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有限元分析丨几何模型检查

Shmily89

3月前浏览2258

复杂结构有限元分析，大概80%时间都在进行前处理工作。

提到几何模型前处理，主要聚焦于几何模型简化。

周炬老师在《ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）》1.1小节几何模型简化的建议：

“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。”

“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。”

那么，几何模型前处理工作真的只是删孔、删槽、删倒角、去除细节这些事儿？

CAE工程师和结构设计人员对接，了解结构设计基本思路，技术要求，技术指标，结构潜在风险区域。（沟通！）

结构设计人员建模习惯、建模水平不同，几何模型差异较大。

以镜筒结构为例：建模时有的人会预留胶层缝隙，有的不留；

外购结构件尺寸尚未确定时，结构设计人员直接画个没有装配关系的几何体放那儿；

大量的自由体、自由面、不合理的装配关系引起的干涉等，令人头疼。

个人感觉，要求结构设计人员提供“完美的”几何模型是不现实的，这就对CAE工程师带来了一些挑战。（耐心和细心的考验）

根据项目经验，简单介绍一下，我是如何进行几何模型前处理的。不谈几何模型简化，只谈几何模型检查方法。（纯干货文字分享，连个图片都没有）

几何模型检查前，已经进行了初步几何模型简化，比如删特征细节、检查干涉。

几何模型处理个大概后，进入几何模型检查！

方法1：自由模态检查

1.进行自由模态计算，即移去所有的边界条件；

2.计算固有频率，有且仅有前6阶模态（刚体模态）为0；

3.可以发现结构中不合理装配接触和反作用力；

4.可以发现阻碍静态求解的机构。

补充：模态计算在模型检查中至关重要，这部分先留个坑。

思考：根据实际约束条件，计算前几阶固有频率为0，该如何处理呢？

方法2：静力学检查1-刚体误差

几何模型任意一节点约束6个自由度；
对约束节点6个自由度分别施加6个单位运动工况；
计算后，结构应是无应力分布的；
如果应力分布不为0，可以发现结构中不合理装配接触、“隐藏的”作用力。

方法3：静力学检查2-重力法检查

沿着每个坐标轴方向施加1g载荷工况；
根据常识判断计算是否合理，比如某个件“飞出去了”、“穿过去了”；
检查结构是否存在预判的对称性；
检查合力是否等于反作用力；
检查错误提醒和警告信息。

方法4：均匀温度变化检查

暂时设置所有材料的热膨胀系数相同；
定义约束边界，比如约束某一节点的6个自由度；
施加一个大的温度载荷；
结构应是无应力分布的；
根据计算结果确定阻碍thermal growth（不知道咋翻译）的刚性连接或约束。
PS：这方法我没有用过。

小结

几何模型前处理工作，是一项看不见的又极其耗时的工作，真正考验的是细心和耐心，甚至还需要一点点的强迫症，才能弄出一个“差不多的”可以用于计算的模型。几何模型前处理是一项不断迭代的工作，几何模型“处理个差不多就行”，“差不多”和“就行”其实是需要很多耐心的。

正文结束，聊几句闲话。

读书笔记停更，并已经删除，只是为了这个号的内容规整一点；

未来只做三方面内容：结构有限元、计算流体力学、热控设计。

被螺栓有限元分析卡住了，没有时间和心力写内容做计算，立个flag：十一前更完。

来源：认真的假装VS假装的认真

有限元分析中的最恶劣工况

在结构系统进行有限元分析时，出现一种处理方法：将技术要求的中的几种最恶劣条件参数进行组合，形成一个“人造的”最恶劣条件。如果结构系统刚度和强度，其他技术指标，满足这个最恶劣条件，我们就不需要对其他技术要求条件进行分析。并且认为，这是“最省时省力”的方法！你认同“人造的”最恶劣工况处理方法吗？我，不认同！技术要求的输入条件是独立事件技术要求A：A1，A2，A3技术要求B：B1，B2，B3技术要求C：C1，C2，C3恶劣程度是逐层递减的。所有最恶劣工况同时出现概率极低最恶劣工况≠A1+B1+C1静力学分析最严苛，热分析载荷也最严苛，这两个并不会同时出现的。分析“人造”出来的，不存在的恶劣工况是没有意义的实际工作过程不存在，也没有试验条件做这样的技术支持，分析将是费力不讨好的。举个例子：某航天器在力学最恶劣工况是在发射阶段，10000G的高过载冲击，技术指标提供冲击相应谱。航天器热分析最恶劣工况是在近地空间工作阶段，外部热流复杂+内部热流也复杂于是，“人造”一个最恶劣工况：10000G冲击+外部热流场？发射阶段和近地空间工作条件，是不能同时存在的。任何分析，第一步需要明确的是目标。为了解释现象、解决问题，有一套方法，为了让方案报告“好看”，这是另外一套方法，两者混到一起，肯定是会大乱套的！设计方案阶段，对于复杂的结构系统，技术要求：静力学、冲击响应谱、随机振动、高低温冲击，都来一遍，已经是够喝一壶的了，如果还要再来个参数组合，我真的是会奔溃！明确输出，需要和结构设计进行对接，这项工作特别重要。这里我是需要自我检讨的，沟通一直是我的弱项。前段时间居家办公时，同事发我一份仿真说明，不禁感慨，嚯！不愧是高手！一个仿真说明竟然写的这么好！技术要求只有两句话，这家伙，写了一页纸给我进行说明。作为反馈，我出了大概20页的分析报告。图：就是不想让你看清有限元分析工作本就是一项迭代性的工作，不要“人造”一些恶劣，弄一下不存在的挑战了。其实大可不必！上篇文章，邀请大家投票，结果出来了。感谢大家支持，甚至还收到私信，建议继续写结构有限元分析...然而，但是，我自己选的是计算流体力学...螺栓分析那篇，已经在写，不会鸽的！本文思路来源：《笑谈热设计》来源：认真的假装VS假装的认真