CAE与有限元分析软件技术探讨
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CAE与有限元分析软件技术探讨
2002年第23卷第4期 CAE与有限元分析软件技术探讨 ★葛起宏 袁景凌 ★钟 珞肖诗轶 武汉城市综合开发集团有限公司 武汉理工大学 摘要: 探讨了计算机辅助工程分析(cAE)与有限元分析技术及cAE与相关技术的接口技术的关键问题。提 出CAE技术在结构分析和结构优化领域有着重要作用。 关键词: cAE; 有限元分析; 接口 计算机辅助工程分析(CAE)主要是实现结构 分析和结构优化。工程分析系统采用运动学、动力学 和有限元分析的理论和方法(其中最主要的是有限 元分析法),对机械系统的运动、受力、强度、变形、受 热等进行分析、计算、仿真和优化,涉及领域几乎涵 盖了工程设计的各个方面。其中有通用的工程分析 系统,也有在CAD系统基础上开发的针对特定产 品类型的专用分析模块。CAE系统对提高产品的设 计质量起着重要的作用。 1有限元分析 有限元法是目前CAE工程分析系统中使用最 多、分析计算能力最强、应用领域最广的一种方法。 有限元法是一种数值近似解法,可以处理任意复杂 的产品结构,且计算精度高。简单地讲,有限元法是 将所要计算的复杂结构划分为有限的许多有规则的 小块,称为单元。每个单元都有易于计算的简单形 状,如矩形、三角形等。单元之间通过有限个节点相 互连接。系统对每个单元都建立单元刚度方程,并建 立结构总体的刚度方程。由结构的边界条件进行求 解,得出结构中各个位置的参数值。 有限元法的应用领非常广,如应力、位移、机械 载荷、惯性力计算;温度荷载、传热分析;动力计算中 的模态、频率响应、随机响应计算等;各种非线形分 析、疲劳分析、流体力学分析、电磁场分析等。 进行有限元计算主要包括建立几何模型、划分 单元网格、计算、结果显示等几个步骤。 进行有限元计算所采用的几何模型通常不用于 实际的产品结构。因为实际的产品结构中有许多性 能没有多大影响的复杂细节结构,如圆角、连接孔 等。而这些结构在有限元计算中却非常复杂,需要占 用大量的时间进行计算。因此,在进行有限计算时, 需要根据产品的结构、工作特点、求解内容等因素, 建立有限元计算的几何模型。这种模型形式上可能 与实际的产品结构有很大的差异,但在性能和工作 特性上能保持与所设计产品的等同性。可以采用三 维造型的实体模型,通过简化抽象建立有限元分析 的几何模型。当然,这种模型的简化、抽象,需要一定 的计算、设计经验,才能保证简化的模型能反映实际 的产品性能。在建立几何模型的同时还需要设置模 型的材料特性,如各向同性,各向异性等,并通过材 料特性表来表示模型中各个位置的特性参数。 选择单元类型,进行结构的单元网格划分是由 前置处理器完成的。需要根据计类型和产品结构采 用不同类型、的单元。通常的单元类型包括杆单元、梁 单元、板单元,多面体单元、薄壳单元等。不同的分析 系统所提供的单元类型不同。单元网格划分是由系 统自动完成的。根据所选的单元类型,系统自动根据 结构形状进行网格划分。一些系统具有自适应网格 划分功能,即对结构复杂或载集中的局部能够自动 采用适合的单元形状和大小进行
自适网格细化,以 提高计算的精度。在网格划分过程中用户可以进行 结构和网格更改、调整网格密度等工作,使计算的结 果更加精确。。在进行求解前还需要根据实际的工作 状态设置模型的边界条件,包括载荷条件和位移约 束条件。 有限元计算的结果通过后置处理程序进行显 示,以表达在各个位置节点的计算结果。如采用不F 颜色的区域表示。 2CAE一般步骤 。应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和 模拟时,一般要经历如图1所示的步骤。 图l、a≮E一般步骤 前处理:用图形软件首先对工程或产品进行实 体建模,进而建立有限元分析模型。 有限元分析:对有限元模型进行单元分析,有限 一55—
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