在工業(yè)4.0的大背景下，智能制造時代已悄然來臨。為提高效率，降低成本，在產(chǎn)品設(shè)計之初就能對產(chǎn)品的技術(shù)性能有較為準(zhǔn)確的預(yù)測，有限元法 (Finite Element Method, FEM) 在智能制造時代扮演的角色越來越受到人們的重視。
目前，有限元分析法已從解決產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中的單一問題的工具，逐漸發(fā)展成為從產(chǎn)品概念設(shè)計開始，到產(chǎn)品詳細設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)過程設(shè)計、產(chǎn)品運行過程監(jiān)控仿真的產(chǎn)品全生命周期仿真優(yōu)化設(shè)計平臺。
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題近似解的數(shù)值技術(shù)，最初主要用來求解飛機結(jié)構(gòu)的靜力及動力特性。隨后應(yīng)用范圍很快擴展到熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等，連續(xù)性物理問題。
有限元分析法的求解思想就是將復(fù)雜問題區(qū)域進行離散化分割，分割成許多子區(qū)域，對每個子區(qū)域進行求解，得到近似解，再通過變分使得誤差函數(shù)達最小值，此時便得到了整個問題區(qū)域的近似解。
某導(dǎo)彈艙段的簡化模型及離散化有限元網(wǎng)格模型
有限元的求解思想與我國古代數(shù)學(xué)家劉徽通過“割圓術(shù)”求解圓周率的思想有異曲同工之妙，將圓分割的份數(shù)越多，圓內(nèi)接多邊形的面積越接近圓的面積。
割圓術(shù)示意圖
實際工程問題大多都十分復(fù)雜且難以得到精確解，而有限元技術(shù)不僅計算精度高，還能求解各種復(fù)雜形狀和不同物理場，因此很快成為一種解決實際工程問題的行之有效的方法。
如今隨著計算機技術(shù)及計算數(shù)學(xué)的發(fā)展，各種商用有限元計算軟件層出不窮，商用有限元計算軟件的操作也越來越人性化。目前較為常用的有限元分析軟件有ANSYS、Abaqus、Patran/Nastran，這幾款軟件基本功能大多相同，但又各有所長。
ANSYS
ANSYS以壓力容器計算出生，在收購了一系列流體、電磁等領(lǐng)域?qū)I(yè)軟件后，目前應(yīng)用領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、化學(xué)化工反應(yīng)等，在多物理場耦合方面具有較大優(yōu)勢。
ANSYS 多物理場耦合分析
ABAQUS
ABAQUS以求解非線性問題見長，應(yīng)用領(lǐng)域包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、非線性動力學(xué)、海洋工程結(jié)構(gòu)分析、水下沖擊分析、柔體多體動力學(xué)、熱傳導(dǎo)等。
ABAQUS 沖擊分析
Patran/Nastran
Patran/Nastran出生自NASA，是一款大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，在線性有限元分析和動力學(xué)計算方面具有優(yōu)勢，此外求解器求解效率要高于ANSYS。
Nastran 飛機發(fā)動機葉片顯式非線性分析
在無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從方案設(shè)計到結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計，從靜力學(xué)分析到結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，從結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計到疲勞壽命預(yù)測，有限元法已滲透到無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，主要可總結(jié)為以下幾點
1、總體方案設(shè)計階段
在無人機總體方案設(shè)計初期，需要快速的計算驗證和反復(fù)迭代改進，最終確定滿足設(shè)計要求的總體結(jié)構(gòu)方案，而此時利用有限元法對簡化的總體結(jié)構(gòu)模型進行計算驗證，能夠很快的得到計算結(jié)果，驗證方案可行性。
2、細節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段
利用有限元法，對無人機結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算、模態(tài)分析、動響應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)熱變形及熱應(yīng)力分析等，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員能夠快速得知所設(shè)計無人機細節(jié)結(jié)構(gòu)的可行性并進行迭代優(yōu)化設(shè)計。
3、結(jié)構(gòu)工藝成型設(shè)計階段
此階段可以通過現(xiàn)成的工藝設(shè)計有限元軟件對無人機結(jié)構(gòu)工藝方案進行設(shè)計，尤其對于機身有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的無人機，復(fù)合材料部件工藝方案設(shè)計的好壞將直接影響無人機的整體性能。
以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成形工藝中的樹脂傳遞模塑 (RTM) 成型工藝為例，大型結(jié)構(gòu)件一體成型時，事先對樹脂充型過程進行有限元模擬，能夠指導(dǎo)工藝設(shè)計人員合理的安排布置樹脂導(dǎo)流管及樹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)實驗階段
由于無人機上搭載著多種傳感器與電子設(shè)備，無人機結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，需要進行整機力學(xué)實驗以驗證整機結(jié)構(gòu)，此時對整機進行有限元分析，能夠預(yù)測無人機上各設(shè)備的力學(xué)環(huán)境，獲得整機及設(shè)備在不同頻率下的振動響應(yīng)趨勢，這些信息對于整機力學(xué)實驗具有重要的參考價值。
5、無人機使用維護階段
關(guān)鍵部位零部件疲勞壽命預(yù)估及使用過程中局部損壞結(jié)構(gòu)的損傷分析，能夠使無人機維護人員提前發(fā)現(xiàn)潛在危險并及時采取措施，最大限度降低無人機由于疲勞及結(jié)構(gòu)損傷造成的經(jīng)濟損失。
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