《有限元仿真实践原理》进行有限元分析前的准备

本文摘要（由AI生成）：

有限元分析是工程领域重要的数值分析技术，通过将复杂系统划分为简单、相连的单元，模拟物理现象。它包括建模、求解和结果可视化三个步骤。建模涉及几何清理、网格划分和属性定义，求解需考虑载荷和约束条件。结果可视化用于分析部件响应。有限元分析是迭代过程，需多次修改和重新分析。通过自动化技术和迭代方法，可提高分析效率和准确性，帮助工程师优化设计。

进行有限元分析需要的基本信息

一般来讲，有限元分析的步骤可以分为：

• 建模（前处理）

• 求解

• 结果可视化（后处理）

建模/前处理

CAD数模

任何一个有限元分析，最常见的是从导入一个部件的CAD几何数模（例如：CATIA、STEP、UG、IGES、solidThinking等）到前处理软件（例如：HyperMesh）来进行的。

在很多情况下，导入后的几何不适合直接划分网格，经常首先需要进行几何清理，因为：

• 破面

• 没有连接的几何面

• 重复的面

• 太小的几何面，不能划分合适的网格

下图描述了其他的几个几何问题：

左边的图中是导入的几何。几何面的边线（绿色）没有相交在一个点上，也就是说，有一个非常小的偏差。当在这个几何上划分网格时，这个小偏差会被自动考虑到，很不幸，这会生成质量非常差的单元。中间的图片描述了在初始的几何上划分网格的情况。注意局部网格是如何扭曲的。右边是几何清理之后划分的网格。

一旦这些问题处理之后，分析者需要问自己，所有的几何信息是否真的都需要。小的倒角和圆角、小孔、甚至公司标志等，这些常常在CAD数模中的特征需要吗？它们真的对部件的整体性能有用吗？

网格划分

当几何处理好之后，就可以划分网格来近似几何形状。梁杆单元(1-D)、板壳单元(2-D)、或者实体单元(3-D)将被划分出来。网格划分步骤对有限元分析非常重要，因为网格质量直接影响分析结果的质量。同时，单元数量（节点数量）影响计算时间。这是为什么在一些情况下，选择板壳单元和梁杆单元，而不选择实体单元。例如，在分析金属薄板时，结构的二维近似只用到少的多的单元，这样会减少计算用的CPU时间（这个时间是你等待分析结果的时间）。

上图是典型的一维，二维和三维单元划分的结构。你会选择哪种单元来划分哪种部件？

除了自动化的网格划分（自动化的网格划分是选择之一），网格质量、单元连接和单元法向都需要检查。如果需要，这些单元问题可以通过修改几何或者编辑单个单元来修改。

材料和属性信息

网格划分完成之后，材料（例如杨氏模量）和属性信息（例如厚度值）将会赋给单元。

载荷、约束和求解器信息

各种各样的载荷和约束施加到模型上来描述到部件受到的载荷条件。同一个模型上，可以定义不同的载荷步来表示不同的载荷条件。通过加入求解器信息来告诉求解器，哪种分析将运行，哪些结果将输出等等。

要确定你的工况，需要你的工程技能。考虑到你的结构上将会受到的所有载荷情况，判断是否你需要进行相应分析。要确定静态或动态情况下的载荷，多体动力学仿真（MBD）是很有帮助的。

然后，从前处理软件HyperMesh中，导出有限元模型（包含节点、单元、材料、属性、载荷和约束）。导出的有限元模型，通常称为求解文件，是一个ASCII文本文件，根据所选择的求解器（例如RADIOSS或者OptiStruct），有对应的语法格式。一个OptiStruct求解文件的一部分如下图所描述：

正如你所看到的，求解文件中的信息，和节点定义相关。每一个节点通过它的节点号和x、y、z坐标确定。每一个单元然后通过它自己的单元号和组成它的节点号确定。这就完成了前处理阶段。

求解

在一个简单的线性静态分析，或者一个自由模态分析过程中，基本上不需要你做太多工作。有限元程序中的默认设置能够很好的处理这类问题。实际的分析将会告诉你，如果这类问题分析过程中因为报错而停止计算，通常是因为你在前处理阶段犯了错误。这里介绍一些常见的错误：

• 单元质量

• 无效的材料属性

• 材料属性没有赋予单元

• 模型约束不足（模型在外部载荷作用下显示出刚体 位移）

可视化（后处理）

求解成功后，接下来就是进行仿真结果的后处理（用HyperView观察云图，HyperGraph进行二维/三维数据处理）。观察应力、应变和变形云图，检查部件在各种载荷条件下如何响应。根据结果，可能需要对部件进行改动，然后重新做一次仿真分析，检查改动如何影响该部件。

这样就算完成了有限元仿真分析。

实际仿真将表明在很多项目中，上述流程必须重新进行，因为仿真结果显示改动后的部件并没有预期的性能。

很明显，重新进行CAD设计（进行改动），然后重新进行整个有限元分析令人厌烦。

一个非常有效（并且令人激动）的技术可以加速这个流程，这个技术叫做Morphing。应用morphing技术，可以让CAE工程师改变有限元模型的几何外形，比如改变半径，改变加强筋的厚度，改变倒角形状，等等。Morphing之后的有限元模型，可以导出（无需网格重划分），CAE工程师可以马上对改动后的部件进行重新分析。

Morphing有限元模型的一个例子如下图所示：

总论

个人进行有限元分析，不仅容易发生很多人为的错误，比如定义材料或者载荷时输入错误。而且选择建模的假设（例如几何简化、选择单元类型和单元尺寸等），必须花费很多精力。虽然有限元求解器可以检查其中的一些主要错误，但是很可能你的分析结果是由有问题的模型得到的。