常見的有限元仿真分析有哪些？
我想問一下大家，你知道有限元仿真分析常見的有哪些嗎？它們的作用是什么？如果你只是有個(gè)概念但并不是有很深的了解，這篇內(nèi)容正好就能為你解惑。
CAE是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算，以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。
常見的CAE有限元仿真分析，我給總結(jié)出有以下八種：
一、靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析
靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)，主要是計(jì)算在固定不變的載荷作用下（包含由定常加速度引起的平衡慣性載荷）結(jié)構(gòu)的響應(yīng)（位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力），不考慮慣性和阻尼的影響。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。
結(jié)構(gòu)線性靜力分析中，假定結(jié)構(gòu)中的工作應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力，因此應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律，具有線性關(guān)系。同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形（位移）相對結(jié)構(gòu)的總體尺寸來說又是很小的，所以問題可以用線性方程計(jì)算。
二、模態(tài)分析
模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。模態(tài)也就是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自由振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)形態(tài)，也稱為振型。每一個(gè)自由振動(dòng)的固有頻率都對應(yīng)一個(gè)振型，一般說系統(tǒng)有多少自由度就有多少個(gè)固有頻率。模態(tài)分析的目標(biāo)是確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，即系統(tǒng)的各階固有頻率和振型，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
三、屈曲分析
屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于細(xì)薄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析中。在通常的結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)處于一個(gè)穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。但是有一些承受較大壓應(yīng)力的細(xì)薄結(jié)構(gòu)，例如細(xì)長的受壓桿、受到較大水壓的深海容器等，當(dāng)它們所受到的壓應(yīng)力達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，原來的平衡狀態(tài)就會(huì)變得不穩(wěn)定，受壓的直桿會(huì)因?yàn)槭シ€(wěn)定性而變彎曲，受到高水壓的容器會(huì)因?yàn)槭Х€(wěn)而壓癟。
四、非線性分析
非線性分析主要包括幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等。
幾何非線性問題是指結(jié)構(gòu)的變形比較大，使應(yīng)力和應(yīng)變之間不能再用線性關(guān)系來表示，很大的位移也可能使外力之間的平衡關(guān)系改變，以致不能繼續(xù)采用線性分析。
材料非線性問題是由于載荷過大等因素的影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力達(dá)到或超過材料的屈服應(yīng)力時(shí)，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不再符合虎克定律，也可能一些材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系本來就不服從虎克定理，這種問題統(tǒng)稱為材料非線性問題，如彈塑性問題、超彈性問題和蠕變問題等。
接觸問題是指系統(tǒng)的剛度由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變在不同值之間突然變化。接觸是一種很普遍的非線性行為，需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行有效的計(jì)算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題有兩大難點(diǎn)，一是在求解問題之前，不知道接觸區(qū)域表面之間是接觸的、分開的還是突然變化的，這隨著載荷、材料、邊界條件等因素而定；二是接觸問題常需要計(jì)算摩擦，各種摩擦模型是非線性的，這使得問題的收斂變得困難。
五、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)主要解決兩個(gè)問題：一是尋求結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型，了解振動(dòng)特性；另一個(gè)就是分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性，計(jì)算結(jié)構(gòu)受到動(dòng)載荷時(shí)的動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的大小及其變化規(guī)律。根據(jù)動(dòng)載荷的不同，動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算主要分以下幾類：
頻率響應(yīng)分析：主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在簡激勵(lì)作用下的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力響應(yīng)。頻率響應(yīng)分析中，載荷是時(shí)間的諧函數(shù)，需要指定它的大小、頻率和相位。頻率響應(yīng)分析限于線彈性結(jié)構(gòu)。
瞬態(tài)響應(yīng)分析：用于確定承受任意隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的任意組合作用下，隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力、應(yīng)變。分為直接瞬態(tài)響應(yīng)分析和模態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析。兩種方法均可考慮強(qiáng)迫剛體位移作用。
六、疲勞分析
疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)強(qiáng)度極限的載荷重復(fù)作用下，出現(xiàn)初始裂紋、裂紋擴(kuò)展，直到裂紋疲勞斷裂的現(xiàn)象。影響疲勞破壞的原因很多，主要考慮的是載荷的循環(huán)特征和循環(huán)次數(shù)、構(gòu)件材料的疲勞特性、構(gòu)件的應(yīng)力分布，以及構(gòu)件的形狀、大小尺寸以及材料表面熱處理等因素。
七、熱傳導(dǎo)分析
熱傳導(dǎo)分析通常用來校驗(yàn)結(jié)構(gòu)零件在熱邊界條件或熱環(huán)境下的產(chǎn)品特性，可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度分布狀況，并直觀地看到結(jié)構(gòu)內(nèi)潛熱、熱點(diǎn)位置及分布。
八、設(shè)計(jì)優(yōu)化
設(shè)計(jì)優(yōu)化是為滿足特定優(yōu)選目標(biāo)（如最小重量、最大第一階固有頻率或最小噪聲級(jí)等）的綜合設(shè)計(jì)過程。這些優(yōu)選目標(biāo)稱之為設(shè)計(jì)目標(biāo)或目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化實(shí)際上含有折中的含義，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更輕就要用更少的材料，這樣一來結(jié)構(gòu)就會(huì)變得脆弱，因此就要限制結(jié)構(gòu)件在最大許用應(yīng)力下或最小失穩(wěn)載荷下等的外形及尺寸厚度。類似地，如果要保證結(jié)構(gòu)的安全性就要在一些關(guān)鍵區(qū)域增加材料，但同時(shí)也意味著結(jié)構(gòu)會(huì)加重。
CAE有限元仿真分析在工程中具有廣泛的應(yīng)用，能夠幫助工程師們更好地理解和優(yōu)化產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的性能。這也就是為什么很多企業(yè)都離不開CAE仿真分析，不僅降本增效，還能提前規(guī)避產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等。
