有限元分析是什么

在三維設(shè)計(jì)時(shí)，為了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，以便得到最佳的設(shè)計(jì)方案，就需要進(jìn)行有限元分析，那么什么是有限元分析呢？

有限元分析是工程師用來(lái)解決工程問(wèn)題的工具之一，是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)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(wèn)題的解。因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)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(wèn)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。

有限元分析提供了快速、廉價(jià)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，如果您構(gòu)建并測(cè)試一個(gè)原型，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)該原型在50%負(fù)載時(shí)突然斷裂。然后，您將構(gòu)建另一個(gè)原型，使失敗的部分更厚，并重新測(cè)試。然后，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您的原型在不同的地方在75%的負(fù)載下出現(xiàn)故障。重復(fù)設(shè)計(jì)和測(cè)試循環(huán)，直到達(dá)到100%負(fù)載，沒(méi)有任何故障或損壞。



有限元分析的優(yōu)勢(shì)是什么

有限元分析的優(yōu)點(diǎn)之一是，在制作原型之前，您可以在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型的任何部分找到應(yīng)力，因此，您可以預(yù)測(cè)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(guò)正確應(yīng)用有限元分析，您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。



有限元分析的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，你可以沿著構(gòu)建和測(cè)試路線看到你看不到的東西。例如，如果你讓灰鑄鐵鑄件過(guò)載，在它突然開(kāi)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(tái)架上測(cè)量如此小的撓度。通過(guò)有限元分析，撓度很容易看到，這有助于您理解載荷路徑，并以最有效的方式加固結(jié)構(gòu)。

有限元分析的基本步驟

有限元分析的基本步驟通常為：

第一步 預(yù)處理。根據(jù)實(shí)際問(wèn)題定義求解模型，包括以下幾個(gè)方面：

1.定義問(wèn)題的幾何區(qū)域：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域；

2.定義單元類(lèi)型；

3.定義單元的材料屬性；

4.定義單元的幾何屬性，如長(zhǎng)度、面積等；

5.定義單元的連通性；

6.定義單元的基函數(shù)；

7.定義邊界條件；

8.定義載荷。

第二步 求解計(jì)算：將單元總裝成整個(gè)離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組）?？傃b是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行。狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（如果可能）連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。

第三步 后處理：對(duì)所求出的解根據(jù)有關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。后處理使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有限元分析可分成三個(gè)階段，預(yù)處理、計(jì)算求解和后處理。預(yù)處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果。



有限元分析具體能做什么

有限元分析功能應(yīng)用

有限元分析是應(yīng)力和結(jié)構(gòu)分析最常用的工具。它還可以從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析系統(tǒng)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)等其他工具接收輸入數(shù)據(jù)。有限元分析軟件可用于：

1.機(jī)械工程設(shè)計(jì)

2.計(jì)算機(jī)輔助制圖和工程模擬服務(wù)

3.結(jié)構(gòu)分析

4.模態(tài)分析

5.固體力學(xué)

6.模具流動(dòng)分析

7.疲勞和斷裂力學(xué)

8.熱和電分析

9.金屬板成形分析



有限元分析應(yīng)用領(lǐng)域

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期愈來(lái)愈短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，而有限元數(shù)值模擬技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段。

有限元法在工程設(shè)計(jì)和科研領(lǐng)域得到了越來(lái)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(wèn)題的有效途徑，從汽車(chē)到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)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(chē)、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。



有限元分析常用軟件

有限元分析常用的軟件有ANSYS、Abaqus、CATIA等。下面，為大家介紹一下，最為常用的有限元分析軟件Abaqus。

Abaqus為全球知名的大型通用有限元分析軟件，具有單元類(lèi)型全、材料模型多、分析能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性高等特點(diǎn)，特別是在求解復(fù)雜非線性問(wèn)題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。



除了用于模擬汽車(chē)、航空航天等結(jié)構(gòu)力學(xué)問(wèn)題，Abaqus在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)也得到了眾多應(yīng)用。Abaqus提供了多種混凝土和巖土塑性模型，支持靜力、動(dòng)力、顯式動(dòng)力、滲流、傳熱等分析類(lèi)型，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施中的各類(lèi)力學(xué)問(wèn)題的模擬具有廣泛適用性，例如建筑橋梁等結(jié)構(gòu)的整體彈塑性分析和穩(wěn)定分析，局部多尺度與精細(xì)化模擬，地下結(jié)構(gòu)、邊坡穩(wěn)定性、樁基礎(chǔ)、滲流和固結(jié)等各類(lèi)巖土工程問(wèn)題。

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Abaqus具體應(yīng)用：Abaqus在八大工程領(lǐng)域中的應(yīng)用