结构力学仿真
数字开发链-有限元分析（FEA）是计算结构、热、声和耦合问题的既定程序。通过这种方法，可以在第一个原型生产之前检查产品的负载情况。同时通过这种方式，可以对当前设计版本进行模拟分析，并在必要时通过建设性的调整进行优化。在最好的情况下，以后只进行少量必要的测试。因此，有限元分析的应用可以降低开发成本。
结构力学模拟导论（有限元分析）
有限元法是一种数值逼近方法，适用于任何场问题，即可以用偏微分方程描述的问题。在结构力学中，它可以用来计算几乎所有可以想象到的机械载荷情况。本节的目的是，在混合和应用系统的产品开发过程中对这种分析方法进行概述。
一般来说，典型的有限元分析包括三个步骤：
- 预处理阶段
- 执行数值模拟
- 对结果进行后处理，进行可视化、参数提取和优化
预处理
三维结构通常使用CAD程序（计算机辅助设计）创建。将这些几何图形导入预处理器后，分析的准备工作就开始了：
几何简化和处理，维度化：除其他事项外，对预期分析不重要的几何细节将被删除。这可以是例如，半径、孔洞或后来卸载的区域。此外，还决定是进行3D、2D还是轴对称分析。这项工作的目的是降低模型的复杂性，只带走必要的细节，从而最终减少分析时间和成本。
离散化：现在零件几何结构被划分为在节点处连接的小有限元。这些单元在维度、节点数量和内部描述上有所不同，由用户根据具体的计算要求进行选择。根据待描述问题的维度不同，可以使用杆元（1D）、壳元（2D）或体元（3D）。通常的分析程序在每个维度上都有大量不同的元素描述。例如，要捕获曲线的元素边界，在元素的一侧有2个节点已经不够了。它必须在2个角节点之间的中间至少再插入一个节点。每个元素侧的节点数影响内部使用的所谓接近函数，这是每个元素的内部数学描述，也是计算成本。
图1-静态机器混合器的三维有限元网格（四面体单元）
材料分配：在这一步中，每个元素被分配一个材料属性。在静载下的静态、线弹性分析的最简单情况下，这些是密度、弹性模量和泊松比。如果计算要表示更复杂的行为，则可以提供额外的参数，例如应力-应变曲线或随时间变化的数据。
边界条件和外部载荷：术语边界条件意味着，例如，梁的固定。这在模型中是通过防止相应节点的所有运动来实现的。外部载荷要么施加到相应的节点（力、矩），要么施加到元素表面（压力载荷）。
执行数值模拟
在预处理器中定义有限元模型后，由其创建方程组，并将方程组传递给求解器，再由其进行求解。以前未知的量（位移、截面和反作用力）现在可以作为结果数据在内部程序数据库中获得，并可以与计算模型一起传递给后处理器。
后处理
在后处理阶段，对数值模拟的结果进行处理，并以图形（矢量图、等高线图等）、视频或数值表的形式呈现。与预处理类似，这项工作大多由用户直接控制。例如，现在可以澄清以下问题：
计算结果是否可信？为此，进行了关于变形、应力或应变大小的粗略计算，并与数值结果进行了比较。为此目的，所谓的人工计算通常使用经典力学的方法进行。
组件是否在施加的负载下失效？是否有足够的安全余量？为此目的，例如在静力分析中，将计算的变形、应力和应变与允许值进行比较并进行评估。例如，在对内压下的混合器外壳的分析中，这些值将是最大径向膨胀，由于覆盖力或周向应力和应变引起的长度变化。
有什么优化潜力呢？由于分析结果提供了关于关键区域的信息，设计师可以得到具体的优化建议，例如增加半径以减小缺口应力或增加壁厚以减少变形或应力。另一方面，如果计算出的变形或应力非常小，应该有过高的安全裕度，也可以提供关于壁厚减小的信息。
图2-混合管外壳在使用过程中的最大主应力
作者简介：
Thomas Zacharias在苏尔寿多个部门工作了18年，现在是medmix Switzerland AG的“高级技术专家”。他的主要工作是通过应用分析和数值计算方法以及开发单独的实验测试方法来确保和优化高精度应用和混合系统的结构完整性。
