有限元分析是什么？有哪些優(yōu)勢？
有限元是什么？有限元分析具體是做什么的啊？能做哪些分析......真的是隔行如隔山，對于外行人來說，第一次聽到這個(gè)會一臉懵。不過，今天我就為大家來簡單介紹一下，有限元分析并沒有那么高深莫測，其背后還有這么大的用處。
也許在你看完之后，你還能想到原來你的企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中也可以應(yīng)用有限元分析，給你省下不少事。
什么是有限元分析
有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。
有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
是不是感覺文字都認(rèn)識，但連在一起就有點(diǎn)不明白，沒關(guān)系，咱們通過例子來給你具體說說。
有限元分析有什么優(yōu)勢
目前為大型組件和結(jié)構(gòu)構(gòu)建和測試原型都是很昂貴，想象一下，在一個(gè)20米長、50噸重的高架移動式起重機(jī)上，一個(gè)試驗(yàn)臺證明地震運(yùn)動的可靠性要花多少錢？要重復(fù)多少次試驗(yàn)？
這只是其中一個(gè)很小的縮影，在不同的行業(yè)，產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中都會要做各種各樣的驗(yàn)證試驗(yàn)。而有了有限元分析后，可以給企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中提供快速、低成本地探索各種原型選項(xiàng)和設(shè)計(jì)的能力。這使得有限元分析成為提高產(chǎn)品性能、降低成本和縮短項(xiàng)目交付周期的重要工具。
如果你想構(gòu)建并測試一個(gè)產(chǎn)品原型，你試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該原型在60%負(fù)載時(shí)會突然斷裂。然后，你將重新調(diào)整參數(shù)或材料構(gòu)建新的產(chǎn)品原型，在原來斷裂部分進(jìn)行加厚，并重新測試。你可能會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品原型在75%的負(fù)載時(shí)另一個(gè)地方又出現(xiàn)問題。就這樣不斷重復(fù)設(shè)計(jì)和測試，直到達(dá)到100%負(fù)載，產(chǎn)品原型沒有任何故障或損壞。
這個(gè)時(shí)候，利用有限元分析，就能夠體現(xiàn)出其優(yōu)勢來了。你在制作原型之前，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的任何部分找到應(yīng)力，這樣就可以利用CAE仿真預(yù)測哪些區(qū)域可能首先失效，以及哪些第二和第三區(qū)域可能在較高負(fù)載下失效。通過應(yīng)用有限元分析，就可以在仿真模型而不是物理原型上，有效地執(zhí)行設(shè)計(jì)迭代。
還有就是你可以沿著構(gòu)建和測試路線看到你看不到的東西。例如，如果你讓灰口鑄鐵件過載，在它突然開裂或斷裂之前，變形可能是不明顯的?，F(xiàn)在，如果你想讓它在某個(gè)方向變得更硬，那么很難在試驗(yàn)臺架上測量如此小的撓度。通過有限元分析，撓度很容易看到，這有助于你理解載荷路徑，并以最有效的方式加固結(jié)構(gòu)。
有限元分析優(yōu)勢不只是以上兩點(diǎn)，還能增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；增加產(chǎn)品和工程的可靠性；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本等。
有限元分析在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用，已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、新能源、電子電器、國防軍工、船舶、石化和科學(xué)研究等。
有限元分析步驟
第一步：前處理
第二步：總裝求解
第三步：后處理
有限元分析能做哪些分析？
1、靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)分析：各類工程結(jié)構(gòu)、零件及裝配件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等。
2、振動/模態(tài)分析：結(jié)構(gòu)固有頻率的提取、瞬態(tài)響應(yīng)分析、DDAM、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、復(fù)特征值分析等。
3、高度非線性分析：幾何、材料、邊界非線性分析、采用靈活高效的自動增量步長確保計(jì)算收斂，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)解決大變形問題。
4、接觸分析：大規(guī)模接觸問題的精確求解，面面接觸、自動接觸。
5、柔性多體動力學(xué)分析：對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況進(jìn)行分析，并和有限元功能結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)和機(jī)械的耦合分析，并可以考慮機(jī)構(gòu)運(yùn)動中的接觸和摩擦。
6、爆炸和沖擊分析：爆炸、空爆、高速沖擊。
7、跌落和碰撞分析：系統(tǒng)級分析、考慮裝配預(yù)應(yīng)力。
8、復(fù)合材料失效和斷裂分析：虛擬裂紋閉合技術(shù)、裂紋擴(kuò)張模擬、漸進(jìn)式材料失效。
9、顯式-隱式聯(lián)合分析：成型回彈分析、焊接裂紋評估、帶預(yù)應(yīng)力的碰撞、充氣輪胎的沖擊分析。
10、成型過程分析：沖壓、冷軋、熱軋、鍛造、彎管等過程分析，包括各種鈑金件的加工過程模擬 ；焊點(diǎn)、墊片、螺栓連接分析；螺栓預(yù)緊力、法蘭密封和連接、發(fā)動機(jī)密封件分析。
11、橡膠和輪胎分析：屈曲和失穩(wěn)分析、循環(huán)載荷分析、疲勞和耐久性分析等。
相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元分析也會越來越強(qiáng)，應(yīng)用的也會更加廣泛。如果你對于有限元分析還有問題或者需要了解更多，可和我們元王進(jìn)行交流。
