有限元分析對物理實驗設計的影響

1、有限元分析對物理實驗設計的影響物理是一門實驗性的科學,所以通常的物理實驗設計大都是依靠已有的公式和經(jīng)歷來制定的。有限元分析是隨著現(xiàn)代電子計算機的開展而迅速開展起來的一種現(xiàn)代計算方法,廣泛應用于求解熱傳導、電磁？17.就三py攘？?暈侍鉉1利用有限元分析方法可以提早模擬實驗的過程并對實驗結果進展預判。如今大量專業(yè)的有限元分析軟件應用于各個行業(yè)當中，如ls-dyna,ansys,abaqUS。將有限元分析方法引入物理實驗的設計過程當中,可增加視覺效果,加深理解并促進方法的完善。本文從三方面分析了在物理實驗設計中引入有限元分析法帶來的影響。更為直觀地提醒物理實驗的變化過程以力學實驗為例,在設計拉伸實

2、驗過程時,通常只能通過電腦看到位移與拉力的關系圖,一直到試樣被拉斷,最后將數(shù)據(jù)導出,得出位移與應力之間的數(shù)據(jù)圖。但是此類實驗的缺陷是無法看到過程中的變化,但利用有限元分析可以彌補這個缺乏。以LS-DYNAJ例，它的后處理軟件Isprepost,可以通過設定的步數(shù)直觀地提醒第一步試樣的應力變化和變形的三維演示圖。在Isprepost的Fcomp模塊中可以根據(jù)需要自由選擇所需要區(qū)域的試樣應變和應力的分布,將傳統(tǒng)物理實驗中單純的數(shù)字增強為整體三維的理解,并且通過拖動功能選擇任意的角度來觀察試樣在拉伸過程的應力分布和變形過程。還可以對需要更為詳細觀察的位置進展切片處理,并提取出來進展360度的觀察,通

3、過云圖的分布理解拉伸過程當中的選取局部的應力和變形情況,使得物理實驗的設計者可以直觀和整體理解變化的過程,這是傳統(tǒng)的物理實驗所不具備的2。使設計者在設計之初,對整個實驗過程有更好地把握,從盲目地選擇轉變?yōu)槊魑卦O定。加深物理量對結果的影響,促進正確數(shù)值的選擇例如:在進展電磁頻譜實驗設計中,由于對電勢與各個參數(shù)之間的變化,以及參數(shù)詳細數(shù)值對電勢的影響程度,一般的設計人員開場很難有清楚地認識3。因此,在物理量數(shù)值的選擇時只是根據(jù)已有的經(jīng)歷和書本知識進展設定,很容易出現(xiàn)最終數(shù)值偏高或者偏低的情況。而在有限元分析軟件ANSYSM牛中,設定有專門的后處理模塊來處理此類問題。當設計者選擇對電勢有影響的某一

4、變量,可以根據(jù)需要自主選取所考慮的數(shù)值，在得由最終實驗的數(shù)據(jù)后，就在ANSYSW處理模塊當中制成所需要得到的分布示意圖。由于采用計算機自動處理的方式,使有限元分析法相較于傳統(tǒng)的物理實驗方法具有速度快、本錢低、更易實現(xiàn)的優(yōu)勢,實驗結果的生成更為快速,增強了實驗數(shù)據(jù)對設計者的影響程度。假如對某一參數(shù)需要比擬且加以調整時,只要修改數(shù)值并重新進展計算即可,并將結果生成的圖形制成統(tǒng)一的格式進展比照。由于是圖形處理,可比照擬區(qū)域填充顏色,并通過顏色的深淺,來劃分影響的上下和范圍,這與傳統(tǒng)物理數(shù)據(jù)只能生成單調的數(shù)據(jù)圖相比,可以讓設計者更快地理解各個參數(shù)對最終電勢的影響程度。減少了傳統(tǒng)數(shù)值選擇的盲目性,增強了

5、目的性和指向性。推動、改良和選用更好的設計方法在常規(guī)的物理設計過程中,只有當實驗結果出現(xiàn)后,才能通過對實驗數(shù)據(jù)結果的分析,來確定方法的正確與否,并提出改良的措施。這就使得設計的過程較長,需要更多等待的時間。而利用有限元分析的方法,可以完美地實現(xiàn)物理實驗的整個過程,并憑借可以生成直觀的全方位視圖和更迅速地實現(xiàn)結果,進步設計者對實驗的理解程度,大大降低了改良實驗的設計所需要的時間,這在流動力學這種非常耗時且高本錢的實驗設計中有著更為明顯的表達。通過對過程和結果的分析,借助有限元軟件的后處理模塊,可以讓設計者明晰地理解參數(shù)的選擇與目的是否一致,與實際實驗結果進展比擬。減少設計的時間和使用本錢,進步了

6、設計的效率和最終效果。而有限元可以采用不同的數(shù)學算法還可將最新的算法代入其中,從而將物理實驗這門實驗性科學與數(shù)學的理論科學更好的結合為一體,增強了設計者的理論程度。有限元軟件可以協(xié)同計算,對于需要大量重復性的實驗可以簡化,得出可以參考的有效值。物理實驗需要借助特定的設備,對于設計組成員,只能單次進展。而借助計算機處理,有限元分析可以同時進展這類重復性實驗,且將設備的限制降為最低。雖然仍需要最終進展實際實驗,但減少實驗次數(shù)并在實驗過程前明確設計的方向,讓設計的方向更為明確。綜合以上幾點,有限元分析對設計方法最終實現(xiàn)有著正向推動作用。結語將有限元分析引入物理實驗設計當中,可以更直觀地預判和表現(xiàn)實驗的過程和結果,加深物理量數(shù)值對實驗結果的變化并且還可以在制訂實驗過程前改良方法和流程。因此,在物理實驗過程引進有限元分析,可以起到加快設計過程,增強認識的效果。1 雷前召.利用數(shù)值法改良大學物理課中的演示實驗J.渭南師范學院學報,2022,11(2):29-32.2 朱鶴年.