有限元分析是什么

在三维设计时，为了对设计进行验证，以便得到最佳的设计方案，就需要进行有限元分析，那么什么是有限元分析呢？

有限元分析是工程师用来解决工程问题的工具之一，是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元分析提供了快速、廉价地探索各种原型选项和设计的能力。这使得有限元分析成为提高产品性能、降低成本和缩短项目交付周期的重要工具，如果您构建并测试一个原型，您可能会发现该原型在50%负载时突然断裂。然后，您将构建另一个原型，使失败的部分更厚，并重新测试。然后，您可能会发现您的原型在不同的地方在75%的负载下出现故障。重复设计和测试循环，直到达到100%负载，没有任何故障或损坏。

有限元分析的优势是什么

有限元分析的优点之一是，在制作原型之前，您可以在计算机辅助设计模型的任何部分找到应力，因此，您可以预测哪些区域可能首先失效，以及哪些第二和第三区域可能在较高负载下失效。通过正确应用有限元分析，您可以在仿真模型而不是物理原型上，有效地执行设计迭代。

有限元分析的另一个优点是，你可以沿着构建和测试路线看到你看不到的东西。例如，如果你让灰铸铁铸件过载，在它突然开裂或断裂之前，变形可能是不明显的。现在，如果你想让它在某个方向变得更硬，那么很难在试验台架上测量如此小的挠度。通过有限元分析，挠度很容易看到，这有助于您理解载荷路径，并以最有效的方式加固结构。

有限元分析的基本步骤

有限元分析的基本步骤通常为：

第一步 预处理。根据实际问题定义求解模型，包括以下几个方面：

1.定义问题的几何区域：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域；

2.定义单元类型；

3.定义单元的材料属性；

4.定义单元的几何属性，如长度、面积等；

5.定义单元的连通性；

6.定义单元的基函数；

7.定义边界条件；

8.定义载荷。

第二步 求解计算：将单元总装成整个离散域的总矩阵方程（联合方程组）。总装是在相邻单元结点进行。状态变量及其导数（如果可能）连续性建立在结点处。联立方程组的求解可用直接法、迭代法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。

第三步 后处理：对所求出的解根据有关准则进行分析和评价。后处理使用户能简便提取信息，了解计算结果。

简单来说，有限元分析可分成三个阶段，预处理、计算求解和后处理。预处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

有限元分析具体能做什么

有限元分析功能应用

有限元分析是应力和结构分析最常用的工具。它还可以从运动学分析系统和计算流体动力学系统等其他工具接收输入数据。有限元分析软件可用于：

1.机械工程设计

2.计算机辅助制图和工程模拟服务

3.结构分析

4.模态分析

5.固体力学

6.模具流动分析

7.疲劳和断裂力学

8.热和电分析

9.金属板成形分析

有限元分析应用领域

随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段。

有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。

有限元分析常用软件

有限元分析常用的软件有ANSYS、Abaqus、CATIA等。下面，为大家介绍一下，最为常用的有限元分析软件Abaqus。

Abaqus为全球知名的大型通用有限元分析软件，具有单元类型全、材料模型多、分析能力强、可扩展性高等特点，特别是在求解复杂非线性问题方面具有显著优势。

除了用于模拟汽车、航空航天等结构力学问题，Abaqus在基础设施行业也得到了众多应用。Abaqus提供了多种混凝土和岩土塑性模型，支持静力、动力、显式动力、渗流、传热等分析类型，对基础设施中的各类力学问题的模拟具有广泛适用性，例如建筑桥梁等结构的整体弹塑性分析和稳定分析，局部多尺度与精细化模拟，地下结构、边坡稳定性、桩基础、渗流和固结等各类岩土工程问题。

软件功能模块

Abaqus软件主要由前后处理模块Abaqus/CAE，隐式求解器模块Abaqus/Standard和显式求解器模块Abaqus/Explicit共3个模块组成。

1.Abaqus/CAE 前后处理模块

Abaqus/CAE使您能够快速有效的创建、编辑、监控、诊断和后处理先进的Abaqus分析。Abaqus/CAE将建模、分析、工作管理以及结果显示集成于一个一致的、使用方便的环境中、这使得初学者易于学习而经验丰富的用户工作效率会更高。

2.Abaqus/Standard 隐式求解器模块

Abaqus/standard使各种线形和非线性工程模拟能够有效、精确、可靠的实现。广泛的分析能力、优越的性能、完备的用户指南、高质量一流的技术支持使得Abaqus/Standard成为分析许多工程问题的有效工具。此外许多常见的建模前后处理软件都支持Abaqus。Abaqus/Standard提供各类型的分析程序，从常见的线性问题分析到复杂多步非线性问题都能高效、可靠的解决。

3.Abaqus/Explicit 显式求解器模块

Abaqus/Explicit（显式积分）为模拟广泛的动力学问题和准静态问题提供精确、强大和高效的有限元求解技术。Abaqus/Explicit适用于模拟高度非线性动力学和准静态分析（可以考虑绝热效应)、完全耦合瞬态-位移分析、声固耦合分析。Abaqus/Explicit特别适用于分析瞬态动力学问题，例如：非线性抗震，弹道冲击等A baqus/Explicit高效处理接触问题和其它非线性的能力使其成为求解许多非线性准静态问题的有效工具，如制造过程（如高温金属轧制和扳金冲压）和能量吸收装置缓慢挤压过程的模拟。

软件特点

1.广泛的非线性分析规程，包括结构应力、显式动态、热应力、热传递、孔隙流体扩散等等。

2.现代线性动态框架，包括高性能本征解算器、瞬态和稳态动态、随机响应和子结构。

3.先进的材料建模能力，包括金属、聚合物、复合材料、混凝土和断裂力学。

4.强大的一般接触功能，用于对大型零件装配体之间的复杂交互建模。

5.高性能解算器，可最大限度地缩短仿真周转时间。

软件应用

Abaqus能用于建筑工程、岩土工程、桥梁工程、水工、防火、交通工程、海洋结构、特种结构等领域中。

Abaqus具体应用：Abaqus在八大工程领域中的应用

Abaqus2023年新功能：SIMULIA 2023 新功能直通车｜Abaqus 2023x 新功能介绍第一弹

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