FEA Begrijpen: Finite Element Analysis in CAD – Principes, Toepassingen & Software

IN DIT ARTIKEL: 

• Wat is FEA (Finite Element Analysis)
• Principes van Finite Element Analysis en Simulatie-software
• Een Algemeen Proces in FEA
• Type Finite Element Methode
• Finite Element Analysis Toepassingen in CAD
• Waarom FEA-software Nuttig is
• De Essentie

Ingenieurs hebben de onbeneidelijke positie om volledig verantwoordelijk te zijn voor de integriteit en veiligheid van alle producten en structuren die ze ontwerpen. Kleine fouten in ontwerp leiden vaak tot imminente rampen (die vaak voor de rechter gaan en worden gedwarsboord).

Dit is waarom producten en structuren door een reeks stresstests en optimalisatie gaan voordat ze in de echte wereld gedeployed worden. Maar dit doen over honderden iteraties (en op schaal) kan prohibitief duur zijn. Dus ingenieurs kijken vaak naar simulatiemodelleringstechnieken (zoals Finite Element Analysis) om deze tests te automatiseren en te vereenvoudigen.

Dit helpt het gebruik van materialen voor iteratieve prototyping te verminderen, wat anders zou worden gebruikt in actualisatie.

Finite element analysis is een van de meest voorkomende technieken die ingenieurs en CAD-ontwerpers gebruiken om "spanning" op hun ontwerpen te simuleren.

Wat is FEA (Finite Element Analysis)?

Finite element analysis (FEA) is een numerieke techniek die gebruikt wordt om engineering-problemen op te lossen met een reeks fysica-gebaseerde berekeningen.

Bijvoorbeeld, een ingenieur die een brug ontwerpt, moet het gedrag van de structuur onder belasting voorspellen. Het stelsel van vergelijkingen dat de verdeling van structurele spanningen beschrijft, kan bekend zijn, maar kan niet gemakkelijk (of direct) opgelost worden voor een gecompliceerde structuur zoals een brug.

Daarom moet het systeem afgebroken worden in kleine elementen (de "finite elements"), wier berekeningen gemakkelijk gemaakt en opgelost kunnen worden.

Finite elementen kunnen één, twee of driedimensionaal zijn.

Principes van Finite Element Analysis en Simulatie-software

De Finite Element-methode wordt doorgaans in FEA gebruikt om benaderende oplossingen van randproblemen (veldenproblemen) in engineering te berekenen.

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

"Veldvariabelen" zijn de variabelen van belang die geregeld worden 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 finite element dat de waarde van de veldvariabele bevat — die normaal expliciet berekend wordt. Deze waarden worden vervolgens gebruikt om waarden op niet-knooppuntpunten te berekenen door interpolatie van waarden op de knooppunten met vormfuncties.

Een Algemeen Proces in FEA

1. Pre-processing voor Productie

Deze fase vereist je het domeinprobleem, materiaaleigenschappen, geometrische eigenschappen, mesh-model, randvoorwaarden en de elementtypen te definiëren. Typisch op deze fase zal de ingenieur het probleem zoveel mogelijk vereenvoudigen om snelle maar nauwkeurige resultaten te krijgen.

Bijvoorbeeld, vóór simulatie, kan een CAD-model veel afrondingen, gaten, of andere features hebben die niet essentieel zijn voor de simulatie — maar features die computationele bronnen verslinden en rendertijden verhogen. Ingenieurs verwijderen deze features typisch om hun simulaties te versnellen.

Dit kan handmatig gedaan worden (met ontwerpers die erin gaan en deze features één voor één verwijderen) — of automatisch met CAD defeaturing op Spatial-software. Een groot voordeel van het automatiseren van dit proces is de reductie van menselijke fouten.

Spatial's 3D InterOp en Modeler Oplossingen Stellen Feature Recognition en Eenvoudig Defeaturing In

2. Oplossing

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

3. Post-processing

Sorteren, plotten, en printen is de finale set activiteiten waar je geselecteerde resultaten geïmplementeerd worden als oplossingen voor je finite element analyse.

Typen Finite Element Methode

Tekortkomingen in FEA-modellering voor sommige velden (zoals vloeistofmechanica) hebben geroepen om diverse verbeteringen aan het oplossingsproces terwijl de diversiteit in de toepassing van finite element analysis vergroot wordt.

Enkele van de veelvoorkomende typen zijn;

• De uitgebreide finite element methode (XFEM)

Problemen zoals schade, breuk of falen kunnen niet direct afgehandeld worden door de finite element methode.

XFEM — wat de Galerkin-methode en Heaviside-stapfuncties gebruikt — stelt uitbreiding van vormfuncties in. De knooppunten krijgen elk extra vrijheidsgraden op de punten van discontinuïteit voor overweging.

• De gegeneraliseerde finite element methode

In dit type worden vormfuncties vermenigvuldigd met de partition-of-unity terwijl gedefinieerd door globale coördinaten. Dit voorkomt hermeshing terwijl je lokale elementfuncties kunt vormen.

Finite Element Analysis Toepassingen in CAD

FEA is onder de meest krachtige en algemeen gebruikte functies in CAD-ontwerp.

Het is integraal voor CAD voor het analyseren van een object door het gebruik van finite elementen die kleine rechthoekige en driehoekige vormen omvatten. Om het hele object te analyseren, wordt elk finite element in het hele objectnetwerk geanalyseerd, en de uitkomsten gecombineerd om het algehele gedrag van een complex object te plotten. Elk element kan geanalyseerd worden voor bepaalde eigenschapsdrempels zoals spanning-vervorming, dynamica, thermische eigenschappen — of andere kenmerken (afhankelijk van waar het toegepast wordt).

In een CAD-workflow kun je elk element en netwerkstructuur definiëren zoals je dat in je ontwerp vereist.

Waarom FEA-software Nuttig is

FEA stelt ingenieurs in staat om de simulatie van een ontworpen model uit te voeren in plaats van een fysiek model te hoeven creëren voor testdoeleinden.

FEA biedt meer voordelen.

FEM tijdens analyse stelt modellering van een diverse aantal materiaaltypen in staat, en de mogelijkheid om te monitoren hoe ingeperkte effecten een klein gebied van ontwerp in gecompliceerde geometrie beïnvloeden.

Ingenieurs kunnen software gespecialiseerd voor finite element modellering gebruiken voor een breed scala aan taken.

Vloeistof-dynamica, vervorming van een voertuig door botsing en spanning op menselijke botten zijn enkele van de praktische toepassingen van finite element modellering software door ingenieurs.

De Essentie

FEA is voorspellend maar niet bevestigend.

Het stelt niet vast dat een ontwerp de gesimuleerde spanningen met zekerheid zal weerstaan. Het geeft ingenieurs alleen een kijkje in hoe het ontwerp kan reageren op de opgelegde spanningen terwijl de kosten van fysieke tests worden ingekort.

Voor de algehele FEA-ervaring zijn er een aantal CAD-softwarepakketten met deze functie die je kunnen helpen betere en nauwkeurigere structuren te ontwerpen in welk engineering-veld je ook bent.