若何进行CAE分析？

（1）坚实的理论根本，紧张包括力学理论（对付构造有限元剖析工程师）和有限元理论；

（2）软件利用履历，能闇练运用常用的有限元软件；

（3）工程实践履历，对付各种工程问题能够准确地判断并确定剖析方案。

在这3个方面中，最大略的便是软件利用，很多初学者通过对一些参考书的模拟及学习，熟习了几个例题之后，就信心满满，以为自己可以做一个剖析工程师了，这是极度缺点的。
参考书的例题与实际工程剖析有质的差异：例题是简化的模型，剖析类型和边界条件已知，初学者只是大略的遵照参考书的过程重复打算。
这个操作过程，中学生都可以完成。
在做工程剖析的时候，情形完备不同，模型的简化、剖析类型和边界条件全部未知，在打算完成后，还须要对结果进行剖析和评价。

下面简要先容CAE的剖析流程。
首先，针对实际工程的问题进行判断，依据工况确定问题类型，剖断是否须要有限元剖析（很多问题用基本力学打算或者查手册就能更快更准确地得到答案）；其次，对有限元剖析项目进行方案并打算，包括模型简化及打算规模、剖析类型和边界条件的确定；末了，根据有限元剖析结果，提出相应结论和建议，包括剖析项目的可靠性、安全性剖断，优化的可能，危险的处理等。
由上可知，有限元剖析工程师仅靠熟习软件是远远不足的，其事情是对专业知识及实践履历的综合性表示。

小知识

很多项目须要剖断是否须要有限元剖析。
例如，对付一些机器类单一零件产品的剖析，如果外载仅为一个重力工况，就不须要进行有限元剖析。
缘故原由是：这个零件经由生产制造后能够成形，就已经经受了重力的测试。
实践是考验真理的唯一标准，实践就已经证明其性能可靠，以是不须要再进行有限元剖析。

又如，6个相同螺栓连接的一对法兰，个中有一个螺栓涌现断裂，该螺栓也不须要进行有限元校核。
缘故原由是：设计故障必将批量反响问题，如果该螺栓强度或刚度不敷，势必表现出多个或全部螺栓失落效；而且，当一个螺栓涌现失落效时，别的螺栓在偏载和突变情形下仍旧不涌现失落效，恰好证明其螺栓是足够安全可靠的。
因此，对该螺栓从材料入手，进行金相剖析较为得当。

就任一个CAE剖析而言，必须知足下列四要素。

（1）清晰的物理观点。
工程问题按数学一样平常分为稳定场（椭圆）方程（用于描述静平衡、稳态热等）、扩散（抛物线）方程（用于描述动力学、瞬态热等）、颠簸（双曲线）方程（用于描述应力波等颠簸征象）。

（2）明确的系统属性。
已知上面的3种掌握方程，还要有初始条件或/和边界条件，才可以得到方程的解析解。
则系统中须要具备基本的自身参数，如弹性模量、泊松比、长度、截面积等，还要具备系统的外界参数，如力、力矩等。

（3）各种工程问题的数学表征。
实际工程问题每每存在于大量的数据中，须要抽取或换算得到数学表征参数。
例如，一对齿轮副进行静平衡（静力学）打算，除了知道其模型尺寸、材料的弹性模量、泊松比、齿轮间的摩擦系数以外，还须要通过打算求出其载荷（力和力矩），以担保各个齿轮加载后全体系统的力平衡和力矩平衡；如果进行瞬态打算，则须要知道齿轮的密度，载荷以转速率形式加载。

（4）打算机实现的可行性和高效性。
任何有限元剖析都基于一定的假设，例如，连续性是实现有限元打算的必要条件，各向同性、对称性则是实现有限元高效打算的简化手段。

此外，有限元法是实际工程设计的一种数学赞助方法，为实际工程而做事，紧张办理的是难以被实验验证的工程问题，切忌为数学剖析而剖析。

就有限元软件利用而言，特殊是操作大略、随意马虎上手、方便处理繁芜工程模型的ANSYS Workbench，很多初学者在学习过程中也每每依葫芦画瓢，不理解软件输入的每一个参数的来龙去脉。
这样致使初学者离开参考书的实例后就茫然无措，剖析实际工程问题时更是无从下手。
因此，在利用ANSYS Workbench进行有限元剖析时需特殊把稳以下几点：

（1）模型简化；

（2）边界精确；

（3）参数合理；

（4）网格适用。

1　模型简化

在决定须要进行有限元剖析后，对剖析的模型及其工况在理论和实质上均要有清晰的认识，对自己利用的软件的能力也要心中有数，避免不合理和不切实际的剖析。
利用理论和履历上的判断，决定打算的模型、规模和类型。
由于ANSYS Workbench有极佳的打算机赞助设计（computer aided design，CAD）软件接口，初学者常常在CAD软件中建模，然后将模型导入ANSYS Workbench进行有限元剖析。
殊不知这样处理也是极大的缺点。

有限元模型必须与剖析目的、打算机性能匹配，并不是模型越精确打算精度越高。
越精确就意味着模型越繁芜，进而哀求软件进行更加繁芜的矩阵化简求解。
这样一来，模型的偏差虽然小了，打算偏差反而增大，导致终极得不到得当的结果。
在建立有限元模型时，只管即便采取尽可能大略的模型，无需保留实物模型的所有细节特色，常用作法是：去掉非关键位置的小孔和槽，用圆孔代替螺纹孔，用直角代替圆角及倒角。

如果保留实物模型的诸多细微几何特色，会导致剖析结果的应力集中，乃至涌现应力奇异状态。
以图1撬杠剖析为例：实物模型有刻花、腰形槽等几何特色，如果在有限元模型中包含这些特色，就必须对这些区域划分极眇小的网格，剖析结果就会在这些区域显示出应力集中，进而忽略了过渡面的应力状态，使剖析结果完备偏离了剖析目的。

图1　撬杠

对付实体为桁架的模型，整体剖析不考虑剪力的影响时可以将实体模型简化为梁模型，这样总体打算量较小，精度也较高；如果单向剪力较大，则可将实体模型抽壳为壳模型打算；只有需关注桁架局部的详细受力，且双向剪力较大时，才利用实体模型。

因此，CAE工程师必须根据理论和履历判断模型几何细节的干系性，进而确定模型的简化办法。
但是，有时一些模型几何细节开始时显得不主要，简化剖析后在这些细节处应力较大，则可以在有限元模型中规复几何细节或采取子模型剖析。

2　边界精确

将实际工程问题转化为力学问题，剖析工具的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件（位移约束条件）的确定、构造的刚度和质量、载荷通报路径和应力集中等问题的处理是CAE剖析的关键。

有限元剖析时，必须按照实际工况的边界条件，且知足有限元平衡方程，才能求解得到精确结果。
例如，剖析一个在压力浸染下的桌子的变形，边界条件取在桌面的4个角点处，即可打算得到结果，但此剖析并不符合工程实际情形（工况），该当将边界条件施加在桌子4个腿的接地处。

在静力学剖析中随意马虎涌现边界条件不敷，虽然ANSYS Workbench会自动将弱弹簧（Weak Springs）施加到模型可能涌现刚体位移的位置，但是还是建议设置好充分的约束后，将弱弹簧设置为Off。
针对约束不敷的精确方法是对模型前辈行模态剖析，不雅观察是否具有刚体模态（模态剖析出的固有频率在0～1Hz），依据其频率对应的模态形状，进一步剖析是否存在刚体运动（单个零件），或者存在零件之间打仗不敷（组件或部件）。

打仗剖析（无摩擦打仗、粗糙打仗、摩擦打仗）涉及迭代打算，如果在打仗面体上施加力载荷时，每每难以收敛；改为位移载荷，则相对大略得多。

3　参数合理

用ANSYS Workbench进行有限元剖析，须要对软件有深刻的认识，做到每输入一个参数都清楚知道这个参数的意义和浸染，这不仅仅是须要熟习软件的界面，更多的是须要理解有限元和力学的理论，有时乃至须要对参数进行一些知识性的辨识。

例如，一台液晶电视机受力剖析，已知条件如图2所示：底盘固定，液晶电视机质量为62.8kg；载荷如图3所示：在方块区域加载50N；求底座支撑架应力值大小？

图2　液晶电视受力剖析已知条件

图3　液晶电视机受力剖析载荷情形

本例采取静力学剖析，剖析方法1添加重力加速度，等效应力值为318.68MPa，如图4所示；剖析方法2不添加重力加速度，等效应力值为310.09MPa，如图5所示。
试问在这个剖析中是否该当加载重力加速度？

图4 底座支撑架的等效应力（添加重力加速度）

图5　底座支撑架的等效应力（不添加重力加速度）

上例就属于不对参数合理性进行判断的范例实例。
其剖析类型和边界条件均无问题，缺点在于液晶电视机的质量。
一台液晶电视机质量为62.8kg，约为一个成年男子的质量，这显然是不合常理的。
如果将液晶电视机的质量换成合理的数据，就会创造上例打算后，是否添加重力加速度对全体模型的影响甚微。

4　网格适用

ANSYS Workbench拥有非常智能的自主划分网格能力，全体打算乃至颠覆了常用有限元软件的流程，不用把划分网格作为一个必要的操作。
因此，很多初学者每每采取软件自主划分网格，其结果是：主要部分（应力集中区、打仗区、大变形区）的结果不准确或不收敛；不主要部分网格过细，摧残浪费蹂躏了打算韶光。

网格的划分每每须要实践履历，当然可以参考软件供应的网格质量进行评估。
一样平常情形下，圆形模型采取古泉币的切分划法，中间正方形的边长为圆形的半径，圆周上至少须要40平分；圆环模型采取多体划分；模型厚度方向至少须要3层单元；缩减积分时厚度方向至少划分4层单元；打仗比较难收敛时，可以采取无中间节点的网格形式（单元类型发生变革）。

对付一个模型最空想的网非分特别形是什么？答案便是全体模型都是大小同等的正方形和立方体，当然由于模型存在斜角、圆弧等要素，这个哀求很难知足，因此，须要根据形状拓扑的规律只管即便知足上述条件。

网格的数量到底多少得当呢？精确的方法是将网格尺寸定义为参数变量，利用ANSYS Workbench的优化剖析模块进行剖析，确定其敏感度。
如果网格细化到一定程度，应力结果不会有大的偏差，就解释网格密度得当。

总之，CAE剖析是一项相称高难的技能事情，不仅对理论根本和软件操作有较高的哀求，更须要丰富的工程实践履历，正如Robert D.Cook说过的：

“FEA makes a good engineer great,but makes a bad engineer dangerous.”

本文节选自《ANSYS Workbench有限元剖析实例详解（静力学）》

内容简介

本书以比拟的办法系统且全面地解释ANSYS Workbench静力学剖析过程中的各种问题，从工程实例出发，侧重办理ANSYS Workbench的实际操作和工程问题。

本书共5章。
第1章为CAE剖析步骤；第2章详细解释ANSYS Workbench主界面及干系Windows操作，举例解释ACT的用法；第3章先容ANSYS Workbench的建模功能，举例描述修复模型、实体简化梁模型、点云数据天生实体的方法；第4章先容ANSYS Workbench的线性静力学剖析，以梁单元、二维平面单元、三维壳单元、实体单元、Link单元为主线，并包含ACP模块、Fracture剖析、Solid65单元及子模型等；第5章先容ANSYS Workbench的非线性静力学剖析，以材料非线性、几何非线性、状态非线性为主线，并包含快速组装繁芜模型、橡胶流体压力加载、损伤剖析、死活单元剖析、内聚力模型等。

本书内容丰富新颖、重点突出、讲解详尽，适用于ANSYS Workbench软件的低级和中级用户，可供机器、材料、土木、能源、汽车交通、航空航天、水利水电等专业的本科生、研究生、西席、工程技能职员和CAE爱好者阅读和参考。