进行有限元分析需要的基本信息

在Altair（Hyperworks）里，一般来讲，有限元分析的步骤可以分为:

l建模 (前处理)

l求解

l结果可视化(后处理)

这张图描述了一个有限元分析中的三个基本步骤。下面总结了其中的部分细节。

建模/前处理

CAD 数棋

任何一个有限元分析，最常见的是从导入一个部件的 CAD 几何数模(例如: CATIA、STEP、UG、IGESsolidThinking 等)到前处理软件 (例如: Altair的HyperMesh) 来进行的。

在很多情况下，导入后的几何不适合直接划分网格，经常首先需要进行几何清理，因为:

l破面

l没有连接的几何面

l重复的面

l太小的几何面，不能划分合适的网格

下图描述了其他的几个几何问题:

左边的图中是导入的几何。几何面的边线(绿色) 没有相交在一个点上，也就是说，有一个非常小的偏差。当在这个几何上划分网格时，这个小偏差会被自动考虑到，很不幸，这会生成质量非常差的单元。中间的图片描述了在初始的几何上划分网格的情况。注意局部网格是如何扭曲的。右边是几何清理之后划分的网格。

一旦这些问题处理之后，分析者需要问自己，所有的几何信息是否真的都需要。小的倒角和圆角、小孔、甚至公司标志等，这些常常在 CAD 数模中的特征需要吗?它们真的对部件的整体性能有用吗?

网格划分

当几何处理好之后，就可以划分网格来近似几何形状。梁杆单元(1-D)、板壳单元2-D)、或者实体单元(3-D)将被划分出来。网格划分步骤对有限元分析非常重要，因为网格质量直接影响分析结果的质量。同时，单元数量(节点数量)影响计算时间。这是为什么在一些情况下，选择板壳单元和梁杆单元，而不选择实体单元。例如，在分析金属薄板时，结构的二维近似只用到少的多的单元，这样会减少计算用的 CPU 时间(这个时间是你等待分析结果的时间)。

除了自动化的网格划分(自动化的网格划分是选择之一)，网格质量、单元连接和单元法向都需要检查。如果需要，这些单元问题可以通过修改几何或者编辑单个单元来修改。

材料和属性信息

网格划分完成之后，材料(例如杨氏模量) 和属性信息(例如厚度值) 将会赋给单元。

载荷、约束和求解器信息

在Altair（Hyperworks）里，各种各样的载荷和约束施加到模型上来描述到部件受到的载荷条件。同一个模型上，可以定义不同的载荷步来表示不同的载荷条件。通过加入求解器信息来告诉求解器，哪种分析将运行，哪些结果将输出等等。

要确定你的工况，需要你的工程技能。考虑到你的结构上将会受到的所有载荷情况，判断是否你需要进行相应分析。要确定静态或动态情况下的载荷，多体动力学仿真(MBD) 是很有帮助的。

然后，从前处理软件 HyperMesh 中，导出有限元模型(包含节点、单元、材料、属性、载荷和约束)。导出的有限元模型,通常称为求解文件,是一个ASCII文本文件,根据所选择的求解器(例如 RADIOSS或者 OptiStruct),有对应的语法格式。一个 OptiStruct 求解文件的一部分如下图所描述:

正如你所看到的，求解文件中的信息，和节点定义相关。每一个节点通过它的节点号和 X、y、Z 坐标确定每一个单元然后通过它自己的单元号和组成它的节点号确定。这就完成了前处理阶段。

求解

在一个简单的线性静态分析，或者一个自由模态分析过程中，基本上不需要你做太多工作。有限元程序中的默认设置能够很好的处理这类问题。实际的分析将会告诉你，如果这类问题分析过程中因为报错而停止计算，通常是因为你在前处理阶段犯了错误。这里介绍一些常见的错误:

l 单元质量

l 无效的材料属性

l 材料属性没有赋予单元

l 模型约束不足(模型在外部载荷作用下显示出刚体位移)

可视化(后处理)

在Altair（Hyperworks）里，求解成功后，接下来就是进行仿真结果的后处理(用 HyperView 观察云图，HyperGraph 进行二维/三维数据处理》。观察应力、应变和变形云图，检查部件在各种载荷条件下如何响应。根据结果，可能需要对部件进行改动，然后重新做一次仿真分析，检查改动如何影响该部件。

这样就算完成了有限元仿真分析。

实际仿真将表明在很多项目中，上述流程必须重新进行，因为仿真结果显示改动后的部件并没有预期的性能。很明显，重新进行 CAD 设计(进行改动)，然后重新进行整个有限元分析令人厌烦。个非常有效(并且令人激动)的技术可以加速这个流程，这个技术叫做 Morphing。应用 morphing 技术,可以让 CAE 工程师改变有限元模型的几何外形,比如改变半径,改变加强筋的厚度,改变倒角形状,等等。Morphing之后的有限元模型，可以导出(无需网格重划分)，CAE 工程师可以马上对改动后的部件进行重新分析。

Morphing 有限元模型的一个例子如下图所示:

总论

个人进行有限元分析，不仅容易发生很多人为的错误，比如定义材料或者载荷时输入错误。而且选择建模的假设(例如几何简化、选择单元类型和单元尺寸等)，必须花费很多精力。虽然有限元求解器可以检查其中的一些主要错误，但是很可能你的分析结果是由有问题的模型得到的。