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以上总结从组织的角度反映了常见的失误,以下总结是关于建模和可视化的错误。在分析中,FEM 求解器会报告警告和错误,警告可以认为是提醒,比如单元质量较差,而错误则会导致程序停止。错误可能是由于极端扭曲的单元、丢失材料信息、刚体位移引起的约束不足等因素导致的。
以下列出建模常见错误,以引起对建模错误的重视。更多的建模陷阱详细信息在本书其它章节给出了介绍。
几何简化
在许多情况下简化模型以获得更好的网格质量是十分必要的。例如,最小单元尺寸不能小于 X,为了达到网格尺寸要求,必须将微小的倒角去除,如下图所示。尽管简化是必须的,但是必须注意,此有限元模型不同于原始几何模型。
网格划分
在模型中使用什么类型的单元?为何使用此类型单元?以前使用过吗?你可以用 3D 单元划分三维薄壁结构,比如六面体和四面体单元,也可以使用二维单元来划分这个结构的中面。
除了决定使用二维还是三维单元,还需要开展一些关于四边形和三角形单元、六面体和四面体单元之间不同数值特性的考量。
另一个常见建模错误是单元尺寸问题。最终目标是分析结果不依赖于网格尺寸,通常需要细化网格重新开始分析,来检查仿真的收敛性,关键部位的网格尺寸应该细化。
最重要的是网格质量,单元不仅仅反映 CAD 模型,有限元结果依赖于单元。任何偏移理想单元形状的单元,将导致数值误差,而该误差通常很难评估。
在下面的模型中,部分单元并不是共节点的,单元局部没有匹配节点。单元没有耦合节点的地方被红色区域标记出。
然而有限元软件并不会提示任何警告或者错误信息。如果该网格并没有共节点(模型没有检查自由边)那么此模型的错误将不会被发现,直到检查分析结果时。如下图所示,此位移并不连续。
此外还需注意单元的法向。如下图所示,一块板承受弯曲载荷,单元下表面 Z1 的应力在中间部分有突变,由受拉变成受压。
下面的图片可以帮助理解这个问题。绿色区域 Z1 位于板结构的上表面(收拉),蓝色区域的 Z1 位于结构的下表面(受压)。
l 材料
单位系统的不一致代表另一类常见的错误,比如混淆了毫米和米、千克和吨等。在转换单位制时要特别小心,单位制错误不会引起任何的警告信息,除非在该单位制下模型分析失败。
l 边界条件和载荷
在施加边界条件和载荷的时候尤其容易发生错误。举例来说,在 HyperMesh 的临时节点上施加约束将导致建模错误。
图中黄色的临时节点并不是有限元模型中的节点,这种情况会导致结构没有被约束或者载荷没有加上,容易引起刚体位移或错误的结果。
可视化
在奋战多时之后终于建好模型可以开展分析,分析人员会心花怒放,这时候往往查看结果时会粗心大意,不注意查看细节。特别如果是有限元新手,对云图显示不是很敏感的时候。永远要第一时间检查位移和应力的幅值。尽管位移或应力分布看起来合理,你可能会发现小应变分析位移幅值大到 10E4mm 或者线性材料应力高到 1000MPa。
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