有限元簡介及在機械行業(yè)應用

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

簡介

英文:Finite Element

有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學領域--飛機結構靜、動態(tài)特性分析中應用的一種有效的數(shù)值分析方法,隨后很快廣泛的應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續(xù)性問題。

有限元法分析計算的思路和做法可歸納如下:

1) 物體離散化

將某個工程結構離散為由各種單元組成的計算模型,這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來;單元節(jié)點的設置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì),描述變形形態(tài)的需要和計算進度而定(一般情況單元劃分越細則描述變形情況越精確,即越接近實際變形,但計算量越大)。所以有限元中分析的結構已不是原有的物體或結構物,而是同新材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣,用有限元分析計算所獲得的結果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理,則所獲得的結果就與實際情況相符合。

2) 單元特性分析

A、選擇位移模式

在有限單元法中,選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法;選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法;取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化,所以,在有限單元法中位移法應用范圍最廣。

當采用位移法時,物體或結構物離散化之后,就可把單元總的一些物理量如位移,應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常,有限元法我們就將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。

B、分析單元的力學性質(zhì)

根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等,找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式,這是單元分析中的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式,從而導出單元剛度矩陣,這是有限元法的基本步驟之一。

C、計算等效節(jié)點力

物體離散化后,假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是,對于實際的連續(xù)體,力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而,這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點上去,也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。

3) 單元組集

利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新連接起來,形成整體的有限元方程

(1-1)

式中,K是整體結構的剛度矩陣;q是節(jié)點位移列陣;f是載荷列陣。

4) 求解未知節(jié)點位移

解有限元方程式(1-1)得出位移。這里,可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。

通過上述分析,可以看出,有限單元法的基本思想是"一分一合",分是為了就進行單元分析,合則為了對整體結構進行綜合分析。

有限元的發(fā)展概況

1943年 courant在論文中取定義在三角形域上分片連續(xù)函數(shù),利用最小勢能原理研究St.Venant的扭轉問題。

1960年 clough的平面彈性論文中用“有限元法”這個名稱。

1965年馮康發(fā)表了論文“基于變分原理的差分格式”,這篇論文是國際學術界承認我國獨立發(fā)展有限元方法的主要依據(jù)。

1970年隨著計算機和軟件的發(fā)展,有限元發(fā)展起來。

涉及的內(nèi)容:有限元所依據(jù)的理論,單元的劃分原則,形狀函數(shù)的選取及協(xié)調(diào)性。

有限元法涉及:數(shù)值計算方法及其誤差、收斂性和穩(wěn)定性。

應用范圍:固體力學、流體力學、熱傳導、電磁學、聲學、生物力學

求解的情況:桿、梁、板、殼、塊體等各類單元構成的彈性(線性和非線性)、彈塑性或塑性問題(包括靜力和動力問題)。能求解各類場分布問題(流體場、溫度場、電磁場等的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)問題),水流管路、電路、潤滑、噪聲以及固體、流體、溫度相互作用的問題。

5)有限元的未來是多物理場耦合

隨著計算機技術的迅速發(fā)展,在工程領域中,有限元分析(FEA)越來越多地用于仿真模擬,來求解真實的工程問題。這些年來,越來越多的工程師、應用數(shù)學家和物理學家已經(jīng)證明這種采用求解偏微分方程(PDE)的方法可以求解許多物理現(xiàn)象,這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結構力學等等。有限元方法用來將這些眾所周知的數(shù)學方程轉化為近似的數(shù)字式圖象。

早期的有限元主要關注于某個專業(yè)領域,比如應力或疲勞,但是,一般來說,物理現(xiàn)象都不是單獨存在的。例如,只要運動就會產(chǎn)生熱,而熱反過來又影響一些材料屬性,如電導率、化學反應速率、流體的粘性等等。這種物理系統(tǒng)的耦合就是我們所說的多物理場,分析起來比我們單獨去分析一個物理場要復雜得多。很明顯,我們現(xiàn)在需要一個多物理場分析工具。

在上個世紀90年代以前,由于計算機資源的缺乏,多物理場模擬僅僅停留在理論階段,有限元建模也局限于對單個物理場的模擬,最常見的也就是對力學、傳熱、流體以及電磁場的模擬?？雌饋碛邢拊抡娴拿\好像也就是對單個物理場的模擬。

現(xiàn)在這種情況已經(jīng)開始改變。經(jīng)過數(shù)十年的努力,計算科學的發(fā)展為我們提供了更靈巧簡潔而又快速的算法,更強勁的硬件配置,使得對多物理場的有限元模擬成為可能。新興的有限元方法為多物理場分析提供了一個新的機遇,滿足了工程師對真實物理系統(tǒng)的求解需要。有限元的未來在于多物理場求解。

千言萬語道不盡,下面只能通過幾個例子來展示多物理場的有限元分析在未來的一些潛在應用。

壓電擴音器(Piezoacoustic transducer)可以將電流轉換為聲學壓力場,或者反過來,將聲場轉換為電流場。這種裝置一般用在空氣或者液體中的聲源裝置上,比如相控陣麥克風,超聲生物成像儀,聲納傳感器,聲學生物治療儀等,也可用在一些機械裝置比如噴墨機和壓電馬達等。

壓電擴音器涉及到三個不同的物理場:結構場,電場以及流體中的聲場。只有具有多物理場分析能力的軟件才能求解這個模型。

壓電材料選用PZT5-H晶體,這種材料在壓電傳感器中用得比較廣泛。在空氣和晶體的交界面處,將聲場邊界條件設置為壓力等于結構場的法向加速度,這樣可以將壓力傳到空氣中去。另外,晶體域中又會因為空氣壓力對其的影響而產(chǎn)生變形。仿真研究了在施加一個幅值200V,震蕩頻率為300 KHz的電流后,晶體產(chǎn)生的聲波傳播。這個模型的描述及其完美的結果表明在任何復雜的模型下,我們都可以用一系列的數(shù)學模型進行表達,進而求解。

多物理場建模的另外一個優(yōu)勢就是在學校里,學生們直觀地獲取了以前無法見到的一些現(xiàn)象,而簡單易懂的表達方式也獲得了學生們的好感。這只是Krishan Kumar Bhatia博士在紐約Glassboro的Rowan 大學給高年級的畢業(yè)生講授傳熱方程課程時介紹建模及分析工具所感受到的,他的學生的課題是如何冷卻一個摩托車的發(fā)動機箱。Bhatia博士教他們?nèi)绾卫谩霸O計-制造-檢測”的理念來判斷問題、找出問題、解決問題。如果沒有計算機仿真的應用,這種方法在課堂上推廣是不可想象的,因為所需費用實在是太大了。

COMSOL Multiphysics擁有優(yōu)秀的用戶界面,可以使學生方便地設置傳熱問題,并很快得到所需要的結果。“我的目標是使每個學生都能了解偏微分方程,當下次再遇到這樣的問題時,他們不會再擔心,”Bhatia博士說,“這不需要了解太多的分析工具,總的來說,學生都反映‘這個建模工具太棒了’”。

很多優(yōu)秀的高科技工程公司已經(jīng)看到多物理場建?？梢詭椭麄儽３指偁幜?。多物理場建模工具可以讓工程師進行更多的虛擬分析而不是每次都需要進行實物測試。這樣,他們就可以快速而經(jīng)濟地優(yōu)化產(chǎn)品。在印度尼西亞的Medrad Innovations Group中,由John Kalafut博士帶領著一個研究小組,采用多物理場分析工具來研究細長的注射器中血細胞的注射過程,這是一種非牛頓流體,而且具有很高的剪切速率。

通過這項研究,Medrad的工程師制造了一個新穎的裝置稱為先鋒型血管造影導管(Vanguard Dx Angiographic Catheter)。同采用尖噴嘴的傳統(tǒng)導管相比,采用擴散型噴嘴的新導管使得造影劑分布得更加均勻。造影劑就是在進行X光拍照時,將病變的器官顯示得更加清楚的特殊材料。

另外一個問題就是傳統(tǒng)導管在使用過程中可能會使得造影劑產(chǎn)生很大的速度,進而可能會損傷血管。先鋒型血管造影導管降低了造影劑對血管產(chǎn)生的沖擊力,將血管損傷的可能性降至最低。

關鍵的問題就是如何去設計導管的噴嘴形狀,使其既能優(yōu)化流體速度又能減少結構變形。Kalafut的研究小組利用多物理場建模方法將層流產(chǎn)生的力耦合到應力應變分析中去,進而對各種不同噴嘴的形狀、布局進行流固耦合分析?！拔覀兊囊粋€實習生針對不同的流體區(qū)域建立不同的噴嘴布局,并進行了分析,” Kalafut博士說,“我們利用這些分析結果來評估這些新想法的可行性,進而降低實體模型制造次數(shù)”。

摩擦攪拌焊接(FSW),自從1991年被申請專利以來,已經(jīng)廣泛應用于鋁合金的焊接。航空工業(yè)最先開始采用這些技術,現(xiàn)在正在研究如何利用它來降低制造成本。在摩擦攪拌焊接的過程中,一個圓柱狀具有軸肩和攪拌頭的刀具旋轉插入兩片金屬的連接處。旋轉的軸肩和攪拌頭用來生熱,但是這個熱還不足以融化金屬。反之,軟化呈塑性的金屬會形成一道堅實的屏障,會阻止氧氣氧化金屬和氣泡的形成。粉碎,攪拌和擠壓的動作可以使焊縫處的結構比原先的金屬結構還要好,強度甚至可以到原來的兩倍。這種焊接裝置甚至可以用于不同類型的鋁合金焊接。

空中客車(AirBus)資助了很多關于摩擦攪拌焊接的研究。在制造商大規(guī)模投資和重組生產(chǎn)線之前,Cranfield大學的Paul Colegrove博士利用多物理場分析工具幫助他們理解了加工過程。

第一個研究成果是一個摩擦攪拌焊接的數(shù)學模型,這讓空客的工程師“透視”到焊縫中來檢查溫度分布和微結構的變化。Colegrove博士和他的研究小組還編寫了一個帶有圖形界面的仿真工具,這樣空客的工程師可以直接提取材料的熱力屬性以及焊縫極限強度。

在這個摩擦攪拌焊接的模擬過程中,將三維的傳熱分析和二維軸對稱的渦流模擬耦合起來。傳熱分析計算在刀具表面施加熱流密度后,結構的熱分布?？梢蕴崛〕龅毒叩奈灰?熱邊界條件,以及焊接處材料的熱學屬性。接下來將刀具表面處的三維熱分布映射到二維模型上。耦合起來的模型就可以計算在加工過程中熱和流體之間的相互作用。

將基片的電磁、電阻以及傳熱行為耦合起來需要一個真正的多物理場分析工具。一個典型的應用是在半導體的加工和退火的工藝中,有一種利用感應加熱的熱壁熔爐,它用來讓半導體晶圓生長,這是電子行業(yè)中的一項關鍵技術。

例如,金剛砂在2,000°C的高溫環(huán)境下可以取代石墨接收器,接收器由功率接近10KW的射頻裝置加熱。在如此高溫下要保持爐內(nèi)溫度的均勻,爐腔的設計至關重要。經(jīng)過多物理場分析工具的分析,發(fā)現(xiàn)熱量主要是通過輻射的方式進行傳播的。在模型內(nèi)不僅可以看到晶圓表面溫度的分布,還可以看到熔爐的石英管上的溫度分布。

在電路設計中,影響材料選擇的重要方面是材料的耐久性和使用壽命。電器小型化的趨勢使得可在電路板上安裝的電子元件發(fā)展迅猛。眾所周知,安裝在電路板上的電阻以及其他一些元件會產(chǎn)生大量的熱,進而可能使得元件的焊腳處產(chǎn)生裂縫,最后導致整個電路板報廢。

多物理場分析工具可以分析出整個電路板上熱量的轉移,結構的應力變化以及由于溫度的上升導致的變形。這樣做可以用來提升電路板設計的合理性以及材料選擇的合理性。

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