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前后处理

网格划分

随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法(CAE)。随着数值分析方法的逐步完善和计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。前处理作为建立有限元模型的一个重要环节,要求考虑的问题较多,需要的工作量较大,所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲,网格数量增加,计算精度会有所提高,但同时计算规模也会增加,所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。

有限元方法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。因此有限元网格的划分一方面要考虑对各物体几何形状的准确描述,另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。所以,模型简化的好坏直接关系到网格的密度布局以及网格的质量,需要前处理工程师丰富的经验以及好用的软件。多年积累的经验再加上智能化程度较高的软件能帮助前处理工程师快速、高效地得到高精度的网格模型。

由上可见,前处理工作成为CAE工作的重中之重。为建立正确、合理的有限元模型,需要把握好模型的简化、布局合理的网格密度以及确保网格的质量等。

在进行数值模拟计算(包括FEA、CFD等)中,网格的质量对分析计算的结果有至关重要的影响。高质量的网格是高精度分析结果的保证,而质量不好或者差的网格,则可能会导致计算的无法完成或者得到无意义的结果。在一个完整的分析计算过程中,与网格设计与修改相关的前处理工作占到了CAE工程师工作量的70%-80%,CAE工程师往往要花费大量的时间来进行网格处理,真正用于分析计算的时间很少,所以主要的瓶颈在于如何快速准备好高质量的满足分析计算要求的网格。准备高质量的分析模型是一件很费时间和精力的事情,而且,要求完成该项工作的技术人员具有相当的技术经验和背景,才能完成高质量的网格。具体地说,就是要求前处理工程师能够根据CAE工程师提出的分析要求“设计”出能满足CAE工程师分析要求的合适的网格,然后提交给CAE工程师进行分析计算。之所以是网格“设计”而不是网格划分,说明了要设计出能够满足分析计算要求的高质量的网格,并不是一件容易的事情,要完成这项工作需要很多方面的知识和技术要求。

针对一个具体的分析计算要求,要获得一个满足该分析技术的高质量的网格,一个承担该项目网格设计的前处理工程师需要从以下几个方面进行综合考虑:

分析计算的目的(定性还是定量)

分析计算的类型,如强度分析、刚度分析、耐久性分析、NVH分析、碰撞分析、CFD分析、 热流分析、动力学响应分析等(分析类型对网格的质量和形状有不同的要求)

分析计算的时间要求(要求时间的紧迫与否也决定了采用何种网格形式)

分析计算所采用的求解器(不同的求解器对不同的分析问题有特定的网格形式和要求)

尽可能采用最好的单元类型(所应用的求解器可以采用的单元类型,也会决定网格的质量与形状要求)

尽可能采用最好的网格类型(最好的网格类型意味着对于面,尽可能采用四边形网格;对于体,尽可能采用六面体单元)

由此可见,满足计算分析要求的高质量的网格是由前处理工程师精心“设计”出来的,而不是随随便便“划分”出来的。

后处理

随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法(CAE)。随着数值分析方法的逐步完善和计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。后处理作为建立有限元模型的一个重要环节,要求考虑的问题较多,需要的工作量较大。 运算的结果需要快速方便地得到形象、一目了然的2D图表、3D动画显示。然而动辄几百MB甚至几个GB的运算结果文件的整理也是让人头疼的事情,最好交给软件能自动或者人性化地半自动提取生成位移曲线、应力云图、动画图像,最好还能帮助我们便捷地编写报告。所以,后处理软件的好坏直接关系到了我们对结果的提取和报告的编写。由上可见,后处理工作也是CAE工作的重头戏。 Abaqus/CAE具有完善的可视化功能,可以使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表现结果,也支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示,另外可以直接生成BMP、JPG、EPS、TIFF等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友好的用户界面可迅速找到问题所在,同时有助于缩短评估结果的过程。


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