有限元模拟

有限元模拟是缩短新产品开发时间的一种行之有效的方法。这种基于数值分析的方法有助于制造耐用和高韧性的产品，也确保了最佳的运行安全性。

有限元模拟显示了部件或材料对特定影响的反应，它以有限元模拟计算为基础。通过这种数值计算方法，单个部件或整个组件被划分为有限数量的元素（子区域）。这样就可以计算出各个子区域的机械性能，并最终计算出整个部件的机械性能。有限元模拟以特殊算法为基础，利用复杂的微分方程组合确定近似值，这需要一台计算能力强大的计算机。有限元软件通常与CAD应用程序相结合。有限元模拟的结果可用于各种不同物理问题领域。最常见的应用之一是对形状复杂的固体部件进行强度分析。 

就时间和成本而言，尤其是在涉及到原型或制造成本高昂且需要花费大量精力进行测试的产品时，有限元模拟是值得的。特别是，采用轻量化结构的部件可以通过有限元模拟获得更高的动态性能，减少材料的使用并优化能源效率。

奇点是由于几何形状、材料或边界条件的不连续性而产生的临界点，在有限元模型中需要特别注意。在这些点上，需要对网格进行强力细化，以获得可靠的结果。在结构力学中，许多局部应力峰值经常出现在这些点上，其值和范围在很大程度上取决于网格解析的细化程度。奇点现象可能有不同的原因：

• 尖角（角奇异点）
• 引入载荷
• 不同部件之间的接触
• 不同材料的组合

为了确定部件的疲劳强度，必须要有较高的网格质量。为了准确表示所产生的应力，在进行静态或周期计算时，有限元网格必须尽可能精细。根据结构力学的经验法则：在90度的弧线上至少要有5至6个方形元素。在计算使用寿命时，部件还必须在所有三个空间方向上进行精细的网格划分，因为深度方向上的应力下降也要进行评估。

进行有限元模拟计算时，必须首先从CAD程序中读取部件的几何形状。然后在有限元预处理器中输入所需的条目。然后输入网格参数（如元素类型、元素尺寸、材料属性、边界条件）和作用在部件上的载荷（如温度或压力）。将部件细分为小元素后，就可以创建足够精细的网格。在此为元素定义了特殊的方法函数，用于描述元素在不同影响和边界条件下的行为。这些微分方程描述了相应的物理规律，与所有元素各自的边界条件、初始条件和过渡条件相结合，形成了一个完整的方程组。然后使用有限元模拟软件中的方程求解器对其进行近似求解。在机械分析中，位移（变形）是主要的结果量。由此可以得出应变值和张力值。根据这些子单元的结果可以预测整个部件的反应。最后，必须对有限元分析进行验证。甚至可以将数值方法与物理任务结合起来，因此是一款多功能工具。在其帮助下，可以提前避免在实际原型中出现代价高昂的错误。此外，有限元模拟评估还能缩短开发时间。有限元模拟还能进行以下计算：

• 线性和非线性静力学
• 热力学
• 动力学
• 成型模拟
• 运行稳定性

一般来说，有限元模拟可能会出现以下错误：

• 由于基础知识不足，可能会进行错误的问题分析
• 如未遵循有限元网格划分规则，会导致近似解偏差较大
• 使用了具有不适合问题的方法函数的元素
• 使用的材料参数不当
• 未考虑或错误假定作用载荷
• 未应用或过度简化其他边界条件

为了排除可能出现的错误，必须对模拟进行验证，例如，可以通过比较模拟结果和测试结果来做到这一点。

有限元模拟用于：

• 结构分析。该分析可用于确定材料和部件的载荷和变形，以及分析接触情况。
• 刚度分析。有限元工程师可通过该分析确定压力或张力对部件造成的变形。
• 强度计算。这决定了各部件的强度是否符合相关标准。
• 生命周期分析。这在新产品开发中发挥着尤为重要的作用。如部件和整个组件不够耐用，产品召回会导致巨额成本。
• 蠕变计算。该计算可以帮助确定材料或部件在载荷作用下随温度和时间变化的塑性变形（蠕变行为）。
• 热模拟。该模拟说明了热量对部件的机械影响。例如，在太阳能电池组件的生产过程中，焊接电池时可能会产生热膨胀和机械应力，这些都可以通过有限元模拟软件直观地显示出来。
• 振动分析。该分析用于确定载荷作用如何刺激部件的固有频率：结构可能会因振动而失败。

蔡司的非接触式光学测量技术可在各种情况下提供高效的材料测试。它可以轻松集成到现有的测试夹具中，以二维或三维方式检测材料、部件和夹具的性能。结构是刚性的还是柔性的并不重要。蔡司的光学测量系统可以测试热载荷和机械载荷的影响，并为测量结果提供多种可能的用途。测量系统可用于

• 通过确定边界条件来确定材料参数，以支持数值模拟
• 通过对结果进行完整曲面比较，对边界条件进行比较和验证，从而验证数值模拟结果
• 材料表征
• 产品开发
• 质量保证

蔡司的非接触式光学测量技术提供了在流动应力影响下测试不同板材材料的可能性。在开发新的成型工具时，必须确定设计模型。为此，必须考虑模型在某些载荷影响下的行为。关键点的位置一目了然，便于及时做出相应修正。