有限元分析是什麼

在三維設計時，為了對設計進行驗證，以便得到最佳的設計方案，就需要進行有限元分析，那麼什麼是有限元分析呢？

有限元分析是工程師用來解決工程問題的工具之一，是用較簡單的問題代替複雜問題後再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然後推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。因為實際問題被較簡單的問題所代替，所以這個解不是準確解，而是近似解。由於大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種複雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

有限元分析提供了快速、廉價地探索各種原型選項和設計的能力。這使得有限元分析成為提高產品性能、降低成本和縮短項目交付周期的重要工具，如果您構建並測試一個原型，您可能會發現該原型在50%負載時突然斷裂。然後，您將構建另一個原型，使失敗的部分更厚，並重新測試。然後，您可能會發現您的原型在不同的地方在75%的負載下出現故障。重複設計和測試循環，直到達到100%負載，沒有任何故障或損壞。

有限元分析的優勢是什麼

有限元分析的優點之一是，在製作原型之前，您可以在計算機輔助設計模型的任何部分找到應力，因此，您可以預測哪些區域可能首先失效，以及哪些第二和第三區域可能在較高負載下失效。通過正確應用有限元分析，您可以在仿真模型而不是物理原型上，有效地執行設計疊代。

有限元分析的另一個優點是，你可以沿著構建和測試路線看到你看不到的東西。例如，如果你讓灰鑄鐵鑄件過載，在它突然開裂或斷裂之前，變形可能是不明顯的。現在，如果你想讓它在某個方向變得更硬，那麼很難在試驗台架上測量如此小的撓度。通過有限元分析，撓度很容易看到，這有助於您理解載荷路徑，並以最有效的方式加固結構。

有限元分析的基本步驟

有限元分析的基本步驟通常為：

第一步 預處理。根據實際問題定義求解模型，包括以下幾個方面：

1.定義問題的幾何區域：根據實際問題近似確定求解域的物理性質和幾何區域；

2.定義單元類型；

3.定義單元的材料屬性；

4.定義單元的幾何屬性，如長度、面積等；

5.定義單元的連通性；

6.定義單元的基函數；

7.定義邊界條件；

8.定義載荷。

第二步 求解計算：將單元總裝成整個離散域的總矩陣方程（聯合方程組）。總裝是在相鄰單元結點進行。狀態變量及其導數（如果可能）連續性建立在結點處。聯立方程組的求解可用直接法、疊代法。求解結果是單元結點處狀態變量的近似值。

第三步 後處理：對所求出的解根據有關準則進行分析和評價。後處理使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。

簡單來說，有限元分析可分成三個階段，預處理、計算求解和後處理。預處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；後處理則是採集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。

有限元分析具體能做什麼

有限元分析功能應用

有限元分析是應力和結構分析最常用的工具。它還可以從運動學分析系統和計算流體動力學系統等其他工具接收輸入數據。有限元分析軟體可用於：

1.機械工程設計

2.計算機輔助製圖和工程模擬服務

3.結構分析

4.模態分析

5.固體力學

6.模具流動分析

7.疲勞和斷裂力學

8.熱和電分析

9.金屬板成形分析

有限元分析應用領域

隨著市場競爭的加劇，產品更新周期愈來愈短，企業對新技術的需求更加迫切，而有限元數值模擬技術是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段。

有限元法在工程設計和科研領域得到了越來越廣泛的重視和應用，已經成為解決複雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到太空梭幾乎所有的設計製造都已離不開有限元分析計算，其在機械製造、材料加工、航空航天、汽車、土木建築、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發生了質的飛躍。

有限元分析常用軟體

有限元分析常用的軟體有ANSYS、Abaqus、CATIA等。下面，為大家介紹一下，最為常用的有限元分析軟體Abaqus。

Abaqus為全球知名的大型通用有限元分析軟體，具有單元類型全、材料模型多、分析能力強、可擴展性高等特點，特別是在求解複雜非線性問題方面具有顯著優勢。

除了用於模擬汽車、航空航天等結構力學問題，Abaqus在基礎設施行業也得到了眾多應用。Abaqus提供了多種混凝土和岩土塑性模型，支持靜力、動力、顯式動力、滲流、傳熱等分析類型，對基礎設施中的各類力學問題的模擬具有廣泛適用性，例如建築橋樑等結構的整體彈塑性分析和穩定分析，局部多尺度與精細化模擬，地下結構、邊坡穩定性、樁基礎、滲流和固結等各類岩土工程問題。

軟體功能模塊

Abaqus軟體主要由前後處理模塊Abaqus/CAE，隱式求解器模塊Abaqus/Standard和顯式求解器模塊Abaqus/Explicit共3個模塊組成。

1.Abaqus/CAE 前後處理模塊

Abaqus/CAE使您能夠快速有效的創建、編輯、監控、診斷和後處理先進的Abaqus分析。Abaqus/CAE將建模、分析、工作管理以及結果顯示集成於一個一致的、使用方便的環境中、這使得初學者易於學習而經驗豐富的用戶工作效率會更高。

2.Abaqus/Standard 隱式求解器模塊

Abaqus/standard使各種線形和非線性工程模擬能夠有效、精確、可靠的實現。廣泛的分析能力、優越的性能、完備的用戶指南、高質量一流的技術支持使得Abaqus/Standard成為分析許多工程問題的有效工具。此外許多常見的建模前後處理軟體都支持Abaqus。Abaqus/Standard提供各類型的分析程序，從常見的線性問題分析到複雜多步非線性問題都能高效、可靠的解決。

3.Abaqus/Explicit 顯式求解器模塊

Abaqus/Explicit（顯式積分）為模擬廣泛的動力學問題和准靜態問題提供精確、強大和高效的有限元求解技術。Abaqus/Explicit適用於模擬高度非線性動力學和准靜態分析（可以考慮絕熱效應)、完全耦合瞬態-位移分析、聲固耦合分析。Abaqus/Explicit特別適用於分析瞬態動力學問題，例如：非線性抗震，彈道衝擊等A baqus/Explicit高效處理接觸問題和其它非線性的能力使其成為求解許多非線性准靜態問題的有效工具，如製造過程（如高溫金屬軋制和扳金衝壓）和能量吸收裝置緩慢擠壓過程的模擬。

軟體特點

1.廣泛的非線性分析規程，包括結構應力、顯式動態、熱應力、熱傳遞、孔隙流體擴散等等。

2.現代線性動態框架，包括高性能本徵解算器、瞬態和穩態動態、隨機響應和子結構。

3.先進的材料建模能力，包括金屬、聚合物、複合材料、混凝土和斷裂力學。

4.強大的一般接觸功能，用於對大型零件裝配體之間的複雜交互建模。

5.高性能解算器，可最大限度地縮短仿真周轉時間。

軟體應用

Abaqus能用於建築工程、岩土工程、橋樑工程、水工、防火、交通工程、海洋結構、特種結構等領域中。

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