Introducere în analiza cu element finit
Scurt istoric
Analiza cu element finit (FEA) a fost dezvoltat pentru prima oară în 1943 de către R. Courant, care a utilizat metoda Ritz de analiza numerica si minimizarea calcul variationale pentru a obţine soluţii aproximative la sistemele de vibraţii. La scurt timp după aceea, o lucrare publicata in 1956 de către MJ Turner, Clough RW, Martin HC, şi Topp LJ stabilit o definiţie mai largă a analiza numerică. Lucrarea centrat pe "rigiditate şi deviere a structurilor complexe".
Până la începutul anilor '70, FEA a fost limitat la computere mainframe scumpe, în general, deţinute de aeronautică, automobile, de apărare, şi industriile nucleare. Având în vedere că declinul rapid în costul de calculatoare şi creşterea fenomenale în putere de calcul, FEA a fost dezvoltat pentru o precizie incredibilă. Supercomputere prezent zi sunt acum în măsură să producă rezultate precise pentru toate tipurile de parametri.
Ce este Analiza element finit?
FEA constă dintr-un model de calculator a unui material sau de design, care este accentuat şi analizate pentru rezultate specifice. Este folosit în design de produs nou, şi rafinament produse existente. O companie este capabil să verifice un desen sau model propus va fi în măsură să efectueze la specificaţiile clientului, înainte de fabricaţie sau de construcţie. Modificarea unui produs existent sau a structurii este utilizat pentru a califica produsul sau structura pentru o afecţiune nou serviciu. În caz de eşec structurale, FEA pot fi utilizate pentru a ajuta la determinarea modificarilor de design pentru a satisface stare nouă.
Există, în general, două tipuri de analiză, care sunt folosite în industrie: 2-D de modelare, şi de modelare 3-D. În timp ce 2-D modelare conservă simplitate şi permite analiza pentru a fi rulat pe un calculator relativ normală, tinde să dea rezultate mai puţin precise.Modelare 3-D, cu toate acestea, produce rezultate mai precise în timp ce sacrifica capacitatea de a rula pe toate, dar cele mai rapide calculatoare în mod eficient. În cadrul fiecăreia dintre aceste sisteme de modelare, programator pot insera algoritmi numeroase (functii) care pot face ca sistemul se comportă liniar sau non-linear. Sistemele liniare sunt cu mult mai puţin complex şi, în general, nu iau în considerare deformare plastica. Sisteme neliniare face cont pentru deformare plastică, şi, de asemenea, multe sunt capabile de testare a unui material de tot drumul la fracturi.
Cum functioneaza analiza cu element finit?
FEA utilizează un sistem complex de puncte numite noduri care să facă o grilă numit ochiurilor de plasă (Figura 2). Acest ochiului de plasă este programat să conţină materiale şi proprietăţile structurale care definesc modul în care structura va reactiona la anumite condiţii de încărcare. Nodurile sunt atribuite la o densitate anumit întreg materialul în funcţie de nivelul de stres anticipat de o anumită zonă.Regiunile care vor primi sume mari de stres au de obicei o densitate nod mai mari decât cele pe care experienţa de stres puţin sau deloc. Puncte de interes poate consta din: punctul fractură de materiale testate anterior, fileuri, colţuri, detaliile complexe, şi în zona de mare stres. Ochiurilor de plasă acţionează ca o plasă de păianjen, în care de la fiecare nod, există un element ochiurilor de plasă se extinde la fiecare dintre nodurile adiacente. Acest web a vectorilor este ceea ce poarta proprietatile materialului la obiect, crearea de multe elemente. (Teoria)
O gama larga de functii obiectiv (variabile în cadrul sistemului) sunt disponibile pentru reducerea la minimum sau de maximizare:
- Masă, volum, temperatură
- Tulpina de energie, tulpina de stres
- Forţă, deplasare, viteza, acceleraţia
- Sintetice (definite de utilizator)
Există mai multe condiţii de încărcare care poate fi aplicat la un sistem. Înainte de a Figura 3, câteva exemple sunt prezentate:
- Punctul, presiune (Figura 3), gravitate termică, şi sarcini statice centrifugal
- Sarcinile termice din soluţie de analiză de transfer de căldură
- Deplasări forţate
- Fluxul de căldură şi de convectie
- Obiective, presiune şi gravitatea sarcini dinamice
Fiecare program FEA poate veni cu un element de bibliotecă, sau unul este construit-a lungul timpului. Unele elemente eşantion sunt:
- Rod elemente
- Beam elemente
- Placă / Shell / elemente compozite
- Forfecare panou
- Elemente solide
- Elemente de primăvară
- Mass elemente
- Elemente rigide
- Vâscos elemente de amortizare
Multe programe FEA, de asemenea, sunt echipate cu capacitatea de a folosi mai multe materiale în cadrul structurii, cum ar fi:
- Izotrop, identice pe întreg
- Ortotrope, identice la 90 de grade
- Anizotrope generale, diferite pe parcursul
Tipuri de analiză Inginerie
Structurale analiza constă în modele liniare şi neliniare. Modele liniare utilizează parametrii şi simplu presupune că materialul nu este plastic deformat. Non-liniar modele constau din subliniind materialului trecutul capacităţile sale elastice. Subliniază în materialul, apoi variază în funcţie de cantitatea de deformare ca în Figura 4.
Vibrationala analiză este folosit pentru a testa un material impotriva vibratiilor aleatoare, şoc, şi impactul. Fiecare dintre aceste incidente pot acţiona pe frecvenţa de vibraţie naturală a materialului, care, la rândul său, poate provoca insuficienţă rezonanţă şi ulterior.
Oboseala analiză ajută proiectanţii pentru a prezice durata de viaţă a unui material sau structura arătând Efectele încărcării ciclice pe specimen. O astfel de analiză se poate arăta zonele în care propagarea fisurilor este cel mai probabil să apară. Eşecul din cauza oboselii poate arăta, de asemenea, daune de toleranţă materiale (Figura 5).
Transfer de căldură modelelor de analiză de conductivitate termica sau dinamica fluidelor a materialului sau a structurii (Figura 1). Aceasta poate consta dintr-un transfer de la starea de echilibru sau tranzitorii. La starea de echilibru de transfer se referă la thermoproperties constantă în materialul care randamentul difuzie căldură liniare.
Rezultate din analiza cu element finit
FEA a devenit o soluţie la sarcina de a prezice eşec datorat unor solicitări necunoscute arătând zonele cu probleme într-un material şi permiţând proiectanţilor pentru a vedea toate subliniază teoretice în termen de. Această metodă de design de produs şi de testare este mult superioară la costurile de fabricaţie, care ar acumula dacă fiecare probă a fost de fapt construit şi testat.