽已知,但无法直接(或轻易)求解桥梁等复杂结构。

故须将系统分解为小单元(即“有限单元”)，其计算易于求解。

有限单元可以是一维、二维或三维。

有限元分析与仿真软件原理

有限元法通常用于FEA计算工程边界问题(场问题)的近似解。

“场”通常表征物理结构为主域。

“场变量”是受微分方程支配的关注变量。必须为变量特定值(或相关变量)达成边界条件。

“节点”是有限单元上包含场变量值的特定点——通常显式计算。这些值通过形函数插值节点值计算非节点点值。

FEA通用流程

1. 制造预处理

此阶段需定义域问题、材料属性、几何属性、网格模型、边界条件、单元类型。工程师通常尽可能简化问题以获快速准确结果。

例:仿真前CAD模型可能有大量倒圆、孔等非仿真必要但占计算资源、增加渲染时间的特征。工程师通常移除这些特征加速仿真。

可手动逐个移除——或用Spatial软件CAD去特征化自动完成。自动化显著优势:减少人为错误。

Spatial的3D InterOp与建模器解决方案赋能特征识别与轻松去特征化

2. 求解

此阶段计算场变量未知值。可用这些值计算应力、反力等导出变量。

3. 后处理

排序、绘图、打印是最终活动集,将选定结果实施为有限元分析解决方案。

有限元方法类型

部分领域(如流体力学)FEA建模短板催生多种改进求解过程、增强有限元分析应用多样性的方法。

常见类型包括:

• 扩展有限元法(XFEM)

损伤断裂失效问题无法直接用有限元法处理。XFEM——用Galerkin方法和Heaviside阶跃函数——扩展形函数。节点在不连续点获额外自由度供考量。

• 广义有限元法

此类型中形函数乘单位分解并由全局坐标定义。防止重新网格划分同时可形成局部单元函数。

CAD中的有限元分析应用

FEA是CAD设计中最强大常用功能之一。

它通过包含小矩形和三角形形状的有限单元分析物体,是CAD不可或缺部分。分析整个物体时,整个物体网络中每个有限单元被分析,结果组合绘制复杂物体整体行为。每个单元可按需分析应力应变、动力学、热性能等特定属性阈值。

CAD工作流中可按需定义每个单元和网络结构。

FEA软件为何有用

FEA让工程师仿真设计模型而非创建物理模型测试。

FEA提供更多优势。

分析中FEM允许建模多样材料类型,监测局限效应如何影响复杂几何中微小设计区域。

工程师可用专业有限元建模软件执行广泛任务。

流体动力学、车辆碰撞变形、人骨应力是工程师利用有限元建模软件的实际应用例。

核心结论

FEA是预测性非肯定性的。

它不确证设计必能确定承受模拟应力。仅给工程师视角:设计如何对施加应力反应,同时削减物理测试成本。

为获得最佳FEA体验,多款含此功能的CAD软件可助您在任何工程领域设计更好更精准结构。