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誤區(qū)、技巧、建模原則及建議—大型有限元軟件應(yīng)用淺談

時間：2021-08-11 來源：歐標美標壓力容器設(shè)計 瀏覽：
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原文出處：兆文忠，謝素明，李福，范國海. 誤區(qū)、技巧、建模原則及建議—大型有限元軟件應(yīng)用淺談[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報,2000,21(3):1-6.
誤區(qū)、技巧、建模原則及建議—大型有限元軟件應(yīng)用淺談
兆文忠1，謝素明1，李福2，范國海2
(1.大連鐵道學(xué)院機械工程系，遼寧大連，16028; 2.齊齊哈爾車輛集團技術(shù)開發(fā)中心，黑龍江齊齊哈爾，61000)
摘要:討論了當前工廠有些人員面對有限元技術(shù)的兩個誤區(qū)，并有針對性地提出了學(xué)習(xí)使用大型有限元軟件的一些技巧.提出了三個建模原則及幾點建議供大家討論與思考.
 
在CAD/CAE/CAM數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)中，CAD技術(shù)重視的是產(chǎn)品的幾何造型，而CAE技術(shù)重視的是產(chǎn)品的性能分析、仿真與優(yōu)化.誠然，一個產(chǎn)品的幾何形狀很重要，但是產(chǎn)品性能更重要，因為產(chǎn)品的價值主要取決于它的性能.因此，作為CAE核心的有限元技術(shù)在數(shù)值模擬仿真軟件系統(tǒng)中，扮演著極其重要的角色.但是，怎樣在產(chǎn)品設(shè)計中得心應(yīng)手地用好有限元技術(shù)，除了深人系統(tǒng)地閱讀有關(guān)有限元專業(yè)的書本知識以外，還應(yīng)當透過書本走出兩個誤區(qū).
1誤區(qū)的思考
第一個誤區(qū)與領(lǐng)導(dǎo)決策者有關(guān)，因為他們當中有的認為當前有限元軟件自動化水平很高，因而把“算題”視為是一件很容易的事.產(chǎn)生這種傾向的主要原因之一是某些軟件推銷商的誤導(dǎo).在他們宣傳中，使用他們的有限元軟件算題，不過是“按一下火箭點火的按鈕”，其余的事全由計算機自動完成了.其實，這種看法經(jīng)常會在實際問題面前碰得頭破血流.第二個誤區(qū)與工廠設(shè)計人員自身有關(guān).當他們與當前這些有限元軟件打過一段時間的交道后，開始承接領(lǐng)導(dǎo)安排的計算任務(wù)，可是計算結(jié)果經(jīng)常被人懷疑，甚至包括他們自己，幾次碰壁以后，信心一落千丈，反而認為有限元技術(shù)太神秘，高深莫測，“掉進去就出不來”.其實，這是從一極端走向另一個極端.
對怎樣引導(dǎo)走人第一個誤區(qū)的人，此處不想多說.對于走人第二個誤區(qū)的人，提供兩點建議供思考:①由淺人深:從有理論解析解的各類考題人手.實際工程分析中，沒有一個問題是可以從教科書中找到標準答案的.那么，怎么證明你的有限元模型正確，計算結(jié)果令人信服呢?這的確是一個非常費腦筋的涉及到有沒有信心回答“我作對了”的大問題.因此，對于剛剛掌握有限元技術(shù)的人，建議由淺人深，尋找一些教科書上有標準答案的各類考題，將這些考題編輯成有限元模型，然后求解.“榜樣的力量是無窮的”，雖然這是一句政治名言，但是其道理對掌握有限元技術(shù)也適用.由于有標準答案可以比較，對求解過程中出現(xiàn)的錯誤就很容易判斷與糾正.每當你糾正了一個錯誤之后，你就實實在在的前進了一步.②由易到難:用小模型去理解不易捉摸的大道理以突破難點.有些問題涉及到許多力學(xué)問題的交叉滲透，教科書中也無例可查.這時，建議將你要求解的復(fù)雜問題簡化、簡化、再簡化，一直到很容易預(yù)計出它當中那些規(guī)律性的東西為止.例如，當一個有限元分析任務(wù)中不但涉及到接觸問題，而且還涉及到溫度熱應(yīng)力問題時，邊界幾何非線性的接觸問題將與具有三類邊界條件的熱傳導(dǎo)問題交叉重迭.用什么樣的方法解決這個難題呢?不妨建議先建立有兩個立方體的有限元小模型，然后設(shè)定兩個面互相接觸.首先，在接觸面之間設(shè)置接觸單元(可以是點對點或點對面單元);同時，在接觸面之間設(shè)置禍合關(guān)系以模擬溫度下傳(假設(shè)接觸面之間沒有溫度耗散)，然后解之.這是一個很容易通過計算結(jié)果判斷計算模型中的技術(shù)處理是否正確可靠的小模型.一旦這個模型正確，相信你再把這些技術(shù)用于處理復(fù)雜的工程問題時，不僅因吃透了本質(zhì)信心大增，而且還可以在后續(xù)的工作中主動地去用這種“由易到難”的模式解決一些更復(fù)雜的問題.
2建模及原則
從一個被計算的工程對象中，抽象出一個能被計算機處理和求解的有限元模型的過程，就是通常所說的建模(Create Model).幾何、單元網(wǎng)絡(luò)、材料、載荷、邊界約束條件等是建模的主要內(nèi)容.然而，再好的有限元軟件，再高檔的計算機，也只能輔助用戶提高建模的效率而不指引方向，哪怕用戶的前面是萬丈深淵.
換句話說，計算機只對模型負責，至于該模型的質(zhì)量如何，主要取決于“算題人”的功
夫.由于抽象與理想化，被計算對象與計算模型之間的距離是客觀存在，有的CAD/CAE/CAM軟件中稱有限元法為仿真((Simulation)是非常有道理的，因為“仿”本身就是對這個距離的承認.問題的關(guān)鍵是怎樣力所能及地縮小這個距離，做到越仿越真.
下面提出的幾個原則可供大家商討:
1) 定性力學(xué)原則
從來沒有一本書命名為《定性力學(xué)》，之所以提出這個概念，是為了區(qū)別于可以精確計算出具體結(jié)果的一切經(jīng)典力學(xué).然而，正是有了這些經(jīng)典力學(xué)，定性力學(xué)才有了基礎(chǔ)，如果把前者比喻為經(jīng)濟基礎(chǔ)，那么后者是上層建筑.
《定性力學(xué)》集一切力學(xué)的基本原理、原則之大成，只作指引方向的定性分析，它的判斷可以是模糊的，但又是科學(xué)的.例如:對一個設(shè)計，它不關(guān)心變形到底多大，應(yīng)力到底多少，它關(guān)心的是哪兒應(yīng)該大，哪兒應(yīng)該小;哪兒的梁柱就是梁柱，哪兒的梁柱其實不應(yīng)看成是梁柱;圖紙上許多過渡圓角，哪些可以不必理睬，哪些則必須認真對待等等.這些判斷憑借的是力學(xué)的基本原理和原則.在建模之前，充分運用定性力學(xué)的知識仔細觀察與分析計算對象，對建模是大有益處的.其次，還應(yīng)該注意到，充分運用定性力學(xué)知識，通過對計算結(jié)果的仔細考查以判斷模型是否符合理論的期望規(guī)律，這一點也很重要，因為象我們所計算的這些工程對象，在教科書上是絕對找不到類似的標準答案來比較的.
以平車為例，在垂直載荷作用下，從定性力學(xué)的宏觀角度看，平車幾乎可以看成是一個心盤兩端有外伸的簡支梁.有了這樣一個認一識，建模時，哪兒該細致一些，哪兒該粗糙一些就會盡在掌握之中，胸有成竹.如果計算結(jié)果給出的變形規(guī)律與外伸簡支梁矛盾，雖然不能指出具體值應(yīng)該多大，但是說明模型中有間題絕對是不容置疑的.
2) 主要矛盾原則(傳力路徑原則)
一個結(jié)構(gòu)，不管多么復(fù)雜，在給定的載荷作用下，從對結(jié)構(gòu)的強度與剛度貢獻大小的角度看，一定有主要承載構(gòu)件與次要承載構(gòu)件，正象舞臺上有主要角色與次要角色一樣.進行建模時，一定抓住有主要貢獻的承載構(gòu)件，在這上面細心做文章，這樣的模型才會有主心骨，經(jīng)得起實際考驗.
仍以前面提到的平車為例，既然宏觀上是外伸簡支梁，那么處于自由端的端梁大可不
必過細考慮，因為它既不對剛度有主要貢獻，也不對強度有主要貢獻.
當然，在某些功能要求下，次要角色可以轉(zhuǎn)化為主要角色，主要與次要是有條件的，相對的，可以轉(zhuǎn)化的.或許有人要問:當結(jié)構(gòu)很復(fù)雜時，怎么確認主次呢?為了回答這個問題，思考“力走最短路徑原則”是有益的.結(jié)構(gòu)上的外載荷，總是通過結(jié)構(gòu)自身將力傳遞到支承邊界上，由于力走最短路徑，因此一般說來，與這些路徑相關(guān)的結(jié)構(gòu)往往是主要承力構(gòu)件.
3) 反饋原則
如果把一個商品有限元軟件比喻為一個黑箱，那么輸人是模型，輸出是應(yīng)力、位移、頻率等響應(yīng).模型質(zhì)量的好與壞，一定能從輸出響應(yīng)中映射出來.
對于一個復(fù)雜的工程問題，其計算模型幾乎很少一次成功，不管軟件已經(jīng)為用戶考慮得多么周全，用戶對計算對象的認識一定是一個由淺到深的漸進過程，在這個認識過程中，充分利用輸出響應(yīng)信息，對模型進行正反饋修改，是提高建模質(zhì)量的又一個原則.
所幸的是，現(xiàn)在的有限元軟件后處理器功能極其強大，輸出信息量極其豐富，為檢查判斷模型中的問題，提供了極其豐富的信息資源，主動自覺地利用這些資源，發(fā)現(xiàn)模型中的不足，甚至錯誤，如此循環(huán)，直到滿意，這就是建模要走的必由之路.另外，還應(yīng)當清醒地認識到，對計算對象有一個由淺到深的認識過程，對有限元軟件本身也有這樣一個由淺到深的消化認識過程，軟件是人設(shè)計編寫的，所以它也是有脾氣的，摸透它的脾氣，這是反饋原則的另一層意義.
3幾點建議
1) 認真讀圖
可能有人對這種提醒不以為然.事實上，計算模型的幾何信息主要來自于設(shè)計圖紙，但是，圖紙是二維的，計算模型是三維的，至少到目前為止還不可能自動實現(xiàn)這種升維，而是必須借助于軟件中的各種命令來完成這種轉(zhuǎn)換.因此，在讀圖時，整理出一個形成三維幾何模型的命令流是至關(guān)重要的.否則效率不會很高.
其次，幾乎沒有一個計算模型是對設(shè)計圖紙原封不動的COPY.這經(jīng)常是不可能的，也是不必要的，該簡化一定要簡化，僅舉一例:某工廠設(shè)計的特大型閥門，直徑2m，但是法蘭盤平面處有一很小密封用的子口階臺，深度為5 cm,由于主要考查該閥體的強度與剛度，將法蘭處階臺略去并簡化為一平面是合理的.因此，認真讀圖的過程應(yīng)該是去粗存精的過程.
2) 選擇合適的坐標系及單位
有限元軟件建模的前處理器中一般有三種坐標系可選用:直角坐標系、柱坐標系、球坐標系.如果結(jié)構(gòu)二分之一對稱，坐標系原點應(yīng)放在對稱面角點上，并建議在第一象限(或掛限)中建模，其一點點好處是所有的坐標值均為非負.有時，根據(jù)局部需要建一個或幾個局部坐標系可以更靈活一些.局部坐標系與全局坐標系的轉(zhuǎn)換由程序自動實現(xiàn).另外，模型的幾何、載荷單位，應(yīng)當盡量與設(shè)計圖紙標注一致，這樣可以減少換算失誤.
3) 充分利用對稱性
這一點非常重要.如果幾何形狀，材料，全部載荷工況及邊界位移約束條件，同時具有對稱性，則可以只建二分之一或四分之一或軸對稱模型.如果上述要求不能同時成立，對稱性是不存在的.
對稱性又有正對稱、反對稱、軸對稱及旋轉(zhuǎn)對稱之分.反對稱一般指結(jié)構(gòu)有斜對稱載荷，例如車輛的扭轉(zhuǎn)工況.不管是哪種對稱，最要緊的是正確處理好對稱點、線、面上的位移約束條件.正對稱的原則是:凡在對稱面上結(jié)點被允許的自由度，永遠維持對稱面為平面.例如，XOY為對稱面，那么，該面的結(jié)點只允許有X方向和Y方向的平動自由度，以及繞著Z軸的軸角自由度.
4) 選擇合適的單元類型
這是一項理論背景最深的重要工作.從有限元理論可知，當網(wǎng)絡(luò)相當密集，每一個單元的大小都趨于零時，有限元解趨于理論上存在的解析解.然而目前還做不到這點，因為這樣極小的單元將使單元總數(shù)趨于無窮大，從而使眼下的計算機無力求解.一個有效的對策是，在計算能力及計算時間與費用承受得了的前提下，盡可能增加網(wǎng)格密度，同時還要選高精度單元，且后者比前者更有效.鑒于這個問題極其重要，下面舉例討論.
設(shè)有一懸臂直梁，梁截面為矩形，如圖1所示.沿Y方向，在梁的中性面上下各劃分一層單元，且全部是三角形元，如圖2所示.

 

三角形單元又有常應(yīng)變線性元與二次元兩種.同樣的單元總數(shù)，兩種不同的單元類型導(dǎo)致計算結(jié)果差異甚大.如果使用常應(yīng)變?nèi)切螁卧?/span>，截面A- A上的應(yīng)力結(jié)果如圖3(a)所示;如果使用二次三角形單元，即三角形每邊中點亦有結(jié)點，截面A- A上的應(yīng)力結(jié)果如圖3偽)所示.與理論解析解(圖3(c))相比，3 (a)誤差極大，3 (b)接近理論解.
除了這樣一個典型的例子外，在工程上也常有類似問題出現(xiàn).比如象搖枕、側(cè)架這樣的三維連續(xù)體，一些用戶常用四面體元自由劃分網(wǎng)格后求解.由于用戶對單元精度背景知一識了解不多，因此導(dǎo)致計算誤差甚大，尤其是在應(yīng)力梯度比較大的部位計算結(jié)果更不理想.究其原因，是這種單元精度太低所致.

 

因此，在網(wǎng)格加密的同時，更應(yīng)該注意選用高精度單元.
5) 載荷工況及約束條件
從操作上看，似乎施加載荷條件是一件很容易的事，其實不然，有時載荷模型的提取很有學(xué)問，尤其是通過接觸傳遞下來的接觸力，事先是很難確定其大小和分布規(guī)律的，遇到這種情況，最好的解決辦法是將傳遞接觸力的對象也包括在計算模型之內(nèi)，當然，這樣作要付出一定的代價，即需要建立接觸元迭代求解.
如果所關(guān)心的區(qū)域遠離載荷作用區(qū)域，這時載荷模型可以在總量不變的條件下粗糙一些，否則必須尋求合適的對策.后面即將討論的集載是一個例子.千萬不要忽視載荷及邊界條件，因為這當中的錯誤或粗糙將直接影響一切計算結(jié)果的質(zhì)量，是一個全局性問題.
4 怎樣發(fā)現(xiàn)模型中的錯誤
粗造的計算模型與有錯誤的計算模型，完全是兩個截然不同的概念，前者可以原諒和逐漸完善，后者則不可以原諒.對粗心大意的人，計算機的能力也是有限的.當一個計算模型比較復(fù)雜時，既使是一個很細心的人，一些細小的錯誤也在所難免.例如，一個復(fù)雜曲面的均勻受壓容器，用前處理器中的一些功能對計算模型的圖形加載，操作過程中，有時很難一目了然地觀察出是否所有的空間三維曲面都被你拾取加載了.然而，更重要的是，即使操作者百分之百仔細，操作也百分之百正確，一些深層次的理解上的錯誤同樣在所難免，有一個例子很說明問題:某車，端墻受側(cè)壓力作用.如果把端墻上不是很主要的梁柱當作梁元處理，似乎無可挑剔.可是計算結(jié)果表明:與這些梁柱相連的蒙皮應(yīng)力明顯高于正常期望值.回到前處理器細心檢查，沒有任何不正確的操作.那么，錯在什么地方了呢?經(jīng)仔細分析，發(fā)現(xiàn)錯就錯在受壓的端墻上梁元是不合適的.因為梁元再小，其截面的抵抗變形的剛度也比它的蒙皮單元高.如果按梁單元處理，就意味著其抵抗變形的剛度已經(jīng)被凝聚到一條線上去了，從而導(dǎo)致它與周圍的蒙皮剛度突變而容易產(chǎn)生應(yīng)力集中.正確的建模是:高應(yīng)力區(qū)的梁柱一律離散成薄殼元.改進之后，計算結(jié)果明顯符合期望值，不該有的應(yīng)力集中不再出現(xiàn).因此，發(fā)現(xiàn)模型中的錯誤絕不是一件容易的事，然而，又是必須認真對待的，這里總結(jié)了以下幾個方法供大家參考:
1) 篩選法如前所述，雖然計算機對檢L}大意能力有限，但總可以一次又一次地把篩子眼做小，至少，下面四方面的內(nèi)容要在前處理器中多過幾次篩子:①所有幾何尺寸是否正確?②材料是否對號人座?③物理性質(zhì)(主要指薄殼單元厚度)是否正確調(diào)用?④邊界條件(包括載荷大小，方向)是否有問題?
2) 支反力求和法利用后處理器，檢查支反力中各個分量的和.如果載荷模型正確，支反力中相應(yīng)分量求和項一定與載荷總量一致吻合，否則，必有錯誤.載荷錯了，其它一切無從談起.
3) 位移檢查法緊接著看各個載荷作用下位移解，即變形圖.有限元的位移解是結(jié)構(gòu)模型中所有單元抵抗變形能力的貢獻之和，是一個全局解.如果它的數(shù)量級及其大小走向符合期望規(guī)律，這個計算模型基本上就站得住腳了.否則，必有錯誤，而且這個錯誤一般是一個與全局有關(guān)的錯誤.
4) 應(yīng)力趨勢法應(yīng)力該大該小的地方，一般說來事先是應(yīng)該有個估計的.位移解合理，并不能保證應(yīng)力解全部合理，因為應(yīng)力解是一個局部問題，比如某個局部區(qū)域，應(yīng)力集中本應(yīng)該比較明顯，而計算結(jié)果中卻沒有反映出來，那么，有可能是單元精度不夠或者局部網(wǎng)格過于粗糙.如果不該高的地方應(yīng)力明顯偏高，那有可能是建模時，忽略一些幾何上的細節(jié)，本是圓角過渡的地方被處理成了直角，而且這些位部又是載荷必經(jīng)之處等等.
5) 實驗對比法如果有與被計算對象同類的可比結(jié)構(gòu)曾經(jīng)做過強度、剛度實測，可以將計算結(jié)果與這些實測結(jié)果一一對比.不追求數(shù)值上的絕對相等(或幾乎相等)，但是其規(guī)律性的東西應(yīng)當是一致吻合的，對應(yīng)力結(jié)果是這樣，對剛度結(jié)果更應(yīng)如此.
參考文獻:
[1]庫克RD.有限元分析的概念和應(yīng)用時].北京:科學(xué)出版社，1989.
[2]克拉夫R W,彭津J.結(jié)構(gòu)動力學(xué)時].北京:科學(xué)出版社，1983.
[3]李大潛.有限元選講[M].北京:科學(xué)出版社，1979.
[4]李大潛.有限元續(xù)講IM].北京:科學(xué)出版社，1979.

 

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