搜索《有限元仿真实践原理》进行有限元分析前的准备
2017-02-23 by:CAE仿真在线 来源:互联网
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。
本章节选自《有限元仿真实践原理》
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