有限元建模
前處理的重要性
有限元方法已經(jīng)迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展,整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少,而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（前處理）和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問(wèn)題卻日益突出。前處理工作成為CAE工作的重中之重。為建立正確、合理的有限元模型，需要把握好模型的簡(jiǎn)化、布局合理的網(wǎng)格密度以及確保網(wǎng)格的質(zhì)量等。
高質(zhì)量的網(wǎng)格是高精度分析結(jié)果的保證，而質(zhì)量不好或者差的網(wǎng)格，則可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的無(wú)法完成或者得到無(wú)意義的結(jié)果。在一個(gè)完整的分析計(jì)算過(guò)程中，與網(wǎng)格設(shè)計(jì)與修改相關(guān)的前處理工作占到了CAE工程師工作量的60%-70%，CAE工程師往往要花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格處理，所以主要的瓶頸在于如何快速準(zhǔn)備好高質(zhì)量的滿(mǎn)足分析計(jì)算要求的網(wǎng)格。
準(zhǔn)備高質(zhì)量的分析模型是一件很費(fèi)時(shí)間和精力的事情，而且要求前處理工程師能夠根據(jù)CAE工程師提出的分析要求設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足CAE工程師分析要求的合適的網(wǎng)格，然后提交給CAE工程師進(jìn)行分析計(jì)算。所以前處理工程師應(yīng)當(dāng)具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)和背景，才能完成高質(zhì)量的網(wǎng)格。
前處理的考慮因素
理論上講，模型中使用的單元越多，結(jié)果就越接近真實(shí)結(jié)果。然而，我們不可能去分析無(wú)限多的單元，一方面是為了節(jié)省計(jì)算資源；另一方面需要找到計(jì)算的規(guī)模（網(wǎng)格數(shù)量）和計(jì)算的準(zhǔn)確性之間的平衡。因此，前處理工程師需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮：
要進(jìn)行什么類(lèi)型的分析計(jì)算？非線性分析往往比線性分析有更嚴(yán)格的網(wǎng)格要求。例如滑動(dòng)接觸問(wèn)題可能需要一個(gè)更精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)捕捉變化的狀態(tài)行為；高級(jí)材料，如塑性、超彈性等，通常需要更精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)捕捉大應(yīng)變梯度；大變形分析需要更精細(xì)的網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)分析過(guò)程中形狀的大變化
關(guān)注的區(qū)域在哪里？如果事先知道關(guān)注區(qū)域在哪里，與其細(xì)化整體網(wǎng)格，不如將單元集中在關(guān)注的區(qū)域，粗網(wǎng)格通常足夠用于力傳遞，可以用于不需要應(yīng)力信息的區(qū)域。如果事先不知道關(guān)注的區(qū)域，可先進(jìn)行粗網(wǎng)格分析，確定后續(xù)分析中需要細(xì)化的區(qū)域。
小特征將會(huì)如何影響結(jié)果？小孔、圓角、凸角、窄邊都將自動(dòng)生成一個(gè)非常精細(xì)、局部化的網(wǎng)格。我們需要評(píng)估這些特性是否會(huì)影響分析：它是否在關(guān)鍵區(qū)域？它會(huì)影響加載路徑嗎？這些需要用戶(hù)在求解精度和時(shí)間中做出權(quán)衡。
需要一個(gè)什么樣的結(jié)果？定性還是定量？對(duì)于線性分析，精確的位移結(jié)果不需要像應(yīng)力結(jié)果那樣精細(xì)的網(wǎng)格——如果分析是為了確保位移不會(huì)太大，那么可以使用較粗的網(wǎng)格，如果分析需要評(píng)估結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，在關(guān)鍵的區(qū)域需要加密網(wǎng)格。
使用什么樣的單元？有些單元在彎曲時(shí)比較“剛”，需要在零件的厚度上加密網(wǎng)格來(lái)正確地捕捉彎曲行為。這類(lèi)問(wèn)題通常被稱(chēng)為“鎖定”，原則上有中間節(jié)點(diǎn)的單元（二次單元）比線性單元更不容易被鎖定，但如果彎曲非常顯著，即使使用帶中節(jié)點(diǎn)的單元，也建議厚度上大于一個(gè)單元。此外，某些單元的形狀對(duì)變形更敏感。例如，一個(gè)六面體單元可以拉長(zhǎng)，但仍然提供良好的結(jié)果。然而，一個(gè)四面體單元在一個(gè)方向上伸長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生小角度，這可能會(huì)提供不那么精確的結(jié)果。
1. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中面網(wǎng)格，主要針對(duì)薄壁件尤其是汽車(chē)，航天航空，電子這個(gè)行業(yè)里大量存在，像手機(jī)、汽車(chē)上的儀表板、汽車(chē)的車(chē)身，這樣的結(jié)構(gòu)件單元很薄，很難用實(shí)體單元來(lái)描述。用殼單元描述更合適一些。用殼單元描述，就首先要得到這個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何中面。一般來(lái)說(shuō)像塑料件、薄壁件有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有很多的筋、圓孔等等。難度在于如何得到這個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中面網(wǎng)格，幾何上有圓角、加強(qiáng)筋、圓孔等等，抽完中面之后，怎樣把它們連接起來(lái)；得到幾何之后如何保證高質(zhì)量的面網(wǎng)格。
2. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的六面體，像結(jié)構(gòu)體，譬如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋、活塞、缸體、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、變速箱的殼體，這樣的結(jié)構(gòu)最好的形式是用六面體，因?yàn)榱骟w精度比較高。六面體的生成完全依靠人工來(lái)完成，這就需要非常專(zhuān)業(yè)的工程師才能完成。
3. 比較復(fù)雜的網(wǎng)格，就是流體網(wǎng)格CFD網(wǎng)格。流體網(wǎng)格幾何的外表面是封閉的，對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，比如整車(chē)，導(dǎo)彈的外流場(chǎng)，飛機(jī)等的外流場(chǎng)，有大量的曲面間隙需要去縫合修補(bǔ)，要生成面網(wǎng)格，還要考慮附面層，流體網(wǎng)格的特點(diǎn)是幾何清理極其復(fù)雜，工作量特別大，對(duì)附面層的質(zhì)量要求非常苛刻。根據(jù)你選擇的不同的流體方程，附面層網(wǎng)格的質(zhì)量有不同的要求。
網(wǎng)格質(zhì)量
單元的質(zhì)量是非常主觀的——一套網(wǎng)格在一組邊界條件和載荷下給出好的結(jié)果，在另一組邊界條件和載荷下可能給出糟糕的結(jié)果。然而，它依然不失為一個(gè)有用的工具來(lái)大致了解網(wǎng)格的質(zhì)量好壞。下面列出了一些常見(jiàn)的質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)：
Aspect ratio。Aspect ratio是單元的最長(zhǎng)邊與最短邊的比值。理想的單元具有1的長(zhǎng)寬比，但是正如前面提到的，一些單元（如六面體）對(duì)大的高寬比不太敏感。
Skewness。Skewness衡量一個(gè)單元的面有多接近理想情況。值的范圍從0（理想）到1（退化）。它是通過(guò)比較實(shí)際單元的大小和理想單元的大小來(lái)計(jì)算的，理想單元的大小可以與原始單元在相同大小的圓內(nèi)匹配。
Jacobian Ratio。該比值基于雅可比矩陣的行列式，在有限元分析中，雅可比矩陣用于將單元矩陣從理論形狀（如完全平方、三角形）轉(zhuǎn)換為實(shí)際形狀。理想單元的雅可比矩陣比為1，該值離1越遠(yuǎn)，該單元網(wǎng)格質(zhì)量也越差。
鐵力士科技的經(jīng)驗(yàn)
鐵力士科技多年來(lái)承接了汽車(chē)、軌道交通、航空航天、醫(yī)學(xué)生物工程等多個(gè)行業(yè)的上百個(gè)項(xiàng)目，積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)以及軟件使用經(jīng)驗(yàn)。可以為客戶(hù)提供高質(zhì)量的網(wǎng)格設(shè)計(jì)服務(wù)，可以熟練應(yīng)用ANSA、HyperMesh、ANSYS和其他常用的網(wǎng)格劃分工具來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格生成，包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格，網(wǎng)格類(lèi)型涵蓋了殼網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格以及多面體網(wǎng)格等，在確保網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)快速及時(shí)的網(wǎng)格劃分，從而為您節(jié)省大量的時(shí)間和精力，使得您可以集中精力于實(shí)際工程問(wèn)題的分析與求解。網(wǎng)格質(zhì)量好、效率高。如整車(chē)（含白車(chē)身加閉合件、底盤(pán)、動(dòng)力總成）的網(wǎng)格我們一般只需1個(gè)月左右時(shí)間完成。
