Wat is FEA (eindige elementenanalyse) in CAD?

IN DIT ARTIKEL:

• Wat is FEA (eindige-elementenanalyse)
• Beginselen van software voor analyse en simulatie van eindige elementen
• Een algemeen proces in FEA
• Type eindige-elementenmethode
• Toepassingen voor eindige-elementenanalyse in CAD
• Waarom FEA-software nuttig is
• Waar het om gaat

Ingenieurs hebben de niet benijdenswaardige positie om volledig verantwoordelijk te worden gehouden voor de integriteit en veiligheid van alle producten en constructies die ze ontwerpen. Kleine ontwerpfouten leiden vaak tot dreigende rampen (die vaak naar de rechter stappen en worden geprocedeerd).

Dit is de reden waarom producten en structuren een reeks stresstests en optimalisaties ondergaan voordat ze in de echte wereld worden ingezet. Maar om dit over honderden iteraties (en op schaal) te doen, kan onbetaalbaar zijn. Daarom kijken ingenieurs vaak naar simulatiemodelleringstechnieken (zoals Finite Element Analysis) om dit testen te automatiseren en te vereenvoudigen.

Dit helpt het gebruik van materialen voor iteratieve prototyping te verminderen, die anders bij de actualisatie zouden worden gebruikt.

Eindige-elementenanalyse is een van de meest voorkomende technieken die door ingenieurs en CAD-ontwerpers worden gebruikt om "stress" op hun ontwerpen te simuleren.

Wat is FEA (Finite Element Analysis)?

Eindige-elementenanalyse (FEA) is een numerieke techniek die wordt gebruikt om technische problemen op te lossen met een reeks op fysica gebaseerde berekeningen.

Een ingenieur die een brug ontwerpt, moet bijvoorbeeld het gedrag van de constructie onder belasting voorspellen. Het systeem van vergelijkingen dat de verdeling van structurele spanningen beschrijft, is misschien bekend, maar kan niet gemakkelijk (of direct) worden opgelost voor een gecompliceerde constructie zoals een brug.

Daarom moet het systeem worden opgesplitst in kleine elementen (de "eindige elementen"), waarvan de berekeningen gemakkelijk kunnen worden gemaakt en opgelost.

Eindige elementen kunnen een-, twee- of driedimensionaal zijn.

Beginselen van software voor analyse en simulatie van eindige elementen

De eindige-elementenmethode wordt over het algemeen gebruikt in FEA om benaderende oplossingen van grensproblemen (veldproblemen) in engineering te berekenen.

"Het veld" vertegenwoordigt normaal gesproken een fysieke structuur als het hoofddomein.

"Veldvariabelen" zijn de variabelen van belang die worden bepaald door een differentiaalvergelijking. Ze moeten een randvoorwaarde bereiken voor specifieke waarden van de variabelen (of gerelateerde variabelen)

Een "knooppunt" is een specifiek punt op het eindige element dat de waarde van de veldvariabele bevat - die normaal gesproken expliciet wordt berekend. Deze waarden worden vervolgens gebruikt om waarden te berekenen op niet-knooppunten door interpolatie van waarden op de knooppunten met behulp van vormfuncties.

Een algemeen proces in FEA

1. Voorbewerking voor productie

In deze fase moet je het domeinprobleem, materiaaleigenschappen, geometrische eigenschappen, meshmodel, randvoorwaarden en de elementtypen definiëren. In dit stadium zal de technicus het probleem meestal zo veel mogelijk vereenvoudigen om snelle maar nauwkeurige resultaten te krijgen.

Voorafgaand aan de simulatie kan een CAD-model bijvoorbeeld veel filets, gaten of andere functies hebben die niet essentieel zijn voor de simulatie, maar functies die rekenkracht vergen en de rendertijden verlengen. Ingenieurs verwijderen deze functies meestal om hun simulaties te versnellen.

Dit kan handmatig worden gedaan (waarbij ontwerpers deze functies één voor één invoeren en verwijderen) - of automatisch met behulp van CAD-destructie op Spatial-software. Een groot voordeel van het automatiseren van dit proces is de vermindering van menselijke fouten.

Spatial's 3D InterOp- en Modeler-oplossingen maken functieherkenning mogelijk en gemakkelijk te verslaan

2. Oplossing

Hier worden berekeningen gemaakt voor de onbekende waarden van de veldvariabelen. U kunt deze waarden gebruiken om afgeleide variabelen zoals spanningen en reactiekrachten te berekenen.

3. Nabewerking

Sorteren, plotten en afdrukken is de laatste reeks activiteiten waarbij uw geselecteerde resultaten worden geïmplementeerd als oplossingen voor uw eindige-elementenanalyse.

Soorten eindige elementenmethode

Tekortkomingen in FEA-modellering voor sommige gebieden (zoals vloeistofmechanica) hebben geleid tot verschillende verbeteringen aan het oplossingsproces en tegelijkertijd de diversiteit in de toepassing van eindige-elementenanalyse te vergroten.

Enkele veelvoorkomende typen zijn:

• De uitgebreide eindige methode (XFEM)

Problemen zoals beschadiging, breuk of falen kunnen niet direct met de eindige-elementenmethode worden aangepakt.

XFEM - dat de Galerkin-methode en Heaviside-stapfuncties gebruikt - maakt uitbreiding van vormfuncties mogelijk. De knooppunten krijgen elk extra vrijheidsgraden op de punten van discontinuïteit ter overweging.

• De gegeneraliseerde eindige-elementenmethode

In dit type worden vormfuncties vermenigvuldigd met de eenheidspartitie terwijl ze worden gedefinieerd door globale coördinaten. Dit voorkomt re-meshing terwijl u lokale elementfuncties kunt vormen.

Toepassingen voor eindige-elementenanalyse in CAD

FEA is een van de krachtigste en meest gebruikte functies in CAD-ontwerp.

Het is een integraal onderdeel van CAD voor het analyseren van een object door het gebruik van eindige elementen die kleine rechthoekige en driehoekige vormen bevatten. Om het hele object te analyseren, wordt elk eindig element in het hele objectnetwerk geanalyseerd en de uitkomsten worden gecombineerd om het algehele gedrag van een complex object in kaart te brengen. Elk element kan worden geanalyseerd op bepaalde drempelwaarden voor eigenschappen, zoals spanning-rek, dynamiek, thermische eigenschappen - of andere kenmerken (afhankelijk van waar het wordt toegepast).

In een CAD-workflow kunt u elk element en elke netwerkstructuur naar wens definiëren in uw ontwerp.

Waarom FEA-software nuttig is

Met FEA kunnen ingenieurs de simulatie van een ontworpen model uitvoeren in plaats van een fysiek model te moeten maken voor testdoeleinden.

FEA biedt meer voordelen.

Met FEM tijdens analyse kan een divers aantal materiaalsoorten worden gemodelleerd en kan worden gecontroleerd hoe beperkte effecten een klein ontwerpgebied in gecompliceerde geometrie beïnvloeden.

Ingenieurs kunnen software gebruiken die gespecialiseerd is in eindige-elementenmodellering voor een breed scala aan taken.

Vloeistofdynamica, vervorming van een voertuig door botsingen en stress op menselijke botten zijn enkele van de praktische toepassingen van eindige-elementenmodelleringssoftware door ingenieurs.

Het komt erop neer

FEA is voorspellend maar niet bevestigend.

Het garandeert niet dat een ontwerp de gesimuleerde spanningen met zekerheid zal weerstaan. Het geeft ingenieurs alleen een beeld van hoe het ontwerp kan reageren op de opgelegde spanningen, terwijl de kosten van fysieke tests worden verlaagd.

Voor de algehele FEA-ervaring is er een aantal CAD-software met deze functie die u kan helpen bij het ontwerpen van betere en nauwkeurigere constructies op welk technisch gebied u zich ook bevindt.