一文读懂什么是有限元分析

也许在你看完之后，你还能想到原来你的企业在产品研发设计中也可以应用有限元分析，会省下不少事。

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什么是有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

是不是感觉文字都认识，但连在一起就有点不明白，没关系，咱们通过例子来给你具体说说。

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有限元分析有什么优势

目前为大型组件和结构构建和测试原型都是很昂贵，想象一下，在一个20米长、50吨重的高架移动式起重机上，一个试验台证明地震运动的可靠性要花多少钱？要重复多少次试验？

这只是其中一个很小的缩影，在不同的行业，产品研发设计中都会要做各种各样的验证试验。而有了有限元分析后，可以给企业在产品研发设计中提供快速、低成本地探索各种原型选项和设计的能力。这使得有限元分析成为提高产品性能、降低成本和缩短项目交付周期的重要工具。

如果你想构建并测试一个产品原型，你试验发现该原型在60%负载时会突然断裂。然后，你将重新调整参数或材料构建新的产品原型，在原来断裂部分进行加厚，并重新测试。你可能会发现产品原型在75%的负载时另一个地方又出现问题。就这样不断重复设计和测试，直到达到100%负载，产品原型没有任何故障或损坏。

这个时候，利用有限元分析，就能够体现出其优势来了。你在制作原型之前，利用计算机辅助设计模型的任何部分找到应力，这样就可以利用CAE仿真预测哪些区域可能首先失效，以及哪些第二和第三区域可能在较高负载下失效。通过应用有限元分析，就可以在仿真模型而不是物理原型上，有效地执行设计迭代。

还有就是你可以沿着构建和测试路线看到你看不到的东西。例如，如果你让灰口铸铁件过载，在它突然开裂或断裂之前，变形可能是不明显的。现在，如果你想让它在某个方向变得更硬，那么很难在试验台架上测量如此小的挠度。通过有限元分析，挠度很容易看到，这有助于你理解载荷路径，并以最有效的方式加固结构。

有限元分析优势不只是以上两点，还能增加设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本等。

有限元分析在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、新能源、电子电器、国防军工、船舶、石化和科学研究等。

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有限元分析步骤

第一步：前处理

第二步：总装求解

第三步：后处理

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有限元分析能做哪些分析？

1、静态/准静态分析：各类工程结构、零件及装配件的结构强度校核等。

2、振动/模态分析：结构固有频率的提取、瞬态响应分析、DDAM、稳态响应分析、随机响应分析、复特征值分析等。

3、高度非线性分析：几何、材料、边界非线性分析、采用灵活高效的自动增量步长确保计算收敛，采用自适应网格技术解决大变形问题。

4、接触分析：大规模接触问题的精确求解，面面接触、自动接触。

5、柔性多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦。

6、爆炸和冲击分析：爆炸、空爆、高速冲击。

7、跌落和碰撞分析：系统级分析、考虑装配预应力。

8、复合材料失效和断裂分析：虚拟裂纹闭合技术、裂纹扩张模拟、渐进式材料失效。

9、显式-隐式联合分析：成型回弹分析、焊接裂纹评估、带预应力的碰撞、充气轮胎的冲击分析。

10、成型过程分析：冲压、冷轧、热轧、锻造、弯管等过程分析，包括各种钣金件的加工过程模拟 ；焊点、垫片、螺栓连接分析；螺栓预紧力、法兰密封和连接、发动机密封件分析。

11、橡胶和轮胎分析：屈曲和失稳分析、循环载荷分析、疲劳和耐久性分析等。

相信随着技术的不断进步，有限元分析也会越来越强，应用的也会更加广泛。如果你对于有限元分析还有问题或者需要了解更多，可和我们元王进行交流。