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以下是正文：

每個行業的工程師都將有限元分析（FEA）集成到設計周期中，以確保其產品安全，具有成本效益并且可以快速推向市場。 但是，分析并不像將CAD模型放入任何FEA包中那樣簡單。

今天有比以往更多的軟件選項。多年以來，工程師一直只能使用線性靜應力分析。最近，有限元軟件包已經擴展到包括非線性靜態應力，動態應力（振動），流體流動，傳熱，靜電以及基于FEA的應力和運動分析功能。通常將這些功能組合在一起以執行考慮多種物理現象的分析，并將其緊密集成在CAD界面中。

本文將簡要討論一些FEA基礎知識，然后概述工程師在決定使用FEA時需要了解的內容。

1.     FEA基礎知識。有限元模型是要分析的連續物理零件的離散表示。該表示是使用節點創建的，這些節點連接在一起形成表單元素。節點是物理零件上的離散點，在該點上，分析將預測由于施加的載荷而導致零件的響應。根據節點自由度（DOF）定義此響應。對于應力分析，根據所選的元素類型（例如梁，板，2D和3D元素），每個節點最多可以有六個自由度（平移三個分量和旋轉三個分量）。公共節點上的連接元素網格包括網格。 當相鄰元素共享節點時，位移場在共享元素邊界上是連續的，并且可以在元素之間傳遞載荷。

2.     設計標準。 在任何分析中，工程師首先需要確定零件將要暴露于的重要物理現象和環境條件，以及所需的設計目標。 例如，工程師最普遍關注的問題之一就是最大化零件的耐用性。分析的第一步是確定設計是否要經受靜態或動態條件。 在其實際應用中，零件是固定在空間中，受到振動還是相對于裝配中的其他零件移動？ 當您在整個運動周期中運行整個產品時，會發生什么？ 多年來，面對昂貴的計算資源的工程師通過使用靜態FEA軟件在單個時刻及時計算壓力來簡化該問題。 僅當設計在一段時間內沒有受到沖擊，運動或施加的負載變化時，此方法才有效。

3.     3.多物理場。 除了考慮零件承受機械應力的能力之外，FEA軟件還經常使工程師能夠預測其他實際應力，例如：極端溫度或溫度變化的影響（傳熱分析），流體流過物體和圍繞物體的流動 （流體流動分析），或對象的整個表面或整個體積上的電壓分布（靜電分析）。這些影響通常是一致起作用的，因此，FEA程序必須考慮它們彼此之間的影響，這一點很重要。 例如，計算機芯片可能會隨著時間的流逝而發熱，被來自風扇的氣流冷卻，與其他零件振動并帶電。 一種典型的方法可能是隔離并計算每個變量，然后一次將結果輸入到FEA程序中。 但是，每個變量也會影響所有其他變量，因此通常需要使用耦合分析或用于關聯結果的工具。

4.     運動仿真。 使用當今更便宜，更快的計算機，FEA的增長趨勢是使用有限元模型來模擬大規模運動。 過去，設計過程需要能夠構建用于不同用途（設計，加工或分析）的模型的專家。 但是，借助唾手可得的更多計算能力，當今的工程師可以針對所有三個需求使用相同的模型，甚至可以從其臺式機執行運動分析。 共有三種常用方法：運動載荷傳遞要求工程師使用兩個應用程序：運動學軟件包用于獲取近似載荷，然后將其輸入到FEA程序中進行分析。 這種方法不模擬有限元模型的運動，而只是模擬許多近似的靜態點。 它比手工計算應力要快，但是它使用剛體運動程序，因此工程師必須接受某些假設。 例如，諸如墊圈之類的零件是柔性的，但是剛體程序無法計算出來。顯式時間步方法使用大量短時間間隔來模擬模型的實際運動。它通過沿時間“前進”來確定解決方案，從先前時間步的解決方案中推斷出來。在給定的時間間隔內，此方法速度很快，但是對于整個場景而言，它可能會花費太長時間。例如，如果您要模擬撞在電線桿上的汽車，那么使用這種方法來考慮實際沖擊時刻將是不切實際的。基于FEA的應力和運動分析的隱式時間步方法和自動時間步方案可以通過以較大的時間步運行相對不活動的時間段（例如恒定的加速或減速）來模擬模型的運動周期，然后自動減少時間步大小以捕獲關鍵活動的周期，例如表面間接觸，局部屈曲或沖擊。因此，針對零件的運動，變形和應力的精確解決方案變得實用。但是，與往常一樣，在速度上需要進行一些權衡，因為這種方法會計算每個時間點的結果。

5.     建模。 在確定所需的分析類型和操作環境的特征之后，工程師必須生成具有適當分析參數（例如載荷，約束和適當網格）的有限元模型。 CAD / FEA互操作性的三種可用方法在易用性，準確性和功能性方面可以有很大不同：CAD通用文件格式方法要求工程師將CAD實體模型導出為中性文件格式（例如IGES，ACIS或Parasolid），然后將中性文件導入FEA系統以進行設置和分析。 盡管此方法通常使工程師能夠充分利用FEA程序，但在轉換模型時也可能導致CAD幾何數據丟失。 因此，這不是理想的方法，因為它有時涉及使用問題的簡化版本。“一窗口式” CAD / FEA方法不需要文件翻譯，因為FEA供應商將分析功能內置到CAD實體建模器中。用戶選擇此選項是因為它易于使用，因為他們可以從單個應用程序中的下拉菜單訪問FEA功能。但是，由于空間和接口的限制，FEA提供程序通常會簡化其單窗口版本。另外，由于FEA公司必須針對每個CAD供應商的軟件量身定制其產品才能集成這兩個產品，因此它也可能受到限制。因此，如果CAD / FEA互操作性方法是在多CAD環境中或具有中等到高級的分析功能，則工程師可能需要購買和學習其他軟件。“一個窗口之外”的CAD / FEA方法也不需要文件翻譯，但是它具有額外的功能，可以在與CAD實體建模器不同的計算機上執行FEA分析，并且可以使用單個界面處理多個CAD軟件包。主要區別在于FEA在單獨的應用程序中運行，因此FEA供應商可以提供更完整的版本（例如，包括更多的元素類型，網格和分析選項），而無需其他分析軟件。這種方法的一個可能的缺點是，工程師必須同時學習CAD和FEA軟件。

6.     結果解釋。工程師獲得分析結果后，他或她不可避免地會問：“我怎么知道我的答案是正確的？”因此，FEA軟件必須提供結果驗證或確認工具。理想情況下，這些工具不僅包括位移，應力或其他結果輪廓，而且還包括提供定性和定量驗證的精密輪廓。通常，工程師所做的分析和建模選擇將決定解釋結果的難易程度。例如，如果執行了線性靜應力分析，則僅在單個時間點的輪廓將可用。需要以某種方式解釋顯示的應力，例如將值與分析中使用的材料的屈服應力進行比較。此外，工程師還假設在線性靜態應力分析中分析的那一瞬間代表了最壞的情況。另一方面，如果在實體裝配體上執行基于FEA的應力和運動分析，則解釋結果將容易得多，因為可以看到模型隨時間移動，彎曲，彎曲甚至斷裂。這些與時間有關的結果可以記錄在動畫文件中，例如Windows .avi格式。除動畫功能外，工程師應期望FEA軟件具有快速，易于使用的可視化工具，以查看和呈現所有分析類型的結果以及其他集成的顯示選項，例如用于生成結果輪廓圖像文件的自動選項。和繪圖，VRML文件和HTML報告。這些工具可用于準備向其他工程師甚至經理和客戶展示結果。仔細考慮此處討論的分析，建模和結果解釋問題，將有助于工程師對他們的FEA結果的有效性更有信心地展示其設計。

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