CAE有限元仿真定義

CAE有限元仿真1>有限元的基本概念有限元分析,英文說法:Finiteelementanalysis,簡稱FEA,定義為:將一個連續(xù)系統(tǒng)(物體)分隔成有限個單元,對每一個單元給出一個近似解,再將所有單元按照一定的方式進行組合,來模擬或者逼近原來的系統(tǒng)或物體,從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化成一個離散的有限自由度問題分析求解的一種數(shù)值分析方法。目前應(yīng)用較多的通用有限元軟件如下表所列另處還有許多針對某類問題的專用有限元軟件,例如金屬成形分析軟件Deform、Autoform；焊接與熱處理分析軟件SysWeld；模流分析Moldflow等。在設(shè)計階段即可驗證出產(chǎn)品實物效果，極大縮小制樣周期及開發(fā)、實驗成本。例如當前汽車的碰撞模擬；發(fā)動機減震降噪分析；武器爆轟過程模擬等。有限元法是一種有效的工程問題的模擬仿真。但是有限元法本身并不是一種萬能的方法,并不適用于所有的工程問題。對于工程中遇的實際問題,有限元法的使用取決于如下條件:產(chǎn)品實驗或制做樣機成本太高,實驗無法實現(xiàn)；有限元計算能夠有效地模擬出結(jié)果、達到實驗?zāi)康模?.有限元法是把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個單元所組成的組合體,簡稱離散化。2.這些單元僅在頂角處相互聯(lián)接,稱這些聯(lián)接點為結(jié)點。3.離散化的組合體與真實彈性體的區(qū)別在于:組合體中單元與單元之間的聯(lián)接除了結(jié)點之外再無任何關(guān)聯(lián)。但是這種聯(lián)接要滿足變形協(xié)調(diào)條件,即不能出現(xiàn)裂縫,也不允許發(fā)生重疊。顯然,單元之間只能通過結(jié)點來傳遞內(nèi)力。4.通過結(jié)點來傳遞的內(nèi)力稱為結(jié)點力,作用在結(jié)點上的荷載稱為結(jié)點荷載。當連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時,組成它的各個單元也將發(fā)生變形,因而各個結(jié)點要產(chǎn)生不同程度的位移,這種位移稱為結(jié)點位移。5.在有限元中,常以結(jié)點位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想,假設(shè)一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律,再利用力學理論中的變分原理或其他方法,建立結(jié)點力與位移之間的力學特性關(guān)系,得到一組以結(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程,從而求解結(jié)點的位移分量。顯然,如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸,增加求解區(qū)域內(nèi)單元的數(shù)目,解的近似程度將不斷改進,近似解最終將收斂于精確解。變形固體的基本假設(shè)連續(xù)性假設(shè):亦即物體整個體積內(nèi)部被組成這種物體的介質(zhì)填滿,不留任何空隙。這樣,物休內(nèi)的一些物理量,如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等等才可以用坐標的連續(xù)函數(shù)來表示。均勻性假設(shè):也就是說整個物體是由同一種材料組成的。這樣,整個物體的所有各部分才具有相同的物理性質(zhì),因而物體的彈性常數(shù)(彈性模量和波桑系數(shù))才不隨位置坐標而變。各向同性假設(shè):認為無論沿任何方向,固體的力學性能都是相同的2>有限元法的基本計算步驟原理三個步驟：前處理、求解、后處理基本計算步驟原理--物體離散化將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計算模型,這又稱作單元剖分或網(wǎng)格劃分。離散后單元與單元之間利用節(jié)點相互連接起來。描述變形形態(tài)的需要和計算進度而定。用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理,則所獲得的結(jié)果就與實際情況相符。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計算結(jié)果的準確性和計算迸度,甚至會因為網(wǎng)格劃分不合理而導致計算不收斂。網(wǎng)格的劃分主要取決于專業(yè)知識和經(jīng)驗積累。一個水平高的FEA工程師,80%時間是用在網(wǎng)格劃分上。對于一般的問題,各種FEA均能自動的進行合理的網(wǎng)格劃分。離散化要點—模型簡化基本計算步驟原理–單元特性分析根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、位置等，找出單點力和節(jié)點位移的關(guān)系式,這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應(yīng)用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，這是有限元法的基本步驟之一。在反映力和位移的關(guān)系式中，根據(jù)不同未知量選擇可建立不同的模型。位移法：選擇節(jié)點位移為未知量力法：選擇節(jié)點力作為未知量混合法：取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為未知量。位移法抑郁實現(xiàn)計算自動化，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。將外在的負載力等效到各個節(jié)點上物體離散化后,假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是對于實際的連續(xù)體,力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節(jié)點上基本計算步驟原理–單元組集利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程。對由各個單元組成的整體進行分析，建立節(jié)點外載荷與結(jié)點位移的關(guān)系，以解出節(jié)點位移，這個過程為整體分析。基本計算步驟–求解未知節(jié)點可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。傳統(tǒng)有限元分析的數(shù)值計算方法之中,有直接計算法(DirectSolver)與迭代法(Iterative)兩種。由于在過去的經(jīng)驗中,迭代法直無法直接而有效的保證數(shù)值計算的收斂性。因此，直接計算法在多數(shù)有限元素分析軟件直接法：全稱為直接式線性方程求解法，該方法可以用于線性和非線性的分析，完成非線性分析時常使用牛頓方法或者其他的方法，比如弧長法，在求解的每次迭代過程中都必須要求解一系列線性方程組，而直接線性求解器就是用來尋找這些線性方程組的精確解的。直接線性方程求解器使用稀疏、直接、高斯消元法，并且往往表現(xiàn)在分析所消耗時間的大部分時間中（尤其是大型模型的計算）—計算中方程的存儲占據(jù)著磁盤空間的最大部分。迭代法：全稱為迭代式線性方程求解法，可以用于尋找線性、非線性、準靜態(tài)、地應(yīng)力、孔隙流動擴散以及熱傳導等分析步的線性方程組。由于采用迭代的技術(shù)，不能保證給定線性方程組有收斂解，當?shù)蠼馄鞑皇諗繒r，模型的改進有助于提高收斂性。在某些情況下，使用直接式線性求解可能是得到解答的唯一選擇，但當求解收斂時，使用迭代式線性求解法將獲得更精確的解答，當然這也要依賴于相對容許值的大小。通常情況下相對容許值的