什么是有限元分析？能用来干什么

您是否想过工程师和制造商如何测试他们设计的耐用性、强度和安全性？如果您看过汽车广告，您可能会相信工程师和设计师不断地破坏他们的产品以测试其强度。您可能会得出结论，制造商会重复此过程，直到设计能够承受巨大的损坏并达到可接受的耐用性点。

虽然工程师几乎总是通过让产品与实际物理力相互作用来测试产品的最终设计，但工程师和制造商也在实际测试之前使用计算机辅助工程软件 （CAE 软件）来优化强度和耐用性。使用软件测试产品如何对现实世界的力作出反应的过程称为有限元分析 (FEA)。

什么是有限元分析？

有限元分析使用复杂的数学方程、模型和模拟来 了解物体如何与物理力相互作用。这有助于工程师了解对象的持久性以及如何优化它。

虽然 FEA 包含一系列复杂的步骤，但它可以分解为一个目标：测试压力源对物体的影响。

为什么要使用有限元分析？

有限元分析可以通过多种方式帮助工程师和制造商加快其日常工作的核心功能。

有限元分析大大降低了制造成本。从历史上看，工程师和制造商不得不一遍又一遍地手动重新设计对象，直到工程师确信最终设计在物理压力下仍能保持完好无损。这需要进行多次重新设计，这会延长设计过程，耗费大量资金。

然而，通过有限元分析，设计人员可以在计算机辅助工程软件的虚拟空间内测试耐久性。这显着缩短了项目交付时间，从而为制造商节省了金钱和时间，同时减少了材料浪费。最终的结果是安全耐用的设计。

如何进行有限元分析

有限元分析是一种使用数学过程的结构分析方法。FEA 要求您将更大、更复杂的对象分解为更易于管理的部分。当您不断拆分结构时，您会更好地了解对象将如何响应压力源。这种为 FEA 分解结构的方法称为有限元法(FEM)。

第 1 步：建模

在对物体建模时，应该忽略复杂的几何特征，看到物体的基本结构。注意出于结构原因而不是美学吸引力而存在的特征。了解为什么要删除一个几何方面同时保留另一个方面。

第 2 步：材料定义

正如步骤的名称所暗示的那样，应在此处定义材料属性。这些取决于正在执行的分析类型。尝试使用不同的材料来检查哪种材料符合所需的需求。

第 3 步：定义负载

您的结构不可能存在于真空中。此步骤可帮助您确定哪些外力作用在结构上。它如何影响一个组件与另一个组件？

第 4 步：边界条件

正如我们之前在数学问题中所做的那样，设置结构将存在的条件主要是为了降低问题的复杂性。如果我们事先知道条件，它可以帮助我们在计算时节省很多时间。

第 5 步：网格划分

您的结构的几何形状被分成更小的形状，请称为有限元。网格划分只是意味着连接这些有限元的计算以创建网格结构。

注意：网格结构越密集，结果就越精确。但是，随着您添加节点，复杂的计算将会增加。

第 6 步：解决方案

简单地说，就是将偏微分方程转化为代数方程。这将有助于将方程表示为矩阵。然后将奇异矩阵组装成一个全局矩阵，然后求解未知变量。

此时，您的 FEM 计算软件将为您的对象创建一个表示。不断检查不同的设计，看看哪一个适合您的要求。

有限元法实例

虽然有限元方法在理论上可能看起来很复杂，但实际用例使其更容易理解。

有限元方法的一个主要用例是测试桥梁的强度和耐久性。当工程师设计一座桥梁时，美学往往会得到所有的荣耀。

作为消费者和城市居民，我们将建筑的视觉吸引力置于其安全性和耐用性之上。这就是为什么世界上最著名的桥梁之一是旧金山美丽的金门大桥。

这是一座建筑杰作，在建造时是世界上最长的单跨悬索桥。它将马林县与旧金山市连接起来，并且在视觉上很吸引人。但是人们多久会想到设计这么大的结构需要多少计划呢？工程师是如何在没有计算机软件帮助的情况下建造一座屹立 80 多年的桥梁的？答案在于有限元法。

当我们想到金门大桥时，就会明白工程师必须考虑的所有不同元素。这座桥实际上是一个桥面、桥塔、电缆、梁和基础组合成一个能够支撑 887,000 吨的单一物体。接下来，工程师必须测试这座桥对地震和湾区常见的大风的反应。做到这一点的最佳方法是分解每个元素如何响应物理力来构建整个桥梁。

例如，在桥下增加了桁架系统，以加固甲板并减少道路对桥本身的张力。没有它，桥就会坍塌。工程师们甚至在桥梁的两端都放置了减震器，以帮助它承受地震力。如果没有减震器，桥梁可能会在地震中倒塌。认为金门大桥的工程师必须手动完成所有这些工作是令人难以置信的。然而，更令人印象深刻的是，他们只用了四年时间就完成了所有这一切——依靠有限元方法。

如今我们拥有计算机辅助工程软件，允许工程师在施工开始前进行有限元分析。过去的工程师必须事先考虑所有这些因素，而今天的工程师可以使用软件优化设计并确保设计的安全性。这就是为什么建造金门大桥在今天看起来会完全不同。借助 CAE 软件，用户可以修改结构几何结构以构建耐用且安全的结构。

完成结构或物体的设计后，软件会执行有限元分析。在桥梁的情况下，这主要涉及重量对结构产生的直接应力。然后，该软件可以识别桥梁的哪些元素在特定应力下会失效，以及桥梁是否会倒塌。使用有限元分析，工程师可以快速识别需要重新设计的区域。

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不过现在的有限元仿真对本地电脑要求还是挺高的，一般都要求工作站的配置或者云服务的方式来跑仿真计算，而且加上现在的专业软件都是越做越大，功能成倍成倍地增加，而处理的对象也是越来越复杂，特别是使用一些仿真软件在高精度下建模仿真的时候，因为PC上硬件的发展速度慢于软件功能复杂化的速度，就造成了我们的仿真看起来是越跑越慢了。那么相对比传统的工作站推荐大家选择赞奇云工作站来进行仿真计算，高效办公。

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