您是否想過工程師和制造商如何測試他們設(shè)計(jì)的耐用性、強(qiáng)度和安全性？如果您看過汽車廣告，您可能會相信工程師和設(shè)計(jì)師不斷地破壞他們的產(chǎn)品以測試其強(qiáng)度。您可能會得出結(jié)論，制造商會重復(fù)此過程，直到設(shè)計(jì)能夠承受巨大的損壞并達(dá)到可接受的耐用性點(diǎn)。

雖然工程師幾乎總是通過讓產(chǎn)品與實(shí)際物理力相互作用來測試產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)，但工程師和制造商也在實(shí)際測試之前使用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件 （CAE 軟件）來優(yōu)化強(qiáng)度和耐用性。使用軟件測試產(chǎn)品如何對現(xiàn)實(shí)世界的力作出反應(yīng)的過程稱為有限元分析 (FEA)。

什么是有限元分析？

有限元分析使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程、模型和模擬來 了解物體如何與物理力相互作用。這有助于工程師了解對象的持久性以及如何優(yōu)化它。

雖然 FEA 包含一系列復(fù)雜的步驟，但它可以分解為一個(gè)目標(biāo)：測試壓力源對物體的影響。

為什么要使用有限元分析？

有限元分析可以通過多種方式幫助工程師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。從歷史上看，工程師和制造商不得不一遍又一遍地手動重新設(shè)計(jì)對象，直到工程師確信最終設(shè)計(jì)在物理壓力下仍能保持完好無損。這需要進(jìn)行多次重新設(shè)計(jì)，這會延長設(shè)計(jì)過程，耗費(fèi)大量資金。

然而，通過有限元分析，設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的虛擬空間內(nèi)測試耐久性。這顯著縮短了項(xiàng)目交付時(shí)間，從而為制造商節(jié)省了金錢和時(shí)間，同時(shí)減少了材料浪費(fèi)。最終的結(jié)果是安全耐用的設(shè)計(jì)。

如何進(jìn)行有限元分析

有限元分析是一種使用數(shù)學(xué)過程的結(jié)構(gòu)分析方法。FEA 要求您將更大、更復(fù)雜的對象分解為更易于管理的部分。當(dāng)您不斷拆分結(jié)構(gòu)時(shí)，您會更好地了解對象將如何響應(yīng)壓力源。這種為 FEA 分解結(jié)構(gòu)的方法稱為有限元法(FEM)。

第 1 步：建模

在對物體建模時(shí)，應(yīng)該忽略復(fù)雜的幾何特征，看到物體的基本結(jié)構(gòu)。注意出于結(jié)構(gòu)原因而不是美學(xué)吸引力而存在的特征。了解為什么要刪除一個(gè)幾何方面同時(shí)保留另一個(gè)方面。

第 2 步：材料定義

正如步驟的名稱所暗示的那樣，應(yīng)在此處定義材料屬性。這些取決于正在執(zhí)行的分析類型。嘗試使用不同的材料來檢查哪種材料符合所需的需求。

第 3 步：定義負(fù)載

您的結(jié)構(gòu)不可能存在于真空中。此步驟可幫助您確定哪些外力作用在結(jié)構(gòu)上。它如何影響一個(gè)組件與另一個(gè)組件？

第 4 步：邊界條件

正如我們之前在數(shù)學(xué)問題中所做的那樣，設(shè)置結(jié)構(gòu)將存在的條件主要是為了降低問題的復(fù)雜性。如果我們事先知道條件，它可以幫助我們在計(jì)算時(shí)節(jié)省很多時(shí)間。

第 5 步：網(wǎng)格劃分

您的結(jié)構(gòu)的幾何形狀被分成更小的形狀，請稱為有限元。網(wǎng)格劃分只是意味著連接這些有限元的計(jì)算以創(chuàng)建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

注意：網(wǎng)格結(jié)構(gòu)越密集，結(jié)果就越精確。但是，隨著您添加節(jié)點(diǎn)，復(fù)雜的計(jì)算將會增加。

第 6 步：解決方案

簡單地說，就是將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。這將有助于將方程表示為矩陣。然后將奇異矩陣組裝成一個(gè)全局矩陣，然后求解未知變量。

此時(shí)，您的 FEM 計(jì)算軟件將為您的對象創(chuàng)建一個(gè)表示。不斷檢查不同的設(shè)計(jì)，看看哪一個(gè)適合您的要求。

有限元法實(shí)例

雖然有限元方法在理論上可能看起來很復(fù)雜，但實(shí)際用例使其更容易理解。

有限元方法的一個(gè)主要用例是測試橋梁的強(qiáng)度和耐久性。當(dāng)工程師設(shè)計(jì)一座橋梁時(shí)，美學(xué)往往會得到所有的榮耀。

作為消費(fèi)者和城市居民，我們將建筑的視覺吸引力置于其安全性和耐用性之上。這就是為什么世界上最著名的橋梁之一是舊金山美麗的金門大橋。

這是一座建筑杰作，在建造時(shí)是世界上最長的單跨懸索橋。它將馬林縣與舊金山市連接起來，并且在視覺上很吸引人。但是人們多久會想到設(shè)計(jì)這么大的結(jié)構(gòu)需要多少計(jì)劃呢？工程師是如何在沒有計(jì)算機(jī)軟件幫助的情況下建造一座屹立 80 多年的橋梁的？答案在于有限元法。

當(dāng)我們想到金門大橋時(shí)，就會明白工程師必須考慮的所有不同元素。這座橋?qū)嶋H上是一個(gè)橋面、橋塔、電纜、梁和基礎(chǔ)組合成一個(gè)能夠支撐 887,000 噸的單一物體。接下來，工程師必須測試這座橋?qū)Φ卣鸷蜑硡^(qū)常見的大風(fēng)的反應(yīng)。做到這一點(diǎn)的最佳方法是分解每個(gè)元素如何響應(yīng)物理力來構(gòu)建整個(gè)橋梁。

例如，在橋下增加了桁架系統(tǒng)，以加固甲板并減少道路對橋本身的張力。沒有它，橋就會坍塌。工程師們甚至在橋梁的兩端都放置了減震器，以幫助它承受地震力。如果沒有減震器，橋梁可能會在地震中倒塌。認(rèn)為金門大橋的工程師必須手動完成所有這些工作是令人難以置信的。然而，更令人印象深刻的是，他們只用了四年時(shí)間就完成了所有這一切——依靠有限元方法。

如今我們擁有計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，允許工程師在施工開始前進(jìn)行有限元分析。過去的工程師必須事先考慮所有這些因素，而今天的工程師可以使用軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)并確保設(shè)計(jì)的安全性。這就是為什么建造金門大橋在今天看起來會完全不同。借助 CAE 軟件，用戶可以修改結(jié)構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)以構(gòu)建耐用且安全的結(jié)構(gòu)。

完成結(jié)構(gòu)或物體的設(shè)計(jì)后，軟件會執(zhí)行有限元分析。在橋梁的情況下，這主要涉及重量對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的直接應(yīng)力。然后，該軟件可以識別橋梁的哪些元素在特定應(yīng)力下會失效，以及橋梁是否會倒塌。使用有限元分析，工程師可以快速識別需要重新設(shè)計(jì)的區(qū)域。

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不過現(xiàn)在的有限元仿真對本地電腦要求還是挺高的，一般都要求工作站的配置或者云服務(wù)的方式來跑仿真計(jì)算，而且加上現(xiàn)在的專業(yè)軟件都是越做越大，功能成倍成倍地增加，而處理的對象也是越來越復(fù)雜，特別是使用一些仿真軟件在高精度下建模仿真的時(shí)候，因?yàn)镻C上硬件的發(fā)展速度慢于軟件功能復(fù)雜化的速度，就造成了我們的仿真看起來是越跑越慢了。那么相對比傳統(tǒng)的工作站推薦大家選擇贊奇云工作站來進(jìn)行仿真計(jì)算，高效辦公。

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