在工業(yè)4.0的大背景下，智能制造時(shí)代已悄然來(lái)臨。為提高效率，降低成本，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就能對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能有較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，有限元分析法在智能制造時(shí)代扮演著越來(lái)越重要的角色。

有限元法興起于20世紀(jì)50年代末，是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。有限元分析法的求解思想就是將復(fù)雜問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行離散化分割，分割成許多子區(qū)域，對(duì)每個(gè)子區(qū)域進(jìn)行求解，得到近似解，再通過(guò)變分使得誤差函數(shù)達(dá)最小值，此時(shí)便得到了整個(gè)問(wèn)題區(qū)域的近似解。最初主要用來(lái)求解飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力特性。隨后應(yīng)用范圍很快擴(kuò)展到熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等，連續(xù)性物理問(wèn)題。

接下來(lái)就以無(wú)人機(jī)振動(dòng)有限元分析為例，看元王CAE仿真如何驗(yàn)證無(wú)人機(jī)機(jī)身及機(jī)翼等部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

FEA模型

分析條件

分析條件：

無(wú)人機(jī)前后三電機(jī)處約束固定，給整機(jī)施加一個(gè)1g的加速度激勵(lì)（激勵(lì)施加于約束固定點(diǎn)處，由固定點(diǎn)處傳遞到整機(jī)）進(jìn)行振動(dòng)分析，如下所示，分別模擬X、Y及Z方向。

分析結(jié)果

分析結(jié)果（振動(dòng)，X方向）

分析結(jié)果（振動(dòng)，Y方向）

分析結(jié)果（振動(dòng)，Z方向）

結(jié)論

無(wú)人機(jī)在1g的加速度激勵(lì)下進(jìn)行振動(dòng)分析，前后機(jī)翼、機(jī)身及連接組件的最大等效應(yīng)力均低于所用材料屈服應(yīng)力，連接可靠，無(wú)屈服失效風(fēng)險(xiǎn)。

有限元分析法已從解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中的單一問(wèn)題的工具，逐漸發(fā)展成為從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)開(kāi)始，到產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程監(jiān)控仿真的產(chǎn)品全生命周期仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。

而在無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從方案設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，從靜力學(xué)分析到結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，從結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)到疲勞壽命預(yù)測(cè)，有限元法已滲透到無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，主要可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1.總體方案設(shè)計(jì)階段

在無(wú)人機(jī)總體方案設(shè)計(jì)初期，需要快速的計(jì)算驗(yàn)證和反復(fù)迭代改進(jìn)，最終確定滿足設(shè)計(jì)要求的總體結(jié)構(gòu)方案，而此時(shí)利用有限元法對(duì)簡(jiǎn)化的總體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，能夠很快的得到計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證方案可行性。

2.細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

利用有限元法，對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算、模態(tài)分析、動(dòng)響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)熱變形及熱應(yīng)力分析等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員能夠快速得知所設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的可行性并進(jìn)行迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.結(jié)構(gòu)工藝成型設(shè)計(jì)階段

此階段可以通過(guò)現(xiàn)成的工藝設(shè)計(jì)有限元軟件對(duì)無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其對(duì)于機(jī)身有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的無(wú)人機(jī)，復(fù)合材料部件工藝方案設(shè)計(jì)的好壞將直接影響無(wú)人機(jī)的整體性能。

以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成形工藝中的樹(shù)脂傳遞模塑 (RTM) 成型工藝為例，大型結(jié)構(gòu)件一體成型時(shí)，事先對(duì)樹(shù)脂充型過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，能夠指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)人員合理的安排布置樹(shù)脂導(dǎo)流管及樹(shù)脂出入口以避免干斑的出現(xiàn)。

復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)RTM成型工藝仿真

4.后期力學(xué)實(shí)驗(yàn)階段

由于無(wú)人機(jī)上搭載著多種傳感器與電子設(shè)備，無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行整機(jī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證整機(jī)結(jié)構(gòu)，此時(shí)對(duì)整機(jī)進(jìn)行有限元分析，能夠預(yù)測(cè)無(wú)人機(jī)上各設(shè)備的力學(xué)環(huán)境，獲得整機(jī)及設(shè)備在不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng)趨勢(shì)，這些信息對(duì)于整機(jī)力學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要的參考價(jià)值。

5.無(wú)人機(jī)使用維護(hù)階段

關(guān)鍵部位零部件疲勞壽命預(yù)估及使用過(guò)程中局部損壞結(jié)構(gòu)的損傷分析，能夠使無(wú)人機(jī)維護(hù)人員提前發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)并及時(shí)采取措施，最大限度降低無(wú)人機(jī)由于疲勞及結(jié)構(gòu)損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失。

仿真保設(shè)計(jì)，除了無(wú)人機(jī)，針對(duì)其他產(chǎn)品也是一樣！有限元分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化維護(hù)各個(gè)階段都可以發(fā)揮重要作用。深圳市有限元科技有限公司（簡(jiǎn)稱元王）成立于2007年，是一家以計(jì)算機(jī)輔助工程CAE為主業(yè)，以工程仿真軟件開(kāi)發(fā)為核心，集CAE咨詢、CAE培訓(xùn)、CAE軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。 依托深厚的CAE技術(shù)背景和工程經(jīng)驗(yàn)，為客戶提供高水平的CAE工程咨詢服務(wù)，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。更多仿真案例，歡迎訪問(wèn)【元王仿真云】，服務(wù)仿真，助力設(shè)計(jì)，專業(yè)為你！