Ta strona jest wyświetlana w języku polskim przy użyciu automatycznego translatora. Czy chcesz wyświetlić ją w języku angielskim?
Czy tłumaczenie było pomocne?
  1. Home
  2. Technology
  3. Analiza metodą elementów skończonych

Analiza metodą elementów skończonych

Analiza metodą elementów skończonych (MES) to wirtualne modelowanie i symulacja produktów i zespołów pod kątem wydajności konstrukcyjnej, akustycznej, elektromagnetycznej lub termicznej. MES to praktyczne zastosowanie metody elementów skończonych (MES).

Co to jest analiza elementów skończonych?

Analiza metodą elementów skończonych to modelowanie produktów i systemów w środowisku wirtualnym w celu znalezienia i rozwiązania potencjalnych (lub istniejących) problemów z wydajnością produktu. MES to praktyczne zastosowanie MES, które jest wykorzystywane przez inżynierów i naukowców do matematycznego modelowania i numerycznego rozwiązywania złożonych problemów strukturalnych, akustycznych, elektromagnetycznych, termicznych, płynów i multifizycznych. Oprogramowanie MES może być wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu, ale najczęściej jest używane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, elektronicznym, maszynach przemysłowych, przemyśle morskim i produktach konsumenckich.

Model elementów skończonych (ES) składa się z układu punktów zwanych "węzłami", które tworzą kształt projektu. Z tymi węzłami połączone są elementy skończone, które tworzą siatkę elementów skończonych i zawierają właściwości materiałowe i konstrukcyjne modelu, określając, w jaki sposób będzie on reagował na określone warunki. Gęstość siatki elementów skończonych może być różna w całym materiale, w zależności od przewidywanej zmiany poziomów naprężeń w danym obszarze. Obszary, w których występują duże zmiany naprężeń, zwykle wymagają większej gęstości siatki niż te, w których zmienność naprężeń jest niewielka lub nie ma jej wcale. Interesujące punkty mogą obejmować punkty pęknięć wcześniej badanego materiału, zaokrąglenia, narożniki, złożone detale i obszary o wysokim naprężeniu.

Powiązane produkty: Simcenter 3D | Simcenter Nastran | Simcenter Femap | Simcenter MAGNET | Konstrukcja maszyny Simcenter E | Simcenter FLOEFD dla NX

Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.
Przeczytaj magazyn Engineer Innovation

Odkryj korzyści

MES to dobrze ugruntowana metodologia, często stosowana w celu zastąpienia lub uzupełnienia metod eksperymentalnych i analitycznych w celu wspomagania projektowania inżynieryjnego i analizy produktów codziennego użytku. W porównaniu z prototypowaniem i eksperymentami, symulacje oparte na MES oferują następujące korzyści.

Zwiększ wydajność

Analiza metodą elementów skończonych umożliwia szybką analizę i badanie możliwości inżynieryjnych w celu zwiększenia wydajności produktu.

Skrócenie czasu

Analiza metodą elementów skończonych pomaga wprowadzić na rynek zoptymalizowane projekty produktów szybciej niż metoda "zbuduj i przetestuj".

Redukcja kosztów

Wykorzystując analizę elementów skończonych, można znacznie obniżyć koszty rozwoju produktu w porównaniu z tradycyjnymi procesami testowania opartymi na fizycznych prototypach.

Etapy procesu symulacji MES

Bez względu na użyte oprogramowanie, większość symulacji MES przebiega zgodnie z tymi uogólnionymi krokami.

Model 3D ramy samochodu z wizualizacją mapowania cieplnego z oprogramowania Simcenter 3D.

Pre-processing

Etap wstępnej obróbki polega na edycji geometrii i przygotowaniu jej do symulacji. W procesie zwanym siatką, narzędzie do przetwarzania wstępnego przekształca geometrię projektu w małe elementy skończone przed zastosowaniem właściwości materiału, obciążeń, wiązań i parametrów symulacji.

Pre-/postprocessing MES

Oprogramowanie do symulacji CFD rozpoczyna iteracyjne rozwiązywanie dyskretnych równań za pomocą solvera CFD.

Solving

Oprogramowanie do symulacji MES rozpoczyna iteracyjne rozwiązywanie dyskretnych równań za pomocą solvera. Ten krok może wymagać znacznych nakładów czasowych lub obliczeniowych. W przypadku złożonych symulacji coraz więcej przedsiębiorstw zwraca się ku przetwarzaniu w chmurze jako opłacalnemu rozwiązaniu tego problemu.

Symulacja mechaniki

Liniowa analiza wizualizacji konstrukcji mechanicznej z oprogramowania Simcenter 3D.

Post-processing

Po zakończeniu rozwiązywania kolejnym krokiem jest analiza i wizualizacja wyników symulacji jakościowo i ilościowo za pomocą raportów, monitorów, wykresów, obrazów 2D/3D i animacji. Na tym etapie uwzględniono również weryfikację i walidację wyników.

Pre-/postprocessing MES

Rodzaje analizy MES

Analiza 1D (modele belek)

Analiza 1D odnosi się do stosowania modeli utworzonych wyłącznie przez elementy jednowymiarowe składające się tylko z dwóch węzłów, takich jak elementy belkowe. Analiza 1D może być przydatna w analizie wczesnych etapów struktur, które są zwykle skomplikowane do modelowania, takich jak karoseria samochodu lub płatowiec. Model belki 1D może pomóc inżynierom w szybkiej ocenie dynamiki ciała, zanim pełna geometria będzie gotowa do głębszej analizy.

Analiza 2D (modele powłokowe)

Inżynierowie tworzą siatkę geometrii za pomocą elementów dwuwymiarowych, takich jak element czworokątny lub trójkątny w przypadku obiektów cienkościennych, takich jak części wykonane z blachy. Właściwości elementu definiują następnie grubość elementu powłoki, która zostanie użyta przez solver do obliczenia naprężeń, odkształceń i innych wyników. Preprocesory MES mają algorytmy szybkiego tworzenia siatki, które pomagają inżynierom tworzyć siatkę skorupy na geometrii.

Analiza 3D (modele bryłowe)

W przypadku solidnej, masywnej geometrii, takiej jak blok silnika, inżynierowie używają solidnych elementów 3-wymiarowych do reprezentowania geometrii. Elementy tetra, ostrosłupowe i sześciokątne są tworzone w całym korpusie bryłowym. Preprocesory MES są wyposażone w narzędzia potrzebne inżynierom do tworzenia modeli siatki bryłowej.

Wielofizyka MES

Nowoczesne MES to coś więcej niż tylko symulacja pojedynczej dziedziny fizyki. Obecnie MES stał się znacznie bardziej multidyscyplinarny, umożliwiając inżynierom łączenie ze sobą różnych dziedzin fizyki, takich jak interakcja płyn-struktura (FSI), symulacja termiczno-mechaniczna, dynamika wieloobiektowa z elastycznymi ciałami strukturalnymi opartymi na ES, elektromechaniczno-termiczna i inne. Symulacja wielofizyczna ma fundamentalne znaczenie w coraz bardziej złożonych produktach wymagających holistycznej inżynierii międzydomenowej w celu osiągnięcia maksymalnej wydajności.

Poznaj produkty związane z MES

Wizualizacja modelu 3D utworzonego za pomocą oprogramowania Simcenter 3D.
Simcenter

Simcenter 3D software

Rozwiązuj złożone problemy inżynieryjne, zwiększając efektywność symulacji. Simcenter 3D to jedno z najbardziej kompleksowych, a przy tym w pełni zintegrowanych rozwiązań CAE do obsługi multidyscyplinarnej inżynierii osiągów produktu.
Symulacja wykonana przy użyciu oprogramowania Simcenter Femap.
Simcenter

Simcenter Femap software

Twórz, edytuj i oceniaj modele złożonych produktów lub systemów oparte na metodzie elementów skończonych. Simcenter Femap to zaawansowany pre- i postprocesor CAE do modelowania komponentów, złożeń lub systemów.
Symulacja CFD komponentu pojazdu przeprowadzona z zastosowaniem oprogramowania Simcenter Nastran.
Simcenter

Simcenter Nastran software

Przeprowadzaj dokładne symulacje produktów pod kątem wytrzymałości strukturalnej, wibracji i akustyki. Simcenter Nastran to solwer oparty na metodzie elementów skończonych (MES) zapewniający wydajność obliczeniową, dokładność, niezawodność i skalowalność.

Wypróbuj oprogramowanie MES za darmo

Wizualizacje oprogramowania Simcenter 3D przedstawiające model symulacyjny konstrukcji ciągnika.

Simcenter 3D trial

  • Szybko przekształcaj geometrię CAD w geometrię użyteczną do symulacji.
  • Efektywnie twórz siatki i rozwiązuj modele do analizy statyczno-wytrzymałościowej, aby uzyskać wgląd w wydajność projektu
  • Szybka aktualizacja modelu symulacyjnego za pomocą oprogramowania Simcenter 3D w celu zaprojektowania zmian, dzięki czemu można ponownie przeprowadzić symulację w ciągu kilku sekund

Często zadawane pytania

Czy analiza elementów skończonych jest dokładna?

Analiza metodą elementów skończonych (MES) jest z powodzeniem stosowana w inżynierii produktu od dziesięcioleci. Równolegle stale rozwijano podejścia do modelowania o wysokiej wierności i bardziej pragmatyczne, które pozwalają szybciej uzyskać wystarczająco dokładne wyniki.

Obecnie inżynierowie mogą i muszą wybrać poziom dokładności, który najlepiej odpowiada ich potrzebom, aby odpowiedzieć na pytania inżynierskie przy minimalnym wysiłku obliczeniowym. Poziom dokładności waha się od technik modelowania o wysokiej wierności, które umożliwiają przewidywanie rzeczywistych zachowań z dokładnością do kilku procent lub nawet mniej, do szybkich metod, które umożliwiają szybkie przewidywanie trendów.

Obecnie procesy certyfikacji i weryfikacji narzędzi do symulacji MES są dobrze ugruntowane. Pozostaną one kluczowym składnikiem postępu MES, jego niezawodności i zaufania do cyfrowych bliźniaków oraz jego tworzenia w nowych obszarach. Podczas gdy symulacja predykcyjna będzie stale zmniejszać zapotrzebowanie na kosztowne pomiary i prototypowanie, nadal będzie wymagała rygorystycznych metod FES i walidacji najlepszych praktyk poprzez eksperymenty. 

Czy trudno jest nauczyć się MES?

Nauka MES wymaga czasu, poświęcenia, gruntownej nauki i praktyki. Bardzo ważne jest, aby zrozumieć podstawową fizykę swojej dziedziny, zrozumieć metody numeryczne i ich ograniczenia oraz przećwiczyć praktyczne użycie rzeczywistego narzędzia programowego MES. Dzięki automatyzacji, rosnącej mocy obliczeniowej i ciągłemu doskonaleniu interfejsów użytkownika w nowoczesnym oprogramowaniu MES, bariery dla MES o wysokiej wierności będą się jeszcze bardziej zmniejszać na wszystkich poziomach użytkownika, przesuwając zakres na badanie wyników i podejmowanie decyzji opartych na symulacji. Kluczowe znaczenie ma również zrozumienie fundamentalnej dynamiki fizycznej, która ma miejsce, aby ocenić wyniki i podjąć znaczące decyzje inżynierskie w oparciu o wyniki MES.

Jakie są zastosowania MES?

Oprogramowanie MES jest wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań inżynierskich, gdy istnieje potrzeba zrozumienia lub przewidywania fizyki mechanicznej i jej wpływu na projekt produktu lub systemu. W projektowaniu produktów przemysłowych analiza elementów skończonych rozwinęła się w kierunku symulacji zachowania wielofizycznego w złożonych geometriach, umożliwiając firmom pełne zrozumienie i wirtualną optymalizację projektu produktu przed zbudowaniem prototypu.

Branże, w których analiza elementów skończonych jest szeroko stosowana, obejmują:

  • Branża lotnicza
  • Przemysł motoryzacyjny
  • Produkty konsumenckie
  • Przemysł morski (projektowanie statków, układy napędowe i silniki)
  • i elektronika
  • Energetyka (energia jądrowa, ropa naftowa i gaz oraz wytwarzanie energii)
  • Usługi budowlane
  • Nauki przyrodnicze
  • Maszyny wirnikowe
  • Komentator
  • Inne ogólne zastosowania związane z konstrukcjami, drganiami, elektromagnetyzmem, dźwiękiem, ciepłem i przepływem płynów

Co to jest analiza MES?

Metoda elementów skończonych oznacza to samo, co analiza elementów skończonych. Główna różnica polega na tym, że MES odnosi się bardziej konkretnie do metody matematycznej. Jednak wiele osób używa zamiennie terminów MES i MES.

Czasami inżynierowie używają MES w odniesieniu do modelu elementów skończonych, co oznacza przede wszystkim model siatkowy (1D, 2D lub 3D), który może również zawierać obciążenia i wiązania.

Dowiedz się więcej

Obejrzyj

Webinarium na żądanie | Ponowne wykorzystanie starszych danych elementów skończonych do tworzenia modeli na poziomie systemu

Webinarium na żądanie | Usprawnienie projektowania statków dzięki symulacji i zarządzaniu danymi

Posłuchaj

Podcast | Rozwój projektowania i symulacji silników elektrycznych z Adrianem Perregaux

Podcast | Wykonywalne cyfrowe reprezentacje bliźniacze: Smartwatch do maszyn

Przeczytaj

Blogi | Odkryj wszystkie blogi Simcenter MES

Symulacja mechaniczna | Przewidywanie wydajności mechanicznej w wielu branżach za pomocą CAE