改进有限元模型的3个步骤

开发成功而有效有限元分析模型对于设计工程师来说是一个令人沮丧的经历。模型需要简单且易于复制，同时仍然足够复杂以提供有效的测试结果。这就产生了一个问题，即模型通常过于简化和近似，无法提供准确的分析，或者模型过于复杂，无法轻松处理。不同类型的模型也需要不同类型的网格生成。最后，需要准确地施加载荷以获得准确的结果。我们将讨论这些挑战及其解决方案。

如何改进有限元模型:模型简化

改进有限元模型的一个重要步骤是模型简化。然而，必须以正确的方式简化模型以实现准确的分析。

Ansys Sherlock中的有限元分析仿真示例

模型几何的生成是有限元分析中最困难的方面之一。FEA初学者常犯的一个错误是假设作为产品设计过程的一部分创建的计算机辅助设计(CAD)模型可以直接插入到FEA研究中。设计师的CAD模型通常包含大量的细节，这可能需要数小时或数天的处理才能纳入模拟分析。

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然而，这些细节在有限元分析中往往是不必要的。更糟糕的是，在有限元模型中包含不必要的细节会导致网格质量差，模拟运行时间低，结果不准确。

对于分析人员来说，了解何时以及如何简化设计师传递给他们的模型是进行有效有限元模拟的关键技能。

有限元分析优化:去除不必要的对象特征

也许最常见的细节，可以立即从大多数CAD模型中删除是圆角和圆。真正的方形边缘在现实世界中很少存在。边缘通常是圆润的，CAD模型通常会在许多(如果不是全部的话)几何体上包含这种圆润。然而，正方形的边缘更容易有限元中的网格划分，并且大多数小圆角/圆不会影响全局位移计算。CAD工具通常会有一个功能来帮助去除圆角/圆，如填充命令Ansys SpaceClaim。适当地使用这些特性可以快速降低模型的复杂性，而用户的工作量很少。

Ansys spacecclaim中的增量圆移除

结合有效的几何和约束

另一种常见的简化是去除无关紧要的物体或用有效的几何或约束代替它们。例如，大多数机械组件包括紧固件，如螺栓和铆钉。有时，可能有必要在模型中包括螺栓的几何形状;然而，在许多情况下，螺栓几何形状可以用大大简化的三维几何形状、一维梁单元代替，甚至可以完全去除，用刚性接触约束或固定边界条件进行近似。

在非常小的情况下，机械冲击结果显示可以忽略的全局和局部结果
芯片组件包括(左)和不包括(右)。

例如，如果在12x12英寸印刷电路板组件(PCBA)上模拟机械冲击，那么像0201电阻器这样的非常小的组件将不会对模型的整体刚度产生影响，并且可以完全移除。可能需要对16引脚SOIC等较大的组件进行建模，但可以更换焊料，并通过引线和电路板之间的刚性接触进行近似。Ansys夏洛克是一种工具，可以帮助从PCBA设计阶段可用的信息中生成现成的fea模型，通过接收用于PCBA制造的ECAD信息，并自动创建简化的，网格化的，现成的PCBA模型。

如何改进有限元模型:正确的网格生成

除了对模型进行特征化之外，还需要做出许多决策网格生成。在创建精确的网格时，Ansys-DfR通常会考虑三个方面:

• 选择壳和固体元素
• 选择十六进制(砖块)和tet(金字塔)元素
• 选择合适的网格尺寸和网格顺序

壳与固体元素

通常情况下，CAD几何图形将完全由三维体组成。然而，在有限元模型中，用壳单元而不是实体三维单元来划分这些物体可能是有利的。

Ansys Sherlock的新功能允许快速生成这些钢筋几何形状。这些增强使用户能够有效地捕捉痕迹对电路板变形的影响。

此外，在有限元模型中适当地加入壳单元可以大大提高仿真运行时间和结果的准确性。如果使用得当，壳单元通常可以在薄壁结构(如金属板)上生成更高质量的网格，而元件数量要少得多，从而在显著降低计算成本的情况下获得更准确的结果。像Ansys spacecclaim中的“Create Midsurface”功能这样的CAD工具可以帮助准备外壳网格的几何形状。

使用Ansys spacecclaim Midsurface Tool将实体体(左)替换为表面体(右)。

这似乎是直观的假设，3D网格产生更多的细节，这提供了更准确的结果。但情况并非总是如此。特别是在大弯曲的情况下，当实体单元用于网格薄壁几何形状时，通常会产生人为的刚性结构，从而导致不准确的模拟。此外，通过薄壁结构的厚度来细化网格并生成足够的元素以获得精确的位移和应力结果可能非常困难。

此外，如果几何结构足够复杂，当使用实体元素时，薄壁结构可能导致质量差的网格，产生长宽比较差的片状元素，对结果产生负面影响。

十六进制与Tet元素

当决定在有限元模型配置中是使用六面体(hex)元素还是四面体(tet)元素时，重要的是要记住对象本身的整体形状和复杂性。一般的经验法则是，如果可能的话，使用六面体元素进行网格化。十六进制或“砖”元素通常比四面体元素在更低的元素计数下产生更准确的结果。但是，如果对象包含锐角或其他复杂的几何形状，则可能需要与四面体元素进行网格划分。

一个相同的身体网格与十六进制元素(左)和tet元素(右)。

最好将模型简化到完全用砖块进行网格化，但这并不总是可行的。对于需要网格的复杂几何形状，要注意确保网格不会导致不准确的结果。这通常意味着更高的元素计数、高阶元素和更长的运行时间。

出于这些原因，强烈推荐任何模型简化，如去除圆角或分割体，允许十六进制网格，而不会显着改变几何形状。

网格尺寸和顺序

正确理解网格的顺序和尺寸是在有限元分析中找到准确结果和合理运行时间之间的平衡的关键。

网格尺寸只是指一个元素的特征边缘长度。较小的网格尺寸将导致模型中更多的元素，从而导致更长的运行时间和更准确的结果。阶描述用于计算单元位移的形状函数。

一阶单元仅在单元的角处有节点，并且节点之间的位移是线性计算的。二阶单元包括拐角之间的中间节点，并以二次方式计算位移。二阶元素中的附加细节通常会提高精度，但会显著增加计算成本。

二次元(左)和线性元(右)。节点以绿色突出显示。
请注意二阶元素的两个角之间的中间节点。

生成有效有限元网格的关键是在所分析的特定问题的顺序和尺寸之间取得适当的平衡。如果可能的话，使用二阶元素并迭代地细化网格，直到结果收敛。然而，对于更大的问题，即使使用高性能计算也需要几天才能解决，这可能是不可行的。在这些情况下，分析人员需要利用经验来对网格大小和顺序做出适当的决定。

如何改进有限元模型:适当的载荷应用

确定适当的载荷应用是有限元分析的重要步骤。负载应用是正在测试的对象的模型输入，例如热循环，跌落冲击，振动或静态弯曲等特定事件。了解如何应用负载的细微差别对于模拟对象在现实环境中将面临的事件至关重要。

一个常见的例子是确定所施加的负载应该是静态的还是瞬态的。例如，如果工程师在装配过程中模拟结构的弯曲，那么将负载建模为静态位移是可以接受的，因为应变速率可能要慢得多，并且结果与时间无关。然而，如果工程师正在模拟由掉落相同组件引起的类似偏转，他们可能需要使用瞬态模型来捕获相关的惯性效应，因为负载的应用时间要快得多，并且必须捕获与时间相关的效应。

在电子仿真领域，我们在模拟热循环时经常遇到类似的情况。例如，当研究板级(而不是组件级)的热膨胀时，通常可以使用线性材料特性近似，并且静态的、与时间无关的温度梯度可能是合理的。当板水平位移和弹性应力/应变是分析的焦点而不是蠕变应变/能量时，这是可以接受的。但是，在研究组件级时焊接疲劳必须包括随时间变化的焊料蠕变特性。在这种情况下，重要的是准确地应用热循环的斜坡和停留时间，而不是简单地将温度线性上升。蠕变模型包括与时间相关的特性，因此必须对模拟周期进行完整建模，以最准确地计算用于预测焊料疲劳的蠕变应变/能量结果。

根据期望的分析结果，相同的实际事件在有限元分析中并不总是相等的。记住对象可能面临的现实世界的压力因素以及这些压力因素如何影响兴趣组成部分是很重要的。正确输入这些细微差别将导致准确、有效和可操作的分析。

通过正确的预处理，可以在不影响其精度的情况下显著提高有限元分析的速度。

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