你有正確的使用有限元軟件么？

2017-04-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

有限元軟件已經(jīng)日益在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。一些學(xué)校也紛紛開設(shè)了有限元入門的相關(guān)課程,對(duì)土木,力學(xué),機(jī)械類的高年級(jí)大學(xué)生講解有限元軟件使用。這是非常好的事情,它對(duì)于促進(jìn)我國(guó)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)無疑有著重要的意義。

但與此同時(shí),也出現(xiàn)一些令人不安的現(xiàn)象。例如:一些學(xué)生僅僅只知道了有限元的皮毛,對(duì)于軟件,只能說是剛剛會(huì)使用,但是他們就已經(jīng)直接開始分析一些復(fù)雜的工程問題,并且把分析結(jié)果當(dāng)做是真實(shí)的結(jié)果,并且用這種分析結(jié)果定量的指導(dǎo)自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這實(shí)在令人擔(dān)心。

有限元方法本身并沒有問題,它的確是可以得到許多工程問題的正確結(jié)論的,但是前提是使用得法。筆者發(fā)現(xiàn),有些學(xué)生在解決動(dòng)力學(xué)問題時(shí),只是簡(jiǎn)單的用靜力學(xué)問題進(jìn)行模擬,然后乘以一個(gè)自以為的安全系數(shù)來推斷動(dòng)力學(xué)問題的答案。如果只是做的玩玩可以,但是如果把這種結(jié)果用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中,則潛伏著巨大的隱患。

筆者列舉一個(gè)例子來說明此問題。

一根懸臂梁,長(zhǎng)1米,截面是直徑為10mm的圓形,材料為一般鋼材。在自由端受到一個(gè)垂直于梁軸線的集中力,大小是1N,該力是一個(gè)簡(jiǎn)諧激勵(lì),在0-200HZ之間變化。如下圖,要對(duì)該梁做強(qiáng)度分析。

首先進(jìn)行靜力學(xué)分析。用默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分,在軸線方向的正應(yīng)力結(jié)果如下

可見,最大應(yīng)力發(fā)生在固定端,大小是1.13e7Pa.

然后進(jìn)行模態(tài)分析,得到前6階固有頻率如下

接著進(jìn)行諧響應(yīng)分析,掃頻0-200HZ,并均分100等份,取固定阻尼比為0.002,則應(yīng)力的幅值-頻率曲線如下

可見,最大應(yīng)力達(dá)到1.79e8Pa.,是靜應(yīng)力的17.9/1.13 = 15.8倍。

取固定阻尼比為0.01,則應(yīng)力的幅度值-頻率曲線如下

可見,最大應(yīng)力達(dá)到9,19e7Pa.,是靜應(yīng)力的9.19/1.13 = 8.13倍。

可見,對(duì)于動(dòng)力學(xué)問題,并不能夠直接用靜力學(xué)問題得到結(jié)論以后,就乘以一個(gè)想當(dāng)然的1-2的安全系數(shù)就可以代表動(dòng)力學(xué)結(jié)果。

上述想當(dāng)然的現(xiàn)象在有限元分析中屢有發(fā)生。當(dāng)這種情況多次發(fā)生時(shí),就使得客戶開始漸漸不再相信有限元分析的結(jié)果,以為它只是一個(gè)擺設(shè),這嚴(yán)重影響了有限元的可信度和它的傳播。

希望從事CAE工作的工程師們警醒,有限元雖然是一把利器,但是一定要合理使用。我們要清醒的意識(shí)到,使用有限元軟件并沒有那么容易,它底層蘊(yùn)含著大量的專業(yè)學(xué)科知識(shí)。ANSYS并非僅僅是ANSYS,它只是用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言表達(dá)了一系列力學(xué),傳熱學(xué),電磁學(xué)的結(jié)論和算法。如果我們并不能對(duì)某個(gè)實(shí)際問題進(jìn)行正確建模,而貿(mào)然去使用軟件的話,那么我們所做的分析結(jié)果可能完全不可信,距離真實(shí)結(jié)果有相當(dāng)?shù)牟罹?。如果用這種結(jié)果去進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),那么我們所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是具有相當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)的。

從這個(gè)方面來說,學(xué)習(xí)有限元軟件,真的是任重道遠(yuǎn),它要耗費(fèi)我們相當(dāng)?shù)木?要得到一個(gè)真實(shí)可信的結(jié)果,的確沒有那么容易。

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