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仿真干货丨有限元模拟仿真分析的六大关键环节

CAE仿真学社

1年前浏览925

随着近年来CAE分析软件应用的普及，越来越多的人开始接触有限元分析。这在10到20年前是无法想象的。在那个年代，仿真分析似乎还主要是科研人员写论文才会涉及到的领域。

另一方面，会操作软件并不等于掌握了分析能力，很多初学者仅仅是跟着网上的视频学了一点软件操作，根本没有搞懂为什么这样操作，这些操作所导致的结果到底对不对？更换应用场景和载荷工况之后，必然再次陷入到“两眼一抹黑”的困境中。

一般来说，有限元分析包括准备几何模型、模型装配、网格划分、约束与负载、求解设置、结果分析等六大关键环节。任何一个环节出问题，都会直接导致仿真分析效率低下、不准确甚至彻底的失败！

那么，有限元分析到底难在哪里？这六个环节都有哪些“坑”？下文来为您解析。

1、准备几何模型

根据结构构件的特点，选用合适的单元类型来模拟。不同的单元类型在客观上就要求不同的建模方案和几何准备方法。

(1)实体结构

实体结构是较为简单和直观的结构形式。不过要注意原始的3D几何模型可能并不适合于直接用于仿真，通常还需要进行必要的简化、修复、添加用于加载的印记等操作。

(2)板壳结构

板壳结构多用于模拟薄壁结构，通常是由薄壁的实体模型抽取直面得到几何模型。对于中等厚度壳体可考虑按实体建模，然后用实体壳单元来模拟。

(3)杆系结构

杆系结构用于模拟杆状构件，如：桁架、梁等。几何模型可以直接创建各构件的轴线，也可由实体模型抽取轴线。

除了上述三种基本类型外，实际结构还可以是各种基本类型组合而成的组合结构。比如：实体-梁组合结构、实体-板壳组合结构、板壳-梁组合结构等等，不同类型的结构之间可通过多点约束方程技术实现连接。

2、模型的装配

这里所说的模型装配不是指模型各部件的几何位置装配，而是指各部件（构件）之间的受力关系意义上的装配。常见的装配方式包括接触、Joint节点、弹簧、梁、焊点、约束方程、网格连接等。通过这些连接，各构件之间才可以传递力的作用。

3、网格划分

用单元组合体来近似描述实际结构，是有限元方法的内在要求。网格划分的关键在于网格划分选项的控制，这些控制又可以分为总体控制和局部控制两大类。一般而言，局部控制选项具有更高的优先级。通常可以在可能的应力集中区域细化单元，以获得更高应力精度。在静力分析和低速动力分析中采用高阶单元一般可以提高解的精度。

4、约束与载荷

由于结构总体刚度矩阵的奇异性质，边界条件（载荷也可视为应力边界条件）成为问题能否正确求解的关键。很多人在执着于划分高质量的网格上花费了大量时间精力，但是边界条件的施加方面却十分随意。

事实上，如果网格粗糙一些或者质量差一些，造成的问题也仅仅是误差层面；但是边界条件不正确的话，整个分析就彻底失败了。正因为如此，根据实际受力情况来施加合理的边界条件是问题正确求解的关键。

5、指定分析类型与选项

结构分析的类型及求解选项同样是获得正确解答的重要环节之一。

选择合适的分析类型，不仅是问题获得正确解答的需要，而且可以使得分析过程变得事半功倍。以柔性体的瞬态动力学分析为例，就可以根据结构特点简化为其他类型的分析，比如：动力效应不显著可简化为静力分析，载荷为简谐变化时可简化为谐响应分析，已知瞬态载荷的响应谱时可简化为响应谱分析，构件变形不显著可以简化为刚体动力学分析。

所以，根据问题特点选用合适的分析类型十分重要。在确定了合适的分析类型后，正确设置相关的分析选项也是题中应有之意。在各种分析选项中，载荷步的划分与时间步设置是最重要的选项，因为这些选项实际上控制了分析的整个进程。