Что такое FEA (анализ методом конечных элементов) в САПР?

В ЭТОЙ СТАТЬЕ:

• Что такое FEA (анализ методом конечных элементов)
• Принципы программного обеспечения для конечно-элементного анализа и моделирования
• Общий процесс в FEA
• Тип метода конечных элементов
• Приложения для анализа методом конечных элементов в САПР
• Почему программное обеспечение FEA полезно
• Результаты

Инженеры занимают незавидное положение, поскольку несут полную ответственность за целостность и безопасность всех продуктов и конструкций, которые они проектируют. Небольшие ошибки в дизайне часто приводят к неизбежным катастрофам (которые часто доходят до суда и судебных разбирательств).

Вот почему продукты и структуры проходят множество стресс-тестов и оптимизаций перед развертыванием в реальном мире. Но делать это в течение сотен итераций (и в масштабе) может быть непомерно дорого. Поэтому инженеры часто обращаются к методам имитационного моделирования (таким как анализ методом конечных элементов), чтобы автоматизировать и упростить это тестирование.

Это помогает сократить использование материалов для итеративного прототипирования, которые в противном случае использовались бы при актуализации.

Анализ методом конечных элементов является одним из наиболее распространенных методов, используемых инженерами и дизайнерами САПР для моделирования «напряжения» в своих проектах.

Что такое FEA (анализ методом конечных элементов)?

Анализ методом конечных элементов (FEA) — это численный метод, используемый для решения инженерных задач с помощью множества физических расчетов.

Например, инженеру, проектирующему мост, необходимо предсказать поведение конструкции под нагрузкой. Система уравнений, описывающая распределение структурных напряжений, может быть известна, но не может быть легко (или напрямую) решена для сложной конструкции, такой как мост.

Следовательно, система должна быть разбита на мелкие элементы («конечные элементы»), расчеты с которыми можно легко произвести и решить.

Конечные элементы могут быть одно-, двух- и трехмерными.

Принципы программного обеспечения для конечно-элементного анализа и моделирования

Метод конечных элементов обычно используется в МКЭ для расчета приближенных решений краевых задач (полевых задач) в технике.

«Поле» обычно представляет собой физическую структуру в качестве основного домена.

«Полевые переменные» — это представляющие интерес переменные, которые подчиняются дифференциальному уравнению. Они должны достичь граничного условия для определенных значений переменных (или связанных переменных)

«Узел» — это определенная точка на конечном элементе, которая содержит значение переменной поля, обычно вычисляемое явно. Затем эти значения используются для вычисления значений в неузловых точках путем интерполяции значений в узлах с использованием функций формы.

Общий процесс в FEA

1. Предварительная обработка для производства

На этом этапе необходимо определить проблему предметной области, свойства материала, геометрические свойства, модель сетки, граничные условия и типы элементов. Обычно на этом этапе инженер максимально упрощает задачу, чтобы получить быстрые, но точные результаты.

Например, перед симуляцией модель САПР может иметь множество скруглений, отверстий или других элементов, которые не являются существенными для симуляции, но которые потребляют вычислительные ресурсы и увеличивают время рендеринга. Инженеры обычно удаляют эти функции, чтобы ускорить моделирование.

Это можно сделать вручную (когда дизайнеры подключаются и удаляют эти функции одну за другой) или автоматически, используя САПР, отключив программное обеспечение Spatial. Одним из больших преимуществ автоматизации этого процесса является уменьшение количества человеческих ошибок.

Решения Spatial для 3D InterOp и Modeler позволяют распознавать элементы и легко их удалять

2. Решение

Здесь вычисления производятся для неизвестных значений переменных поля. Вы можете использовать эти значения для вычисления производных переменных, таких как напряжения и силы реакции.

3. Постобработка

Сортировка, построение графиков и печать — это последний набор действий, в котором выбранные вами результаты реализуются как решения для анализа методом конечных элементов.

Типы метода конечных элементов

Недостатки моделирования методом конечных элементов в некоторых областях (таких как механика жидкости) потребовали внесения нескольких улучшений в процесс решения при одновременном расширении разнообразия в применении анализа методом конечных элементов.

Некоторые из распространенных типов включают;

• Расширенный конечный метод (XFEM)

Такие проблемы, как повреждение, разрушение или разрушение, не могут быть решены методом конечных элементов напрямую.

XFEM, использующий метод Галеркина и ступенчатые функции Хевисайда, позволяет расширять функции формы. Каждому из узлов даются дополнительные степени свободы в точках разрыва для рассмотрения.

• Обобщенный метод конечных элементов

В этом типе функции формы умножаются на деление единицы при определении глобальными координатами. Это предотвращает повторное создание сетки, в то время как вы можете формировать функции локальных элементов.

Приложения для анализа методом конечных элементов в САПР

FEA — одна из самых мощных и часто используемых функций в САПР.

Это неотъемлемая часть САПР для анализа объекта за счет использования конечных элементов, которые включают небольшие прямоугольные и треугольные формы. Для анализа всего объекта анализируется каждый конечный элемент во всей сети объектов, а результаты объединяются для построения общего поведения сложного объекта. Каждый элемент может быть проанализирован на определенные пороговые значения свойств, таких как напряжение-деформация, динамика, термические свойства или любые другие характеристики (в зависимости от того, где он применяется).

В рабочем процессе САПР вы можете определить каждый элемент и сетевую структуру так, как вам нужно в вашем проекте.

Почему программное обеспечение FEA полезно

FEA позволяет инженерам проводить моделирование разработанной модели, а не создавать физическую модель для целей тестирования.

FEA предлагает больше преимуществ.

МКЭ во время анализа позволяет моделировать различные типы материалов и отслеживать, как ограниченные эффекты влияют на небольшую область конструкции со сложной геометрией.

Инженеры могут использовать программное обеспечение, предназначенное для моделирования методом конечных элементов, для решения широкого круга задач.

Гидродинамика, деформация транспортного средства в результате столкновения и нагрузка на человеческие кости - вот некоторые примеры практического использования программного обеспечения для моделирования методом конечных элементов инженерами.

Итог

FEA прогнозирует, но не утверждает.

Он не гарантирует, что конструкция с уверенностью выдержит смоделированные напряжения. Это только дает инженерам представление о том, как конструкция может реагировать на возникающие напряжения, при этом сокращая стоимость физических испытаний.

Для общего опыта FEA существует ряд программ САПР с этой функцией, которые могут помочь вам проектировать более качественные и точные конструкции в любой области техники, в которой вы работаете.