用好有限元技术重在建模（一）

guohanzb · 发表于 2010-10-31 16:36:37

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用好有限元技术重在建模
用好有限元技术的关键却在于建模，而不是有限元技术自身。
从一个被计算工程对象中，抽象出一个能被计算机处理和求解的有限元模型的过程，就是通常所说的建模（Create Model）。几何，单元网格，材料，载荷，边界约束条件等是建模的主要内容。然而，再好的有限元软件，再高档的计算机，也只能辅助用户提高建模的效率而不指引方向，哪怕用户的前面是万丈深渊。
简言之，计算机只对模型负责，至于该模型的质量如何，主要取决于“算题人”的功夫。由于抽象与理想化，被计算对象与计算模型之间的距离是客观存在，有的CAD/CAE/CAM软件中称有限元法为仿真（Simulation）是非常有道理的，因为“仿”本身就是对这个距离的承认。问题的关键是：在建模的过程中怎样力所能及地缩小这个距离，做到越仿越真。
下面例举两个建模实例，以进一步地说明模型质量是多么的重要。
首先，以客车水箱局部开裂为例讨论不同的建模思想将导致截然不同的结果。
某客车水箱结构形状，尺寸如图1所示，由于设计中曾因考虑不周，使用中发生过局部开裂漏水现象。

图1 客车水箱系统模型
当用有限元方法分析水箱局部开裂漏水问题时，首先要建立有限元网格，然后施加位移约束，这些并不很困难，但是水箱的局部开裂视为一个静力问题还是一个动力问题则是建模的关键。
方法一：将水箱中的水理解为具有一定质量的惯性力，沿速度变化方向均匀作用于每一受压内表面。这种方法的实质是动静法，认为水的压力恒定。
方法二：视水箱晃动为三维流动问题，认为水的压力是不均匀的，首先用计算流体动力学方法建模并数值求解出晃动过程中水在任一时刻对水箱每一受压内表面的压力分布P(x,y,z,t)，从而获得时域上的载荷模型。
如果采用方法一，模型是一个静强度问题，如果采用方法二，模型则是一个动强度问题。如果再考虑疲劳寿命评估或屈曲稳定性分析，则两个方法导致的结果会相反。图2、图3表明方法二与实际破坏情况吻合得很好，而方法一则认为设计不存在问题。

图2 基于动力载荷的屈曲分析结果图3 实际破坏情况

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用好有限元技术重在建模（一）

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