Анализ методом конечных элементов

Анализ методом конечных элементов (FEA) — это виртуальное моделирование и моделирование конструктивных, акустических, электромагнитных или тепловых характеристик изделий и узлов. FEA — это практическое применение метода конечных элементов (FEM).

Что такое анализ методом конечных элементов?

Анализ методом конечных элементов — это моделирование продуктов и систем в виртуальной среде для поиска и решения потенциальных (или существующих) проблем с производительностью продукта. FEA — это практическое применение FEM, которое используется инженерами и учеными для математического моделирования и численного решения сложных структурных, акустических, электромагнитных, тепловых, жидкостных и мультифизических задач. Программное обеспечение FEA может использоваться в широком спектре отраслей, но чаще всего оно используется в авиационной, автомобильной, электронной, промышленной, морской и потребительской промышленности.

Модель конечных элементов (FE) состоит из системы точек, называемых «узлами», которые формируют форму конструкции. К этим узлам подключены конечные элементы, образующие сетку конечных элементов и содержащие материал и структурные свойства модели, определяющие ее реакцию на определенные условия. Плотность сетки конечных элементов может варьироваться по всему материалу в зависимости от ожидаемого изменения уровней напряжений в конкретной области. В областях, где наблюдаются большие изменения напряжения, обычно требуется более высокая плотность сетки, чем в областях, где изменения напряжения незначительны или отсутствуют. Интерес могут представлять точки разрушения ранее испытанного материала, скругления, углы, сложные детали и зоны повышенного напряжения.

Person wearing VR headset with holographic interface projection

Узнайте о преимуществах

FEA — это хорошо зарекомендовавшая себя методология, часто используемая для замены или дополнения экспериментальных и аналитических методов, помогающих в проектировании и анализе повседневных продуктов. По сравнению с прототипированием и экспериментами моделирование на основе FEA дает следующие преимущества.

Повысить производительность

Анализ методом конечных элементов позволяет быстро анализировать и изучать технические возможности повышения производительности продукта.

Сокращение времени

Анализ методом конечных элементов помогает выводить на рынок оптимизированные проекты изделий быстрее, чем метод сборки и тестирования.

Снижение затрат

Используя анализ методом конечных элементов, вы можете значительно снизить затраты на разработку продукта по сравнению с традиционными процессами тестирования на основе физических прототипов.

Этапы процесса моделирования FEA

Независимо от используемого программного обеспечения, большинство симуляций FEA следуют этим обобщенным шагам.

Трехмерная модель рамы автомобиля с визуальным отображением температуры от программного обеспечения Simcenter 3D.

Предварительная обработка

Этап предварительной обработки включает редактирование геометрии и подготовку ее к моделированию. В процессе, называемом сеткой, инструмент предварительной обработки преобразует проектную геометрию в небольшие конечные элементы перед применением свойств материала, нагрузок, ограничений и параметров моделирования.

Изучите предварительную и постобработку FE

Решение

Программное обеспечение для моделирования FEA начинает итеративное решение дискретизированных уравнений с помощью решателя. Этот шаг может потребовать значительного времени или вычислительных ресурсов. Для сложного моделирования все больше предприятий обращаются к облачным вычислениям в качестве экономичного решения этой проблемы.

Изучите решатели моделирования FEA

Визуальный линейный анализ механической конструкции с помощью программного обеспечения Simcenter 3D.

Последующая обработка

После завершения решения следующим шагом будет анализ и визуализация результатов моделирования в качественном и количественном отношении с использованием отчетов, мониторов, графиков, 2D/3D-изображений и анимации. Проверка и валидация результатов также включены в этот этап.

Изучите предварительную и постобработку FE

Типы анализа FEA

Одномерный анализ (лучевые модели)
Под одномерным анализом подразумевается применение моделей, созданных исключительно из одномерных элементов, состоящих только из двух узлов, таких как балочные элементы. Одномерный анализ может быть полезен для анализа на ранних стадиях конструкций, которые обычно сложно моделировать, таких как кузов автомобиля или планера. Одномерная модель луча может помочь инженерам быстро оценить динамику тела до того, как полная геометрия будет готова к более глубокому анализу.

2D-анализ (модели оболочек)
Инженеры объединяют геометрию с двумерными элементами, такими как четырехмерные или треугольные элементы для тонкостенных тел, таких как детали из листового металла. Затем свойства элемента определяют толщину элемента оболочки, которую механизм расчета будет использовать для расчета напряжений, деформаций и других результатов. В препроцессорах FEA используются алгоритмы быстрого создания сеток, которые помогают инженерам создавать сетчатую оболочку на геометрии.

3D-анализ (твердотельные модели)
Для объемной геометрии, такой как блок двигателя, инженеры используют твердые трехмерные элементы для представления геометрии. По всему твердому телу образованы тетра-, пирамидальные и шестигранные элементы. В препроцессорах FEA есть инструменты, необходимые инженерам для создания сплошных сетчатых моделей.

Мультифизическая FEA
Современный FEA — это больше, чем просто моделирование отдельной области физики в отдельности. Сегодня технология FEA приобрела гораздо более многодисциплинарный характер, поскольку позволяет инженерам объединять различные виды физики, такие как взаимодействие жидкости и структуры (FSI), тепломеханическое моделирование, динамика многих тел со структурными гибкими телами на основе Fe, электромеханическое и термическое моделирование и многое другое. Мультифизическое моделирование имеет фундаментальное значение для все более сложных продуктов, требующих комплексного межотраслевого проектирования для достижения максимальной производительности.

Изучите продукты, связанные с FEA

Simcenter

Попробуйте программное обеспечение FEA бесплатно

Визуальные материалы программного обеспечения Simcenter 3D, представляющие собой имитационную модель конструкции трактора.

Пробная версия Simcenter 3D

Быстрое преобразование геометрии САПР в удобную геометрию для моделирования
Эффективно создавайте сети и решайте модели для структурного анализа, чтобы получить представление об эффективности проектирования
Быстро обновляйте имитационную модель с помощью программного обеспечения Simcenter 3D, чтобы внести изменения в конструкцию, чтобы можно было снова смоделировать за считанные секунды

Попробуй сейчас

Часто задаваемые вопросы

Анализ методом конечных элементов (FEA) успешно используется для проектирования изделий на протяжении десятилетий. Наряду с этим постоянно разрабатывались подходы к высокоточному моделированию и более прагматичные подходы к моделированию, позволяющие быстрее получать достаточно точные результаты.

Сегодня инженеры могут и должны выбирать уровень точности, который наилучшим образом соответствует их потребностям, чтобы отвечать на технические вопросы с минимальными вычислительными усилиями. Уровень точности варьируется от методов высокоточного моделирования, позволяющих прогнозировать реальное поведение с точностью до нескольких процентов или даже меньше, до быстрых методов, позволяющих быстро прогнозировать тренд.

Сегодня процессы сертификации и проверки инструментов моделирования FEA хорошо отлажены. Они останутся важнейшим фактором развития FEA, ее надежности и доверия к цифровым двойникам, а также ее внедрения в новых областях. Хотя прогнозное моделирование будет постоянно снижать потребность в дорогостоящих измерениях и прототипировании, оно по-прежнему будет требовать строгих методов FE и проверки передовой практики с помощью экспериментов.

Узнайте больше

Смотреть

Веб-семинар по запросу | Повторное использование устаревших данных конечных элементов для создания моделей на системном уровне

Веб-семинар по запросу | Оптимизация проектирования судов с помощью моделирования и управления данными

Слушать

Подкаст | Совершенствование проектирования и моделирования электродвигателей с помощью Adrian Perregaux

Подкаст | Исполняемые цифровые двойники: умные часы для машин

Прочтите

Блоги | Откройте для себя все блоги Simcenter FEA

Механическое моделирование | Прогнозируйте механические характеристики в различных областях с помощью CAE