Понимание FEA: Конечный элементный анализ в CAD — принципы, применения и ПО

В ЭТОЙ СТАТЬЕ:

• Что такое FEA (Конечный элементный анализ)
• Принципы конечного элементного анализа и симуляционного ПО
• Общий процесс в FEA
• Типы метода конечных элементов
• Применения конечного элементного анализа в CAD
• Почему FEA ПО полезно
• Итог

Инженеры находятся в невиданной позиции полной ответственности за целостность и безопасность всех продуктов и структур, которые они проектируют. Малые ошибки в дизайне часто ведут к надвигающимся катастрофам (часто идущим в суд и судимым).

Именно поэтому продукты и структуры проходят через массив стресс-тестирования и оптимизации перед развертыванием в реальном мире. Но делая это за сотни итераций (и в масштабе) может быть запретительно дорого. Поэтому инженеры часто смотрят на техники симуляционного моделирования (как Конечный элементный анализ) для автоматизации и упрощения этого тестирования.

Это помогает сократить использование материалов для итеративного прототипирования, которое иначе использовалось бы в актуализации.

Конечный элементный анализ — одна из самых частых техник, используемых инженерами и CAD-дизайнерами для симуляции «напряжения» на их дизайнах.

Что такое FEA (Конечный элементный анализ)?

Конечный элементный анализ (FEA) — численная техника, используемая для решения инженерных проблем с массивом физики-базированных расчетов.

Например, инженер, проектирующий мост, должен предсказать поведение структуры под нагрузкой. Система уравнений, описывающая распределение структурных напряжений, может быть известна, но не может быть легко (или напрямую) решена для сложной структуры вроде моста.

Поэтому систему нужно разбить на малые элементы («конечные элементы»), чьи расчеты можно легко сделать и решить.

Конечные элементы могут быть одномерными, двумерными или трехмерными.

Принципы конечного элементного анализа и симуляционного ПО

Метод конечных элементов обычно используется в FEA для вычисления приближенных решений граничных задач (полевых задач) в инженерии.

«Поле» обычно представляет физическую структуру как основной домен.

«Полевые переменные» — переменные интереса, управляемые дифференциальным уравнением. Они должны достигнуть граничного условия для специфических значений переменных (или связанных переменных).

«Узел» — конкретная точка на конечном элементе, содержащая значение полевой переменной — обычно явно вычисляемое. Эти значения затем используются для вычисления значений в неузловых точках через интерполяцию значений в узлах с использованием функций формы.

Общий процесс в FEA

1. Предварительная обработка для производства

Этот этап требует определения доменной проблемы, свойств материала, геометрических свойств, модели сетки, граничных условий и типов элементов. Обычно на этом этапе инженер упрощает проблему максимально для быстрых но точных результатов.

Например, перед симуляцией CAD-модель может иметь много скруглений, отверстий или других фич, несущественных для симуляции — но фич, пожирающих вычислительные ресурсы и увеличивающих время рендеринга. Инженеры обычно удаляют эти фичи для ускорения симуляций.

Это можно сделать вручную (дизайнеры идут и удаляют фичи по одной) — или автоматически с использованием CAD-дефичеринга на ПО Spatial. Одно большое преимущество автоматизации — снижение человеческой ошибки.

2. Решение

Здесь вычисления делаются для неизвестных значений полевых переменных. Вы могли использовать эти значения для вычисления производных переменных, таких как напряжения и реактивные силы.

3. Постобработка

Сортировка, построение графиков и печать — финальный набор активностей, где ваши выбранные результаты реализуются как решения вашего конечного элементного анализа.

Типы метода конечных элементов

Недостатки FEA-моделирования для некоторых областей (таких как гидромеханика) призвали к нескольким улучшениям процесса решения при расширении разнообразия применения конечного элементного анализа.

Некоторые распространенные типы включают:

• Расширенный метод конечных элементов (XFEM)

Проблемы вроде повреждения, трещин или отказа не могут быть обработаны методом конечных элементов напрямую.

XFEM — использующий метод Галеркина и функции Хевисайда — позволяет расширить функции формы. Узлам даются дополнительные степени свободы в точках разрыва для учета.

• Обобщенный метод конечных элементов

В этом типе функции формы умножаются на partition-of-unity при определении глобальными координатами. Это предотвращает пересчет сетки, пока вы можете формировать локальные элементные функции.

Применения конечного элементного анализа в CAD

FEA — среди самых мощных и широко используемых функций в CAD-дизайне.

Он интегрален к CAD для анализа объекта через использование конечных элементов, включающих малые прямоугольные и треугольные формы. Для анализа целого объекта каждый конечный элемент во всей сети объекта анализируется, и результаты комбинируются для построения общего поведения сложного объекта. Каждый элемент может анализироваться для определенных порогов свойств: напряжение-деформация, динамика, тепловые свойства — или любые другие характеристики (в зависимости от места применения).

В CAD рабочем процессе вы можете определять каждый элемент и структуру сети как требуете в вашем дизайне.

Почему FEA ПО полезно

FEA позволяет инженерам проводить симуляцию спроектированной модели вместо создания физической модели для тестирования.

FEA предлагает больше преимуществ.

FEM во время анализа позволяет моделировать разнообразное число типов материалов и возможность мониторить, как ограниченные эффекты влияют на малую область дизайна в сложной геометрии.

Инженеры могут использовать специализированное ПО для конечного элементного моделирования для широкого спектра задач.

Гидродинамика, деформация автомобиля от столкновения и напряжение на человеческих костях — некоторые практические использования ПО конечного элементного моделирования инженерами.

Итог

FEA — предсказательный, но не утверждающий.

Он не утверждает, что дизайн выдержит симулированные напряжения с уверенностью. Он только дает инженерам вид того, как дизайн может отреагировать на наложенные напряжения, снижая стоимость физического тестирования.

Для общего FEA опыта существует ряд CAD-ПО с этой функцией, которые могут помочь вам проектировать лучшие и точные структуры в любой сфере инженерии, в которой вы находитесь.