搜索《有限元仿真實踐原理》進行有限元分析前的準備
2017-02-23 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
進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
? 結果可視化(后處理)
建模/前處理
CAD數(shù)模
任何一個有限元分析,最常見的是從導入一個部件的CAD幾何數(shù)模(例如:CATIA、STEP、UG、IGES、solidThinking等)到前處理軟件(例如:HyperMesh)來進行的。
在很多情況下,導入后的幾何不適合直接劃分網(wǎng)格,經(jīng)常首先需要進行幾何清理,因為:
? 破面
? 沒有連接的幾何面
? 重復的面
? 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幾何問題:
左邊的圖中是導入的幾何。幾何面的邊線(綠色)沒有相交在一個點上,也就是說,有一個非常小的偏差。當在這個幾何上劃分網(wǎng)格時,這個小偏差會被自動考慮到,很不幸,這會生成質量非常差的單元。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,因為網(wǎng)格質量直接影響分析結果的質量。同時,單元數(shù)量(節(jié)點數(shù)量)影響計算時間。這是為什么在一些情況下,選擇板殼單元和梁桿單元,而不選擇實體單元。例如,在分析金屬薄板時,結構的二維近似只用到少的多的單元,這樣會減少計算用的CPU時間(這個時間是你等待分析結果的時間)。
上圖是典型的一維,二維和三維單元劃分的結構。你會選擇哪種單元來劃分哪種部件?
除了自動化的網(wǎng)格劃分(自動化的網(wǎng)格劃分是選擇之一),網(wǎng)格質量、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,哪種分析將運行,哪些結果將輸出等等。
要確定你的工況,需要你的工程技能。考慮到你的結構上將會受到的所有載荷情況,判斷是否你需要進行相應分析。要確定靜態(tài)或動態(tài)情況下的載荷,多體動力學仿真(MBD)是很有幫助的。
然后,從前處理軟件HyperMesh中,導出有限元模型(包含節(jié)點、單元、材料、屬性、載荷和約束)。導出的有限元模型,通常稱為求解文件,是一個ASCII文本文件,根據(jù)所選擇的求解器(例如RADIOSS或者OptiStruct),有對應的語法格式。一個OptiStruct求解文件的一部分如下圖所描述:
正如你所看到的,求解文件中的信息,和節(jié)點定義相關。每一個節(jié)點通過它的節(jié)點號和x、y、z坐標確定。每一個單元然后通過它自己的單元號和組成它的節(jié)點號確定。這就完成了前處理階段。
求解
在一個簡單的線性靜態(tài)分析,或者一個自由模態(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設置能夠很好的處理這類問題。實際的分析將會告訴你,如果這類問題分析過程中因為報錯而停止計算,通常是因為你在前處理階段犯了錯誤。這里介紹一些常見的錯誤:
? 單元質量
? 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,接下來就是進行仿真結果的后處理(用HyperView觀察云圖,HyperGraph進行二維/三維數(shù)據(jù)處理)。觀察應力、應變和變形云圖,檢查部件在各種載荷條件下如何響應。根據(jù)結果,可能需要對部件進行改動,然后重新做一次仿真分析,檢查改動如何影響該部件。
這樣就算完成了有限元仿真分析。
實際仿真將表明在很多項目中,上述流程必須重新進行,因為仿真結果顯示改動后的部件并沒有預期的性能。
很明顯,重新進行CAD設計(進行改動),然后重新進行整個有限元分析令人厭煩。
一個非常有效(并且令人激動)的技術可以加速這個流程,這個技術叫做Morphing。應用morphing技術,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,改變加強筋的厚度,改變倒角形狀,等等。Morphing之后的有限元模型,可以導出(無需網(wǎng)格重劃分),CAE工程師可以馬上對改動后的部件進行重新分析。
Morphing有限元模型的一個例子如下圖所示:
總論
個人進行有限元分析,不僅容易發(fā)生很多人為的錯誤,比如定義材料或者載荷時輸入錯誤。而且選擇建模的假設(例如幾何簡化、選擇單元類型和單元尺寸等),必須花費很多精力。雖然有限元求解器可以檢查其中的一些主要錯誤,但是很可能你的分析結果是由有問題的模型得到的。
本章節(jié)選自《有限元仿真實踐原理》
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