万物皆可仿！吃货眼中的CAE仿真

我想问一下大家，你知道有限元仿真分析常见的有哪些吗？它们的作用是什么？如果你只是有个概念但并不是有很深的了解，这篇内容正好就能为你解惑。CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、弹塑性等力学性能的分析计算，以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。常见的CAE有限元仿真分析，我给总结出有以下八种：一、静态结构分析静态结构分析是结构设计与强度校核的基础，主要是计算在固定不变的载荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡惯性载荷）结构的响应（位移、应力、应变和力），不考虑惯性和阻尼的影响。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。结构线性静力分析中，假定结构中的工作应力小于结构材料的屈服应力，因此应力应变关系服从胡克定律，具有线性关系。同时结构的变形（位移）相对结构的总体尺寸来说又是很小的，所以问题可以用线性方程计算。二、模态分析模态分析是结构动力分析的基础。模态也就是结构产生自由振动时的振动形态，也称为振型。每一个自由振动的固有频率都对应一个振型，一般说系统有多少自由度就有多少个固有频率。模态分析的目标是确定系统的模态参数，即系统的各阶固有频率和振型，为结构系统的动力特性分析和优化设计提供依据。三、屈曲分析屈曲分析是一种用于确定结构失去稳定性的临界载荷和屈曲模态形状的技术，广泛应用于细薄结构的设计分析中。在通常的结构分析中，结构处于一个稳定平衡的状态。但是有一些承受较大压应力的细薄结构，例如细长的受压杆、受到较大水压的深海容器等，当它们所受到的压应力达到某个临界值时，原来的平衡状态就会变得不稳定，受压的直杆会因为失去稳定性而变弯曲，受到高水压的容器会因为失稳而压瘪。四、非线性分析非线性分析主要包括几何非线性、材料非线性和接触非线性等。几何非线性问题是指结构的变形比较大，使应力和应变之间不能再用线性关系来表示，很大的位移也可能使外力之间的平衡关系改变，以致不能继续采用线性分析。材料非线性问题是由于载荷过大等因素的影响，当结构中的应力达到或超过材料的屈服应力时，材料的应力应变关系不再符合虎克定律，也可能一些材料的应力应变关系本来就不服从虎克定理，这种问题统称为材料非线性问题，如弹塑性问题、超弹性问题和蠕变问题等。接触问题是指系统的刚度由于系统状态的改变在不同值之间突然变化。接触是一种很普遍的非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题有两大难点，一是在求解问题之前，不知道接触区域表面之间是接触的、分开的还是突然变化的，这随着载荷、材料、边界条件等因素而定；二是接触问题常需要计算摩擦，各种摩擦模型是非线性的，这使得问题的收敛变得困难。五、结构动力学分析结构动力学主要解决两个问题：一是寻求结构的固有频率和主振型，了解振动特性；另一个就是分析结构的动力响应特性，计算结构受到动载荷时的动位移、动应力和动应变的大小及其变化规律。根据动载荷的不同，动力响应计算主要分以下几类：频率响应分析：主要用于计算结构在简激励作用下的稳态动力响应。频率响应分析中，载荷是时间的谐函数，需要指定它的大小、频率和相位。频率响应分析限于线弹性结构。瞬态响应分析：用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应，确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的任意组合作用下，随时间变化的位移、应力、应变。分为直接瞬态响应分析和模态瞬态响应分析。两种方法均可考虑强迫刚体 位移作用。六、疲劳分析疲劳是指结构在低于静态强度极限的载荷重复作用下，出现初始裂纹、裂纹扩展，直到裂纹疲劳断裂的现象。影响疲劳破坏的原因很多，主要考虑的是载荷的循环特征和循环次数、构件材料的疲劳特性、构件的应力分布，以及构件的形状、大小尺寸以及材料表面热处理等因素。七、热传导分析热传导分析通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特性，可以计算出结构内的温度分布状况，并直观地看到结构内潜热、热点位置及分布。八、设计优化设计优化是为满足特定优选目标（如最小重量、最大第一阶固有频率或最小噪声级等）的综合设计过程。这些优选目标称之为设计目标或目标函数。优化实际上含有折中的含义，例如结构设计的更轻就要用更少的材料，这样一来结构就会变得脆弱，因此就要限制结构件在最大许用应力下或最小失稳载荷下等的外形及尺寸厚度。类似地，如果要保证结构的安全性就要在一些关键区域增加材料，但同时也意味着结构会加重。CAE有限元仿真分析在工程中具有广泛的应用，能够帮助工程师们更好地理解和优化产品或结构的性能。这也就是为什么很多企业都离不开CAE仿真分析，不仅降本增效，还能提前规避产品设计风险、减少试验时间和经费等。注：本文部分素材/图片来源于网络,如有侵权请联系删除。来源：纵横CAE