K zobrazení této stránky v češtině byl použit automatický překlad. Chcete ji raději zobrazit v angličtině?
Byl tento překlad užitečný?
  1. Home

Analýza metodou konečných prvků

Analýza metodou konečných prvků (FEA) je virtuální modelování a simulace výrobků a sestav z hlediska konstrukčních, akustických, elektromagnetických nebo tepelných vlastností. MKP je praktická aplikace metody konečných prvků (MKP).

Co je analýza metodou konečných prvků?

Analýza metodou konečných prvků je modelování produktů a systémů ve virtuálním prostředí za účelem nalezení a řešení potenciálních (nebo stávajících) problémů s výkonem produktu. MKP je praktická aplikace MKP, kterou používají inženýři a vědci k matematickému modelování a numerickému řešení složitých strukturálních, akustických, elektromagnetických, tepelných, fluidních a multifyzikálních problémů. Software FEA lze použít v celé řadě průmyslových odvětví, ale nejčastěji se používá v leteckém, automobilovém, elektronickém, průmyslovém, námořním a spotřebním průmyslu.

Model konečných prvků (FE) se skládá ze systému bodů nazývaných "uzly", které tvoří tvar návrhu. K těmto uzlům jsou připojeny konečné prvky, které tvoří síť konečných prvků a obsahují materiálové a strukturální vlastnosti modelu, které definují, jak bude reagovat na určité podmínky. Hustota sítě konečných prvků se může v celém materiálu měnit v závislosti na předpokládané změně úrovně napětí v konkrétní oblasti. Oblasti, u kterých dochází k velkým změnám napětí, obvykle vyžadují vyšší hustotu sítě než ty, kde dochází k malým nebo žádným změnám napětí. Mezi body zájmu mohou patřit lomová místa dříve testovaného materiálu, zaoblení, rohy, složité detaily a vysoce namáhané oblasti.

Související produkty: Simcenter 3D | Simcenter Nastran | Simcenter Femap | Simcenter MAGNET | Návrh Simcenteru E-machine | Simcenter FLOEFD pro NX

Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.

Odhalte výhody

FEA je dobře zavedená metodika, která se často používá k nahrazení nebo doplnění experimentálních a analytických metod, které pomáhají při inženýrském navrhování a analýze každodenních produktů. Ve srovnání s prototypováním a experimenty nabízejí simulace založené na MKP následující výhody.

Zvýšení výkonu

Analýza metodou konečných prvků umožňuje rychle analyzovat a zkoumat technické možnosti pro zvýšení výkonu produktu.

Úspora času

Analýza metodou konečných prvků vám pomůže uvést optimalizované návrhy produktů na trh rychleji než metoda sestavení a testování.

Snížení nákladů

Využitím analýzy konečných prvků můžete výrazně snížit náklady na vývoj produktu ve srovnání s tradičními procesy testování založenými na fyzických prototypech.

Kroky v procesu simulace MKP

Bez ohledu na použitý software se většina MKP simulací řídí těmito zobecněnými kroky.

3D model rámu automobilu s vizuálem tepelného mapování ze softwaru Simcenter 3D.

Pre-processing

Fáze předběžného zpracování zahrnuje úpravu geometrie a její přípravu pro simulaci. V procesu označovaném jako tvorba sítě nástroj pro předběžné zpracování převádí geometrii návrhu na malé konečné prvky před použitím vlastností materiálu, zatížení, vazeb a parametrů simulace.

CFD simulační software začne iterativně řešit diskretizované rovnice pomocí CFD řešiče.

Solving

Simulační software MKP začne iterativně řešit diskretizované rovnice pomocí řešiče. Tento krok může vyžadovat značný čas nebo výpočetní prostředky. U složitých simulací se stále více podniků obrací ke cloud computingu jako k nákladově efektivnímu řešení tohoto problému.

Lineární analýza vizuálu strojírenské konstrukce ze softwaru Simcenter 3D.

Post-processing

Po dokončení řešení je dalším krokem kvalitativní a kvantitativní analýza a vizualizace výsledků simulace pomocí zpráv, monitorů, grafů, 2D/3D obrázků a animací. Součástí této fáze je také verifikace a validace výsledků.

Typy MKP analýz

1D analýza (nosníkové modely)

1D analýza se týká použití modelů vytvořených výhradně 1-rozměrnými prvky, které se skládají pouze ze dvou uzlů, jako jsou například nosníkové prvky. 1D analýza může být dobrá při pohledu na ranou fázi analýzy struktur, které se obvykle obtížně modelují, jako je karoserie automobilu nebo drak letadla. 1D model nosníku může inženýrům pomoci rychle posoudit dynamiku tělesa dříve, než je celá geometrie připravena pro hlubší analýzu.

2D analýza (skořepinové modely)

Inženýři vytvářejí síť geometrie pomocí 2rozměrných prvků, jako je čtyřúhelníkový prvek nebo trojúhelníkový prvek pro tenkostěnná těla, jako jsou díly vyrobené z plechu. Vlastnosti prvku pak definují tloušťku prvku skořepiny, kterou řešič použije pro výpočet napětí, přetvoření a dalších výsledků. Preprocesory MKP mají algoritmy rychlého vytváření sítě, které pomáhají inženýrům vytvořit síť skořepiny na geometrii.

3D analýza (objemové modely)

Pro objemovou, robustní geometrii, jako je blok motoru, používají inženýři objemové trojrozměrné prvky k reprezentaci geometrie. Tetra, pyramidové a šestihranné prvky jsou vytvářeny v celém objemovém těle. Preprocesory MKP mají nástroje, které inženýři potřebují k vytvoření objemových síťových modelů.

Multifyzikální MKP

Moderní MKP je více než jen simulace jedné fyzikální domény jednotlivě. Dnes se MKP stala mnohem multidisciplinárnější tím, že umožňuje inženýrům propojit různé fyzikální fyziky dohromady, jako je interakce tekutiny se strukturou (FSI), tepelně-mechanická simulace, dynamika více těles se strukturálními pružnými tělesy na bázi konečných prvků, elektromechanicko-tepelná a další. Multifyzikální simulace má zásadní význam u stále složitějších produktů, které vyžadují holistické mezioborové inženýrství k dosažení maximálního výkonu.

Vyzkoušejte MKP software zdarma

Vizualizace softwaru Simcenter 3D představující simulační model návrhu traktoru.

Simcenter 3D trial

  • Rychle transformujte geometrii CAD na použitelnou geometrii pro simulaci.
  • Efektivně vytvářejte sítě a řešte své modely pro strukturální analýzu, abyste získali přehled o výkonnosti návrhu
  • Rychle aktualizuje simulační model pomocí softwaru Simcenter 3D a navrhuje změny, takže můžete znovu simulovat během několika sekund

Nejčastější dotazy

Je analýza metodou konečných prvků přesná?

Analýza konečných prvků (FEA) se úspěšně používá pro vývoj výrobků po celá desetiletí. Spolu s tím byly neustále vyvíjeny přístupy k vysoce věrnému modelování a pragmatičtější přístupy, které umožňují rychleji získat dostatečně přesné výsledky.

Inženýři si dnes mohou a musí zvolit úroveň přesnosti, která nejlépe vyhovuje jejich potřebám, aby mohli odpovídat na technické otázky s minimálním výpočetním úsilím. Úroveň přesnosti se pohybuje od vysoce věrných modelovacích technik, které umožňují předpovídat skutečné chování v rámci několika procent nebo dokonce méně, až po rychlé metody, které umožňují rychlé předpovědi trendů.

V současné době jsou certifikační a verifikační procesy pro simulační nástroje MKP dobře zavedené. Budou i nadále rozhodující složkou pokroku FEA, její spolehlivosti a důvěry v digitální dvojčata a jejího zavádění v nových oblastech. Prediktivní simulace sice bude neustále snižovat potřebu nákladných měření a prototypování, ale bude i nadále vyžadovat přísné metody konečných prvků a validaci osvědčených postupů prostřednictvím experimentů. 

Je těžké naučit se FEA?

Učení FEA vyžaduje čas, odhodlání, důkladné studium a praxi. Je důležité porozumět základní fyzice vaší domény, pochopit numerické metody a jejich omezení a procvičit si praktické použití skutečného softwarového nástroje FEA. Díky automatizaci, zvyšujícímu se výpočetnímu výkonu a neustálému zlepšování uživatelských rozhraní v moderním softwaru MKP se budou překážky pro vysoce věrné FEA dále snižovat na všech uživatelských úrovních – a přesune se rozsah zkoumání výsledků a rozhodování na základě simulace. Je také důležité porozumět základní fyzikální dynamice, která probíhá, aby bylo možné posoudit výsledky a učinit smysluplná inženýrská rozhodnutí na základě výsledků MKP.

Jaké jsou aplikace pro MKP?

Software FEA se používá v široké škále inženýrských aplikací všude tam, kde je potřeba pochopit nebo předpovědět mechanickou fyziku a její vliv na konstrukci produktu nebo systému. V průmyslovém designu výrobků pokročila analýza konečných prvků k simulaci multifyzikálního chování ve složitých geometriích, což společnostem umožňuje plně pochopit a optimalizovat návrh produktu virtuálně ještě před vytvořením prototypu.

Mezi odvětví, kde je široce používána analýza konečných prvků, patří:

  • Letectví
  • Automobilový průmysl
  • Spotřební zboží
  • Námořní doprava (konstrukce lodí, pohonných systémů a konstrukce motorů)
  • Elektronika
  • Energetika (jaderná energetika, ropa a plyn a výroba elektřiny)
  • Technická zařízení budov
  • Vědy
  • Lopatkové stroje
  • Sportovní
  • Další obecné aplikace zahrnující konstrukce, vibrace, elektromagnetické pole, proudění zvuku, tepla a tekutin

Co je analýza MKP?

Metoda konečných prvků znamená totéž co analýza konečných prvků. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že MKP odkazuje konkrétněji na matematickou metodu. Mnoho lidí však používá pojmy FEM a FEA zaměnitelně.

Někdy inženýři používají MKP také k označení modelu konečných prvků, což primárně znamená síťový (1D, 2D nebo 3D) model, který může také zahrnovat zatížení a vazby.

Další informace

Zhlédnout

Webinář na vyžádání | Opětovné použití starších dat konečných prvků k vytváření modelů na úrovni systému

Webinář na vyžádání | Zefektivnění návrhu lodí pomocí simulace a správy dat

Poslechnout si více

Podcast | Pokrok v konstrukci a simulaci elektromotorů s Adrianem Perregauxem

Podcast | Spustitelná digitální dvojčata: Chytré hodinky pro stroje

Přečíst

Blogy | Seznamte se se všemi blogy Simcenter FEA

Mechanická simulace | Předvídání mechanického výkonu napříč různými obory pomocí CAE