《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》——第1章 CAE分析步骤1.1 模型简化-阿里云开发者社区

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《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》——第1章 CAE分析步骤1.1 模型简化

简介:

本节书摘来自异步社区《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》一书中的第1章,第1.1节,作者: 周炬 , 苏金英 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

第1章 CAE分析步骤

在现代工程领域,计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)可以在设计阶段对结构进行校核、优化,使工程师在产品未生产之前就对设计的经济性、可靠性、安全性进行评估。在这样的背景下,CAE开始在结构设计中发挥出极其重要的作用。在各种CAE方法中,有限元法(finite element method,FEM)在工程领域应用最广,也是技术相对比较成熟的一种方法。作为一个合格的有限元分析(finite element analysis,FEA)工程师,至少应该具备以下3个方面的要求:

(1)坚实的理论基础,主要包括力学理论(对于结构有限元分析工程师)和有限元理论;

(2)软件运用经验,能熟练应用常用的有限元软件;

(3)工程实践经验,对于各种工程问题能够准确地判断并确定分析方案。

在这3个方面中,最简单的就是软件运用,很多初学者通过对一些参考书的模仿及学习,熟悉了几个例题之后,就信心满满,以为自己可以做一个分析工程师了,这是极端错误的。参考书的例题与实际工程分析有质的区别:例题是简化的模型,分析类型和边界条件已知,初学者只是简单的遵照参考书的过程重复计算。这个操作过程,中学生都可以完成。在做工程分析的时候,情况完全不同,模型的简化、分析类型和边界条件全部未知,在计算完成后,还需要对结果进行分析和评价。

下面简要介绍CAE的分析流程。首先,针对实际工程的问题进行判断,依据工况确定问题类型,判定是否需要有限元分析(很多问题用基本力学计算或者查手册就能更快更准确地得到答案);其次,对有限元分析项目进行规划并计算,包括模型简化及计算规模、分析类型和边界条件的确定;最后,根据有限元分析结果,提出相应结论和建议,包括分析项目的可靠性、安全性判定,优化的可能,危险的处理等。由上可知,有限元分析工程师仅靠熟悉软件是远远不够的,其工作是对专业知识及实践经验的综合性体现。

小知识

很多项目需要判定是否需要有限元分析。例如,对于一些机械类单一零件产品的分析,如果外载仅为一个重力工况,就不需要进行有限元分析。原因是:这个零件经过生产制造后能够成形,就已经经受了重力的测试。实践是检验真理的唯一标准,实践就已经证明其性能可靠,所以不需要再进行有限元分析。

又如,6个相同螺栓连接的一对法兰,其中有一个螺栓出现断裂,该螺栓也不需要进行有限元校核。原因是:设计故障必将批量反映问题,如果该螺栓强度或刚度不足,势必表现出多个或全部螺栓失效;而且,当一个螺栓出现失效时,其余螺栓在偏载和突变情况下仍然不出现失效,正好证明其螺栓是足够安全可靠的。因此,对该螺栓从材料入手,进行金相分析较为合适。
就任一个CAE分析而言,必须满足下列四要素。

(1)清晰的物理概念。工程问题按数学一般分为稳定场(椭圆)方程(用于描述静平衡、稳态热等)、扩散(抛物线)方程(用于描述动力学、瞬态热等)、波动(双曲线)方程(用于描述应力波等波动现象)。

(2)明确的系统属性。已知上面的3种控制方程,还要有初始条件或/和边界条件,才可以得到方程的解析解。则系统中需要具备基本的自身参数,如弹性模量、泊松比、长度、截面积等,还要具备系统的外界参数,如力、力矩等。

(3)各种工程问题的数学表征。实际工程问题往往存在于大量的数据中,需要抽取或换算得到数学表征参数。例如,一对齿轮副进行静平衡(静力学)计算,除了知道其模型尺寸、材料的弹性模量、泊松比、齿轮间的摩擦系数以外,还需要通过计算求出其载荷(力和力矩),以保证各个齿轮加载后整个系统的力平衡和力矩平衡;如果进行瞬态计算,则需要知道齿轮的密度,载荷以转速度形式加载。

(4)计算机实现的可行性和高效性。任何有限元分析都基于一定的假设,例如,连续性是实现有限元计算的必要条件,各向同性、对称性则是实现有限元高效计算的简化手段。

此外,有限元法是实际工程设计的一种数学辅助方法,为实际工程而服务,主要解决的是难以被实验验证的工程问题,切忌为数学分析而分析。

就有限元软件运用而言,特别是操作简单、容易上手、方便处理复杂工程模型的ANSYS Workbench,很多初学者在学习过程中也往往依葫芦画瓢,不了解软件输入的每一个参数的来龙去脉。这样致使初学者离开参考书的实例后就茫然无措,分析实际工程问题时更是无从下手。因此,在使用ANSYS Workbench进行有限元分析时需特别注意以下几点:

(1)模型简化;

(2)边界正确;

(3)参数合理;

(4)网格适用。

1.1 模型简化

在决定需要进行有限元分析后,对分析的模型及其工况在理论和本质上均要有清晰的认识,对自己使用的软件的能力也要心中有数,避免不合理和不切实际的分析。运用理论和经验上的判断,决定计算的模型、规模和类型。由于ANSYS Workbench有极佳的计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件接口,初学者常常在CAD软件中建模,然后将模型导入ANSYS Workbench进行有限元分析。殊不知这样处理也是极大的错误。

有限元模型必须与分析目的、计算机性能匹配,并不是模型越精确计算精度越高。越精确就意味着模型越复杂,进而要求软件进行更加复杂的矩阵化简求解。这样一来,模型的误差虽然小了,计算误差反而增大,导致最终得不到合适的结果。在建立有限元模型时,尽量采用尽可能简单的模型,无需保留实物模型的所有细节特征,常用作法是:去掉非关键位置的小孔和槽,用圆孔代替螺纹孔,用直角代替圆角及倒角。

如果保留实物模型的诸多细微几何特征,会导致分析结果的应力集中,甚至出现应力奇异状态。以图1-1-1撬杠分析为例:实物模型有刻花、腰形槽等几何特征,如果在有限元模型中包含这些特征,就必须对这些区域划分极细小的网格,分析结果就会在这些区域显示出应力集中,进而忽视了过渡面的应力状态,使分析结果完全偏离了分析目的。


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对于实体为桁架的模型,整体分析不考虑剪力的影响时可以将实体模型简化为梁模型,这样总体计算量较小,精度也较高;如果单向剪力较大,则可将实体模型抽壳为壳模型计算;只有需关注桁架局部的详细受力,且双向剪力较大时,才使用实体模型。

因此,CAE工程师必须根据理论和经验判断模型几何细节的相关性,进而确定模型的简化方式。但是,有时一些模型几何细节开始时显得不重要,简化分析后在这些细节处应力较大,则可以在有限元模型中恢复几何细节或采用子模型分析。

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