FEA / 有限元分析

有限元分析 (FEA) 是虚拟环境中产品和系统的建模,用于查找和解决可能的(或现有)结构或性能问题。 FEA 是有限元方法 (FEM) 的实际应用,它由工程师和科学家用于对非常复杂的结构、流体和多物理场问题进行数学建模和数值求解。 FEA 软件可在各种行业中使用,但最常用于航空、生物力学和汽车行业。

有限元 (FE) 模型包含点系统,称之为“节点”,它们形成了设计的轮廓。 连接到这些节点的是有限元本身,它们形成了有限元网格且包含模型的材料和结构属性,从而决定模型如何对某些条件作出反应。 有限元网格的密度可能在整个材料中都不同,具体取决于特定区域应力水平的预期变化。 与应力变化较小或没有应力变化的区域相比,应力发生较大变化的区域通常需要更高的网格密度。 特征点可能包括之前已测试的材料的断裂点、圆角、拐角、复杂细节和高应力区域。

可以使用一维(1D 梁)、二维(2D 壳)或三维(3D 体)单元创建有限元模型。 通过使用梁和壳而非体单元,可以使用更少的节点来创建代表性模型,而不影响准确性。 每个建模方案需要定义各种不同的属性,例如:

  • 截面积
  • 惯性矩
  • 扭转常数
  • 板厚度
  • 抗弯刚度
  • 横向剪切

要在 FEA 中模拟真实工作环境的效果,可以将各种载荷类型应用于有限元模型,包括:

  • 节点:力、力矩、位移、速度、加速度、温度和热通量
  • 单元:分布载荷、压力、温度和热通量
  • 加速度体载荷(重力)

分析的类型包括:

  • 线性静态:作用载荷和约束为静态的线性分析
  • 非线性静态和动态:由于接触(模型的某个部分与另一个部分接触)、非线性材料定义(塑性、弹性等)和较大位移(超过限制线性分析方法的最小位移理论的应变)产生的效应
  • 正则模态:振动的固有频率
  • 动态响应:随时间和频率变化的载荷或运动
  • 屈曲:结构变得不稳定的临界载荷
  • 热传递:传导、辐射和相变

求解器计算出的典型结果包括:

  • 节点位移、节点速度和节点加速度
  • 单元力、单元应变和单元应力

FEA 的优点

FEA 可以在新的产品设计中使用,或用于优化现有产品,以确保在制造之前能够按照规范执行设计。 使用 FEA 可以:

  • 预测并提高产品性能和可靠性
  • 减少物理原型设计和测试
  • 评估不同的设计和材料
  • 优化设计并减少材料消耗

FEA 软件

下面举例说明了 FEA 软件应用:

Simcenter 3D is a unified, scalable, open and extensible environment for FEA with connections to design, 1D simulation, test and data management. Simcenter speeds the FEA process by combining best-in-class geometry editing, associative simulation modeling and multi-discipline solutions embedded with industry expertise. Simcenter 3D integrates fast and accurate solvers that power structural, acoustics, flow, thermal, motion and composites analyses, as well as optimization and multiphysics simulation.

NX Nastran 是一个有限元解算程序,用于应力、振动、结构损坏/耐久性、热传递、噪音/声学以及颤动/气动弹性学分析。

LMS Samtech包含Samcef有限元分析求解器,用于对机械系统进行结构性能仿真。 LMS Samech针对特定应用领域做了专业开发,如风力发电机整机动力学仿真、转子动力学、非线性结构与热分析和复合材料结构分析等,以满足不同领域的精确仿真需求。 Samcef求解器可以实现非线性有限元与多体动力学的耦合分析。 LMS Samtech还有一个开放的CAE工程集成平台,用于实现航空航天产品结构分析的流程管理。LMS Samtech

STAR-CCM+ 是一套独立仿真解决方案,用于仿真计算流体动力学 (CFD)、计算固体力学 (CSM)、热传递、颗粒动力学、反应流体、电化学、电磁学、声学和流变学。 STAR-CCM+ 通过单一集成式用户界面和自动化工作流程提供准确高效的仿真技术。 这样便于分析和探究复杂现实问题。

HEEDS 提供高效且易于使用的设计探索框架。 通过与您的当前设计和仿真工具集成,可轻松实现工作流程自动化。 HEEDS 自动探索设计空间来快速找出符合您的目标和约束的解决方案,例如降低产品成本,同时保持应力低于可接受限值。

Femap 是一款独立于 CAD、解算器中性且基于 Windows 的前处理器和后处理器 ,用于高级工程 FEA。 它为工程师和分析人员提供了一个 FEA 建模解决方案,以便以合理的成本轻松、准确地完成最复杂的任务。

Solid Edge Solid Edge 仿真是一个嵌入式FEA工具,供设计工程师在Solid Edge环境中以数字化方式验证零件和装配设计。Solid Edge仿真基于经过证明的Femap有限元建模技术,大幅减少了对物理原型的需要,从而减少了物料和测试成本,同时节约了设计时间。

有限元分析软件开发人员把下列软件组件用作应用软件的基础:

Parasolid 是三维几何建模组件软件,使Parasolid产品用户能够对复杂零件和装配进行建模,并且是数百种不同CAD、CAM和CAE应用软件的几何引擎。

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