CAE有限元仿真軟件常見的分析類型

 CAE是用計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。而CAE軟件可作動力學分析，靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，動態(tài)分析；研究線性、非線性問題；分析結(jié)構(gòu)（固體）、流體、電磁等。深圳市有限元科技有限公司是一家有十年cae項目經(jīng)驗的高科技企業(yè)，公司代理國外多款著名cae軟件，并提供軟件的銷售與培訓業(yè)務，另研發(fā)出多款行業(yè)cae通用軟件，并秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務滿足客戶的各種需求的服務理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國超過500家企業(yè)提供cae分析服務。如需購買cae軟件或咨詢服務請聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：2039363860/4006046636。

 今天有限元科技小編跟大家分享的是：CAE有限元仿真軟件常見的分析類型。

 1、線性結(jié)構(gòu)靜力分析

 結(jié)構(gòu)線性靜力分析是結(jié)構(gòu)設計與強度校核的基礎，主要是計算在固定不變的載荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡慣性載荷）結(jié)構(gòu)的響應（位移、應力、應變和力），不考慮慣性和阻尼的影響；固定不變的載荷和響應是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應隨時間的變化非常緩慢。

 結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，假定結(jié)構(gòu)中的工作應力小于結(jié)構(gòu)材料的屈服應力，因此應力應變關系服從虎克定理，具有線性關系．同時結(jié)構(gòu)的變形（位移）相對結(jié)構(gòu)的總體尺寸來說，又是很小的，所以問題可以用線性方程計算。從應用的角度看，多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)的線性分析是評估很多結(jié)構(gòu)設計問題的最有效的方法。

 2、模態(tài)分析

 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎。模態(tài)也就是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動時的振動形態(tài)，也稱為振型。每一個自由振動的固有頻率都對應一個振型，一般說系統(tǒng)有多少自由度就有多少個固有頻率。實際的分析對象是連續(xù)體，具有無限多的自由度，所以其模態(tài)具有無窮階，要求用彈性動力學的偏微分方程解決，因為實際結(jié)構(gòu)的復雜性，一般無法得到封閉解，通常都是用近似的方法來求解。

 有限單元法就是一種常用的近似方法，可以比較正確的計算出足夠多的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)。有限元中模態(tài)分析的本質(zhì)是求方程的特征值問題，所分析的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的“階數(shù)”就是指要求的對應數(shù)學方程的特征值的個數(shù)。將特征值從小到大排列就是階次。

 模態(tài)分析的目標是確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即系統(tǒng)的各階固有頻率和振型，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力特性分析和優(yōu)化設計提供依據(jù)。

 3、屈曲分析

 在通常的結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)處于一個穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。但是有一些承受較大壓應力的細薄結(jié)構(gòu)，例如細長的受壓桿，受到較大水壓的深海容器等，當它們所受到的壓應力達到某個臨界值時，原來的平衡狀態(tài)就會變得不穩(wěn)定，受壓的直桿會因為失去穩(wěn)定性而變彎曲，受到高水壓的容器會因為失穩(wěn)而壓癟。屈曲分析就是一種用于確定結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術。廣泛應用于細薄結(jié)構(gòu)的設計分析中。

 4、非線性結(jié)構(gòu)分析

 固體力學從本質(zhì)上講是非線性的，線性假設是實際問題的一種簡化，在分析線彈性體系時，假設節(jié)點位移無限小，材料的應力和應變關系滿足虎克定律，加載時邊界條件保持不變，若不滿足上述條件之一就會形成非線性問題；

 結(jié)構(gòu)非線性問題主要有：

 幾何非線性：如果結(jié)構(gòu)的變形比較大，使應力和應變之間不能再用線性關系來表示，很大的位移也可能使外力之間的平衡關系改變，以致不能繼續(xù)采用線性分析，這種非線性問題稱為幾何非線性，比如大位移小應變，大位移大應變。

 材料非線性：由于載荷過大等因素的影響m.tyrp.net，當結(jié)構(gòu)中的應力達到或超過材料的屈服應力時，材料的應力應變關系不再符合虎克定律，也可能一些材料的應力應變關系本來就不服從虎克定理，這種問題統(tǒng)稱為材料非線性問題，如彈塑性問題，超彈性問題和蠕變問題等。

 邊界非線性：接觸問題，系統(tǒng)的剛度由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變在不同值之間突然變化；接觸是一種很普遍的非線性行為，需要較大的計算資源，為了進行有效的計算理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題有兩大難點：①在求解問題之前，不知道接觸區(qū)域表面之間是接觸的、分開的還是突然變化的，這隨著載荷、材料、邊界條件等因素而定；②接觸問題常需要計算摩擦，各種摩擦模型是非線性的，這使得問題得收斂變得困難。

 5、動力響應分析

 在動載荷（載荷大小、方向和作用點隨時間變化）作用下，結(jié)構(gòu)上相應的位移、應力和應變不僅隨空間位置變化，而且隨時間變化。

 結(jié)構(gòu)動力學解決兩個問題：一是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，了解振動特性；另一個就是分析結(jié)構(gòu)的動力響應特性，計算結(jié)構(gòu)受到動載荷時的動位移，動應力和動應變的大小及其變化規(guī)律。

 根據(jù)動載荷的不同，動力響應計算主要分以下幾類：

 頻率響應分析：主要用于計算結(jié)構(gòu)在簡激勵作用下的穩(wěn)態(tài)動力響應。頻率響應分析中，載荷是時間的諧函數(shù)，需要指定它的大小，頻率和相位。頻率響應分析限于線彈性結(jié)構(gòu)。

 直接頻率響應分析：直接頻率響應通過求解整個模型的阻尼耦合方程，得出各頻率對于外載荷的響應。該類分析在頻域中主要求解二類問題。第一類問題是求結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)定的周期性正弦外力譜的作用下的響應。結(jié)構(gòu)可以具有粘性阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼，分析得到復位移、速度、加速度、約束力、單元力和單元應力。這些量可以進行正則化以獲得傳遞函數(shù)。第二類問題是求解結(jié)構(gòu)在一個穩(wěn)態(tài)隨機載荷作用下的響應。此載荷由它的互功率譜密度所定義。而結(jié)構(gòu)載荷由上面所提到的傳遞函數(shù)來表征，分析得出位移、加速度、約束力或單元應力的自相關系數(shù)。該分析也對自功率譜進行積分而獲得響應的均方根值。

 模態(tài)頻率響應：模態(tài)頻率響應分析和隨機響應分析在頻域中解決的二類問題與直接頻率響應分析解決相同的問題。用模態(tài)頻率響應方法計算結(jié)構(gòu)動力響應時m.tyrp.net，先進行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，根據(jù)所計算的模態(tài)個數(shù)，得到截斷了的低階模態(tài)矩陣，在考慮粘性阻尼的情況下用這個矩陣解偶結(jié)構(gòu)動力學方程，得到模態(tài)坐標中的相應方程，分別求解這些方程，得到模態(tài)坐標中的響應解，最后用坐標變換得到實際物理坐標中的動力響應。該分析的輸出結(jié)果與直接頻率響應分析得到的輸出結(jié)果相同，由于采用了模態(tài)截斷和解偶，大大減少了計算量，但是計算結(jié)果中，沒有包括被截斷的高階模態(tài)。

 瞬態(tài)動力學分析：也稱時間歷程分析，用于確定承受任意隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)動力學響應，確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的任意組合作用下隨時間變化的位移、應力、應變，分為直接瞬態(tài)響應分析和模態(tài)瞬態(tài)響應分析。兩種方法均可考慮強迫剛體位移作用。

 直接瞬態(tài)響應分析：直接瞬態(tài)響應分析中結(jié)構(gòu)可以同時具有粘性阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼和其他形式的阻尼。在節(jié)點自由度上直接形成耦合的矩陣方程并對這些方程進行數(shù)值積分，求出隨時間變化的位移、速度、加速度和約束力以及單元應力。

 模態(tài)瞬態(tài)響應分析：模態(tài)瞬態(tài)響應分析中先進行模態(tài)分析，根據(jù)需要進行適當?shù)哪B(tài)截斷以減小問題的規(guī)模，然后用截斷的模態(tài)矩陣對動力學方程進行解偶，得到簡縮了的用模態(tài)坐標表示的方程，對此方程進行數(shù)值積分，得到模態(tài)坐標中的動力響應，最后通過坐標變換得到物理坐標中的響應，這個響應結(jié)果和用直接瞬態(tài)響應分析得到的響應是等同的，不過由于采用了模態(tài)截斷，所以結(jié)果中沒有包括高階響應的部分。這種方法對大型問題可以大大減少計算量，由于高階響應對實際結(jié)果影響很小，所以結(jié)果的精度也能適當保證。

 6、疲勞分析

 疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)強度極限的載荷重復作用下出現(xiàn)初始裂紋，裂紋擴展，直到裂紋疲勞斷裂的現(xiàn)象；影響疲勞破壞的原因很多，主要考慮的是載荷的循環(huán)特征和循環(huán)次數(shù)，構(gòu)件材料的疲勞特性，構(gòu)件的應力分布，以及構(gòu)件的形狀，大小尺寸以及材料表面熱處理等因素。

 疲勞分析結(jié)果主要有：應力安全因子，疲勞安全因子和疲勞壽命。

 7、優(yōu)化設計

 設計優(yōu)化是為滿足特定優(yōu)選目標如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級等等的綜合設計過程。這些優(yōu)選目標稱之為設計目標或目標函數(shù)。優(yōu)化實際上含有折衷的含義，例如結(jié)構(gòu)設計的更輕就要用更少的材料，但這樣一來結(jié)構(gòu)就會變得脆弱，因此就要限制結(jié)構(gòu)件在最大許用應力下或最小失穩(wěn)載荷下等的外形及尺寸厚度。類似地，如果要保證結(jié)構(gòu)的安全性就要在一些關鍵區(qū)域增加材料，但同時也意味著結(jié)構(gòu)會加重。

 優(yōu)化的三大變量：設計變量（自變量，每個設計變量都有上下限，定義了設計變量的變化范圍）；狀態(tài)變量（因變量，設計變量的函數(shù)，可以有上下限，也可以只有上限或者下限）；目標函數(shù)（最終的優(yōu)化目的，必須是設計變量的函數(shù)，也就是改變設計變量的數(shù)值將改變目標函數(shù)的數(shù)值）

 8、熱傳導分析

 熱傳導分析通常用來校驗結(jié)構(gòu)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性，可以計算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布狀況，并直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點位置及分布?？赏ㄟ^改變發(fā)熱元件的位置、提高散熱手段或絕熱處理或用其它方法優(yōu)化產(chǎn)品的熱性能。

 線性/非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導分析

 基于穩(wěn)態(tài)的線性熱傳導分析一般用來求解在給定熱載和邊界條件下，結(jié)構(gòu)中的溫度分布，計算結(jié)果包括節(jié)點的溫度，約束的熱載和單元的溫度梯度，節(jié)點的溫度可進一步用于計算結(jié)構(gòu)的響應；穩(wěn)態(tài)非線性熱傳導分析則在包括了穩(wěn)態(tài)線性熱傳導的全部功能的基礎上，額外考慮非線性輻射與溫度有關的熱傳導系數(shù)及對流問題等。

 線性/非線性瞬態(tài)熱傳導分析

 線性/非線性瞬態(tài)熱傳導分析用于求解時變載荷和邊界條件作用下的瞬態(tài)溫度響應，可以考慮薄膜熱傳導、非穩(wěn)態(tài)對流傳熱及放射率、吸收率隨溫度變化的非線性輻射。

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