有限元仿真实践原理：结果的准确性_Altair文档

如何判断和检查结果的准确性

有限元分析是一门近似技术。与试验数据相比，准确性可能达到25%、60%甚至90%。下面的检查方法可以帮助减少错误的出现频率。

 

 

 

• 肉眼检查——关键区域如果有应力不连续或者突变，那么应该对该区域进行细化。

• FEA和试验之间有10-15%的差距被认为是比较好的相关性。

• 超过15%偏离的可能原因：错误的边界条件、材料属性、残余应力、局部效应如焊接，螺栓预紧、试验误差等。

 

计算精度并不能保证有限元分析的正确性（比如部件在现实中的行为可能于软件预测的大相径庭）。有必要与测试结果对比或得到有经验的 CAE/测试工程师（他可能在类似的部件或产品上工作多年）的认可。工程师需要有辨别能力，FE 误差是来自于网格质量和数学模型的偏差，还是物理问题的模型假设。

 

如何判断和理解结果

1) 第一重要原则

首先要查看位移和变形的动画，然后才是其他的输出。查看结果之前，闭上眼睛想象一下在给定载荷情况下物件应该如何变形。软件计算所得结果应该能与其对上，部件不合理的位移和变形表明有些地方可能设置有误。

 

 

 

为了能肉眼看到部件的变形，上图的位移结果被放大了。由于位移值很小，真实的位移（1倍）可能无法观察到。因此，多数的后处理软件提供了放大结果的功能（并非改变结果的真实大小）。

 

 

 

上图的位移云图中，位移被放大了100倍。

另外一个极其有用的可视化技术是动画。这个功能对于理解静态分析的结果也是非常重要的。模型的动画可以让用户深刻理解载荷（约束）对系统中结构的作用。

 

2) 检查反力、力矩、残余应变能和应变能

比较施加载荷的合力或力矩、反力和反力矩、内功和外功、残余量可以帮助我们估计结果的数值精确性。这些值应该在指定的范围之内。通过选择Check > Loads Summary（在OptiStruct模板下）来查看载荷汇总。下面是输出的载荷表：

 

 

 

使用GLOBAL_OUTPUT_REQUEST (Setup > Create > Control Cards)控制卡可以输出SPCFORCE等卡片的结果。

 

 

 

另外相应的*.out文件提供了如下的汇总：

 

 

 

3) 应力绘图

对最大应力值附近位置的应力应该仔细观察。在关键区域应力的不连续或突然变化表明局部网格应该细化。商业有限元软件提供了不同的应力查看选项，比如节点、单元、角点和中心点、高斯点、平均和非平均的应力等。非平均、角点或节点应力一般来说高于平均、中心点的单元应力值。

 

 

 

4) 应该参考哪一种应力？

这个问题如果问来自不同公司、不同国家、使用不同商业有限元软件的专家，你可能很惊讶得到不同的回答，每个人都对他自己公司或软件的使用经验满怀信心。对某个商业有限元软件的输出选项的理解，并且决定参考某一种应力，最好的方式是解决某一个简单的有标准答案的问题（比如带孔的板），将不同的应力选项与答案相对比。

 

有趣的是，如果同样的结果用不同的后处理器查看，将显示不同的值。这是因为软件的默认设置不同造成的（一些软件是平均应力而另一些不是，还有的默认显示单元应力，有的显示的是节点应力等等）。

 

收敛测试

 

 

一般来说，增加节点数量可以提高结果的准确度。同时，也增加了求解时间和计算成本。好的办法是增加高应力区域（而不是减小整体单元尺寸和重新划分整个模型）的单元和节点数量，持续加密网格直到相邻两次计算的结果差异在5%到10%之间。在点力或节点约束的模型中，会存在高应力。但是细化这点周围的网格并不能解决问题 ，因为理论上应力值是无穷大。

 

5) 对称结构的网格应该划分的对称，否则分析将得到不对称的结果（即使载荷和约束对称）

下图中，虽然载荷、约束和几何都是对称的，但是其中的一个孔的应力要更高些。这是因为划分网格时使用了自动网格划分选项，得到了不对称的网格，即使两个孔周围都指定了相同数量的单元。

 

 

 

6) 重复单元检查很重要

在进行分析之前一定要检查重复单元：重复单元是很危险的，而且使用自由边检查很难检查到（如果很分散而且不再外边缘或在结构的边界上）。重复单元增加了多余的厚度、应力和位移结果会少很多（在分析中不会有任何警告或错误的提示）。

 

使用Check 工具来检查重复单元。

 

 

另外需注意的是，我们所说的重复单元是这些单元共享相同的节点！相互重叠的单元（拥有不同的节点）并不是重复单元。请仔细思考这些定义！

7) 选取合适的应力类型

VonMises应力用于韧性材料，最大主应力用于脆性（铸造）材料。对于非线性分析，我们应该将注意力放在真实和工程应力上。真实应力定义为载荷与截面瞬时面积之比。工程应力的截面积是常数。

 

8) 其他需要回答的问题

下面这些问题对验证线性分析的正确性也是很有价值的：

• 最大应力超过屈服应力了吗?

• 与结构的尺寸相比，位移小吗?

• 旋转角度是否超过了10度?

• 变形之后几何是否有重叠?