初学者什么乐器最容易学(自学哪种乐器最容易学)
1129
2022-05-29
在现代工程领域,计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)可以在设计阶段对结构进行校核、优化,使工程师在产品未生产之前就对设计的经济性、可靠性、安全性进行评估。在这样的背景下,CAE开始在结构设计中发挥出极其重要的作用。在各种CAE方法中,有限元法(finite element method,FEM)在工程领域应用最广,也是技术相对比较成熟的一种方法。作为一个合格的有限元分析(finite element analysis,FEA)工程师,至少应该具备以下3个方面的要求:
(1)坚实的理论基础,主要包括力学理论(对于结构有限元分析工程师)和有限元理论;
(2)软件运用经验,能熟练应用常用的有限元软件;
(3)工程实践经验,对于各种工程问题能够准确地判断并确定分析方案。
在这3个方面中,最简单的就是软件运用,很多初学者通过对一些参考书的模仿及学习,熟悉了几个例题之后,就信心满满,以为自己可以做一个分析工程师了,这是极端错误的。参考书的例题与实际工程分析有质的区别:例题是简化的模型,分析类型和边界条件已知,初学者只是简单的遵照参考书的过程重复计算。这个操作过程,中学生都可以完成。在做工程分析的时候,情况完全不同,模型的简化、分析类型和边界条件全部未知,在计算完成后,还需要对结果进行分析和评价。
下面简要介绍CAE的分析流程。首先,针对实际工程的问题进行判断,依据工况确定问题类型,判定是否需要有限元分析(很多问题用基本力学计算或者查手册就能更快更准确地得到答案);其次,对有限元分析项目进行规划并计算,包括模型简化及计算规模、分析类型和边界条件的确定;最后,根据有限元分析结果,提出相应结论和建议,包括分析项目的可靠性、安全性判定,优化的可能,危险的处理等。由上可知,有限元分析工程师仅靠熟悉软件是远远不够的,其工作是对专业知识及实践经验的综合性体现。
小知识
很多项目需要判定是否需要有限元分析。例如,对于一些机械类单一零件产品的分析,如果外载仅为一个重力工况,就不需要进行有限元分析。原因是:这个零件经过生产制造后能够成形,就已经经受了重力的测试。实践是检验真理的唯一标准,实践就已经证明其性能可靠,所以不需要再进行有限元分析。
又如,6个相同螺栓连接的一对法兰,其中有一个螺栓出现断裂,该螺栓也不需要进行有限元校核。原因是:设计故障必将批量反映问题,如果该螺栓强度或刚度不足,势必表现出多个或全部螺栓失效;而且,当一个螺栓出现失效时,其余螺栓在偏载和突变情况下仍然不出现失效,正好证明其螺栓是足够安全可靠的。因此,对该螺栓从材料入手,进行金相分析较为合适。
就任一个CAE分析而言,必须满足下列四要素。
(1)清晰的物理概念。工程问题按数学一般分为稳定场(椭圆)方程(用于描述静平衡、稳态热等)、扩散(抛物线)方程(用于描述动力学、瞬态热等)、波动(双曲线)方程(用于描述应力波等波动现象)。
(2)明确的系统属性。已知上面的3种控制方程,还要有初始条件或/和边界条件,才可以得到方程的解析解。则系统中需要具备基本的自身参数,如弹性模量、泊松比、长度、截面积等,还要具备系统的外界参数,如力、力矩等。
(3)各种工程问题的数学表征。实际工程问题往往存在于大量的数据中,需要抽取或换算得到数学表征参数。例如,一对齿轮副进行静平衡(静力学)计算,除了知道其模型尺寸、材料的弹性模量、泊松比、齿轮间的摩擦系数以外,还需要通过计算求出其载荷(力和力矩),以保证各个齿轮加载后整个系统的力平衡和力矩平衡;如果进行瞬态计算,则需要知道齿轮的密度,载荷以转速度形式加载。
(4)计算机实现的可行性和高效性。任何有限元分析都基于一定的假设,例如,连续性是实现有限元计算的必要条件,各向同性、对称性则是实现有限元高效计算的简化手段。
此外,有限元法是实际工程设计的一种数学辅助方法,为实际工程而服务,主要解决的是难以被实验验证的工程问题,切忌为数学分析而分析。
就有限元软件运用而言,特别是操作简单、容易上手、方便处理复杂工程模型的ANSYS Workbench,很多初学者在学习过程中也往往依葫芦画瓢,不了解软件输入的每一个参数的来龙去脉。这样致使初学者离开参考书的实例后就茫然无措,分析实际工程问题时更是无从下手。因此,在使用ANSYS Workbench进行有限元分析时需特别注意以下几点:
(1)模型简化;
(2)边界正确;
(3)参数合理;
(4)网格适用。
1 模型简化
在决定需要进行有限元分析后,对分析的模型及其工况在理论和本质上均要有清晰的认识,对自己使用的软件的能力也要心中有数,避免不合理和不切实际的分析。运用理论和经验上的判断,决定计算的模型、规模和类型。由于ANSYS Workbench有极佳的计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件接口,初学者常常在CAD软件中建模,然后将模型导入ANSYS Workbench进行有限元分析。殊不知这样处理也是极大的错误。
有限元模型必须与分析目的、计算机性能匹配,并不是模型越精确计算精度越高。越精确就意味着模型越复杂,进而要求软件进行更加复杂的矩阵化简求解。这样一来,模型的误差虽然小了,计算误差反而增大,导致最终得不到合适的结果。在建立有限元模型时,尽量采用尽可能简单的模型,无需保留实物模型的所有细节特征,常用作法是:去掉非关键位置的小孔和槽,用圆孔代替螺纹孔,用直角代替圆角及倒角。
如果保留实物模型的诸多细微几何特征,会导致分析结果的应力集中,甚至出现应力奇异状态。以图1撬杠分析为例:实物模型有刻花、腰形槽等几何特征,如果在有限元模型中包含这些特征,就必须对这些区域划分极细小的网格,分析结果就会在这些区域显示出应力集中,进而忽视了过渡面的应力状态,使分析结果完全偏离了分析目的。
图1 撬杠
对于实体为桁架的模型,整体分析不考虑剪力的影响时可以将实体模型简化为梁模型,这样总体计算量较小,精度也较高;如果单向剪力较大,则可将实体模型抽壳为壳模型计算;只有需关注桁架局部的详细受力,且双向剪力较大时,才使用实体模型。
因此,CAE工程师必须根据理论和经验判断模型几何细节的相关性,进而确定模型的简化方式。但是,有时一些模型几何细节开始时显得不重要,简化分析后在这些细节处应力较大,则可以在有限元模型中恢复几何细节或采用子模型分析。
2 边界正确
将实际工程问题转化为力学问题,分析对象的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件(位移约束条件)的确定、结构的刚度和质量、载荷传递路径和应力集中等问题的处理是CAE分析的关键。
有限元分析时,必须按照实际工况的边界条件,且满足有限元平衡方程,才能求解得到正确结果。例如,分析一个在压力作用下的桌子的变形,边界条件取在桌面的4个角点处,即可计算得到结果,但此分析并不符合工程实际情况(工况),应该将边界条件施加在桌子4个腿的接地处。
在静力学分析中容易出现边界条件不足,虽然ANSYS Workbench会自动将弱弹簧(Weak Springs)施加到模型可能出现刚体位移的位置,但是还是建议设置好充分的约束后,将弱弹簧设置为Off。针对约束不足的正确方法是对模型先进行模态分析,观察是否具有刚体模态(模态分析出的固有频率在0~1Hz),依据其频率对应的模态形状,进一步分析是否存在刚体运动(单个零件),或者存在零件之间接触不足(组件或部件)。
接触分析(无摩擦接触、粗糙接触、摩擦接触)涉及迭代计算,如果在接触面体上施加力载荷时,往往难以收敛;改为位移载荷,则相对简单得多。
3 参数合理
用ANSYS Workbench进行有限元分析,需要对软件有深刻的认识,做到每输入一个参数都清楚知道这个参数的意义和作用,这不仅仅是需要熟悉软件的界面,更多的是需要理解有限元和力学的理论,有时甚至需要对参数进行一些常识性的辨识。
例如,一台液晶电视机受力分析,已知条件如图2所示:底盘固定,液晶电视机质量为62.8kg;载荷如图3所示:在方块区域加载50N;求底座支撑架应力值大小?
图2 液晶电视受力分析已知条件
图3 液晶电视机受力分析载荷情况
本例采用静力学分析,分析方法1添加重力加速度,等效应力值为318.68MPa,如图4所示;分析方法2不添加重力加速度,等效应力值为310.09MPa,如图5所示。试问在这个分析中是否应该加载重力加速度?
图4 底座支撑架的等效应力(添加重力加速度)
图5 底座支撑架的等效应力(不添加重力加速度)
上例就属于不对参数合理性进行判断的典型实例。其分析类型和边界条件均无问题,错误在于液晶电视机的质量。一台液晶电视机质量为62.8kg,约为一个成年男子的质量,这显然是不合常理的。如果将液晶电视机的质量换成合理的数据,就会发现上例计算后,是否添加重力加速度对整个模型的影响甚微。
4 网格适用
ANSYS Workbench拥有非常智能的自主划分网格能力,整个计算甚至颠覆了常用有限元软件的流程,不用把划分网格作为一个必要的操作。因此,很多初学者往往采用软件自主划分网格,其结果是:重要部分(应力集中区、接触区、大变形区)的结果不准确或不收敛;不重要部分网格过细,浪费了计算时间。
网格的划分往往需要实践经验,当然可以参考软件提供的网格质量进行评估。一般情况下,圆形模型采用古钱币的切分划法,中间正方形的边长为圆形的半径,圆周上至少需要40等分;圆环模型采用多体划分;模型厚度方向至少需要3层单元;缩减积分时厚度方向至少划分4层单元;接触比较难收敛时,可以采用无中间节点的网格形式(单元类型发生变化)。
对于一个模型最理想的网格形状是什么?答案就是整个模型都是大小一致的正方形和立方体,当然由于模型存在斜角、圆弧等要素,这个要求很难满足,因此,需要根据形状拓扑的规律尽量满足上述条件。
网格的数量到底多少合适呢?正确的方法是将网格尺寸定义为参数变量,利用ANSYS Workbench的优化分析模块进行分析,确定其敏感度。如果网格细化到一定程度,应力结果不会有大的偏差,就说明网格密度合适。
总之,CAE分析是一项相当高难的技术工作,不仅对理论基础和软件操作有较高的要求,更需要丰富的工程实践经验,正如Robert D.Cook说过的:
“FEA makes a good engineer great,but makes a bad engineer dangerous.”
本文节选自《ANSYS Workbench有限元分析实例详解(静力学)》
内容简介
本书以对比的方式系统且全面地说明ANSYS Workbench静力学分析过程中的各种问题,从工程实例出发,侧重解决ANSYS Workbench的实际操作和工程问题。
本书共5章。第1章为CAE分析步骤;第2章详细说明ANSYS Workbench主界面及相关Windows操作,举例说明ACT的用法;第3章介绍ANSYS Workbench的建模功能,举例描述修复模型、实体简化梁模型、点云数据生成实体的方法;第4章介绍ANSYS Workbench的线性静力学分析,以梁单元、二维平面单元、三维壳单元、实体单元、Link单元为主线,并包含ACP模块、Fracture分析、Solid65单元及子模型等;第5章介绍ANSYS Workbench的非线性静力学分析,以材料非线性、几何非线性、状态非线性为主线,并包含快速组装复杂模型、橡胶流体压力加载、损伤分析、生死单元分析、内聚力模型等。
本书内容丰富新颖、重点突出、讲解详尽,适用于ANSYS Workbench软件的初级和中级用户,可供机械、材料、土木、能源、汽车交通、航空航天、水利水电等专业的本科生、研究生、教师、工程技术人员和CAE爱好者阅读和参考。
本文转载自异步社区。
其他
版权声明:本文内容由网络用户投稿,版权归原作者所有,本站不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。如果您发现本站中有涉嫌抄袭或描述失实的内容,请联系我们jiasou666@gmail.com 处理,核实后本网站将在24小时内删除侵权内容。