有限元仿真技术的发展及其应用
有限元仿真技术
有限元仿真技术
引言
有限元仿真技术是一种用于解决工程问题的数值计算方法，通过将具有复杂几何形状和边界条件的问题离散为小的有限单元，然后分析这些单元的行为来近似解决原始问题。在过去几十年中，有限元仿真技术得到了广泛的应用，已经成为许多工程领域中不可或缺的工具。本文将探讨有限元仿真技术的原理、应用和发展趋势。
有限元分析的基本原理
有限元分析的基本原理是将连续的物理现象离散为有限数量的单元，然后在每个单元内建立代表物理属性的数学模型。这些单元通过一组已知的边界条件连接在一起，形成整个问题的数学模型。通过求解这个数学模型，可以获得问题的近似解。
有限元分析的核心是有限元模型的建立。建立有限元模型需要确定以下几个关键要素：
1.几何模型：需要根据实际问题建立几何模型，通常使用三维网格来离散几何
形状。
2.材料性质：需要确定每个单元的材料性质，例如弹性模量、密度、热导率等。
3.边界条件：需要确定每个单元的边界条件，例如力、热源等。
4.连接条件：需要确定不同单元之间的连接条件，例如接触、约束等。
有限元分析的应用领域
有限元分析技术可以应用于各个工程领域，下面列举了其中一些常见的应用领域：
结构力学
在结构力学中，有限元分析可以用于计算结构的应力、应变、位移等。它可以帮助设计师确定结构是否能够承受给定的负载，并对结构进行优化。有限元分析在建筑、航空航天、汽车等领域中得到了广泛的应用。
流体力学
有限元分析技术在流体力学中可以应用于解决各种与流体流动相关的问题，例如气动优化、水动力学等。通过对流体的速度场、压力分布等特性进行模拟和分析，可以帮助工程师预测和改善流体力学系统的性能。
有限元仿真软件在我国企业生产中的应用研究
有限元仿真软件在我国企业生产中的应用研究
有限元仿真软件在我国企业生产中的应用研究
随着科技的进步和计算机技术的发展，有限元仿真软件逐渐在我国企业生产中得到广泛应用。有限元仿真软件是一种通过数学模型和计算机模拟的方法来研究和分析物体在受力作用下的应力和变形情况的工具。它可以帮助企业进行产品设计、优化和改进，提高生产效率和产品质量。本文将通过介绍有限元仿真软件的基本原理，探讨其在我国企业生产中的应用，以及存在的问题和发展趋势。
有限元仿真软件的基本原理是将复杂的物体分成许多小的有限元单元，通过离散化的方法建立数学模型。然后，根据物体的材料特性、加载条件和边界条件等参数，利用数值方法求解模型，得到物体在受力作用下的应力和变形情况。有限元仿真软件的核心算法包括离散化、解方程、求解器和后处理等。经过多年的发展，有限元仿真软件已经具备了高精度、高效率和高可靠性的特点，广泛应用于航空航天、汽车、电子、能源等领域。
在我国企业生产中，有限元仿真软件主要应用于产品设计和性能分析。首先，它可以帮助企业进行产品的结构设计。通过建立物体的几何模型，设定材料属性和加载条件等参数，有限元仿真软件可以帮助设计师评估不同设计方案的强度和刚度等性能指标，指导设计优化。其次，有限元仿真软件可以用于产品的性能分析。企业可以根据产品的应力和变形情况，评估产品的可靠性和寿命，提前发现设计缺陷，避免事故发生。此外，有限元仿真软件还可以用于产品仿真试验的验证，减少实验成本和时间。通过与实验结果的比对，可以验证数值模型的
准确性和可靠性。
基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术研究
基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术研
究
近年来，随着科技的不断发展，计算机辅助技术在各个领域得
到广泛应用，其中基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术也愈
发受到重视。本文将从有限元方法的概念、模拟仿真技术的基本
步骤和在工程结构领域的应用等方面进行论述。
一、有限元方法的概念
有限元方法是一种基于离散化的数值计算方法。它将复杂结构
分割成多个微小的单元，将微分或积分求解问题转换为求解一系
列代数方程组的问题，从而得到数值解。有限元方法的核心思想
是“微元假设”，即在大范围内假定某个物理量（如位移、应变等）在微元内具有一定的分布规律，并得到一系列微分方程。然后将
所有微元的各个方程组合在一起，就可以得到整个物体的数学模型。
二、模拟仿真技术的基本步骤
在进行基于有限元方法的工程结构模拟仿真之前，需要先了解
模拟仿真技术的基本步骤。一般来说，工程结构模拟仿真技术的
基本步骤包括以下几点：
1、确定仿真对象：首先需要确定待仿真对象，如建筑物、桥梁、汽车、飞机等。
2、进行建模：将待仿真对象建立成一个几何结构模型。
3、确定模拟参数：需要根据实际情况确定仿真参数，包括材料特性、载荷、边界条件等。
4、选择计算方法：根据需要选择相应的计算方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。
5、进行仿真计算：输入所选取的计算方法，进行仿真计算。
6、结果分析：对仿真结果进行分析、验证和优化，以达到理想的设计目标。
三、基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术在工程结构领域的应用
基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术广泛应用于工程领域中的许多领域，比如航空航天、汽车制造、建筑工程和水利电力等。
有限元方法的发展及应用
有限元方法的发展及应用
1 有限元法介绍
1.1 有限元法定义
有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它是起源于20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。
有限元法的基本思想是将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元法最初应用在工程科学技术中,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。
1.2 有限元法优缺点
有限元方法是目前解决科学和工程问题最有效的数值方法，与其它数值方法相比，它具有适用于任意几何形状和边界条件、材料和几何非线性问题、容易编程、成熟的大型商用软件较多等优点。
（1）概念浅显，容易掌握，可以在不同理论层面上建立起对有限元法的理解，既可以通过非常直观的物理解释来理解，也可以建立基于严格的数学理论分析。
（2）有很强的适用性，应用范围极其广泛。它不仅能成功地处理线性弹性力学问题、费均质材料、各向异性材料、非线性应立-应变关系、大变形问题、动力学问题已及复杂非线性边界条件等问题，而且随着其基本理论和方法的逐步完善和改进，能成功地用来求解如热传导、流体力学、电磁场等领域的各类线性、非线性问题。他几乎适用于求解所有的连续介质和场问题，以至于目前开始向纳米量级的分子动力学渗透。
有限元模拟技术在主体锻造工艺设计中的应用
有限元模拟技术在主体锻造工艺设计中的应用
随着数字化技术的快速发展和现代工业的高度自动化，越来越多的制造企业采用计算机辅助设计和仿真技术来优化产品设计和生产工艺。有限元模拟技术是一种广泛应用于材料力学问题和工艺仿真问题的高精度数值分析方法。本文将介绍有限元模拟技术在主体锻造工艺设计中的应用。
一、有限元模拟技术基础
有限元模拟技术是一种基于数值计算的工程仿真技术，用于解决各种连续介质的物理力学问题。其主要思想是将整个分析区域划分成有限数量的小单元，每个小单元内的物理量被近似为常数，通过求解每个小单元的物理量，以达到对整体物理过程的分析和预测。有限元模拟技术的应用范围十分广泛，如汽车、航空航天、电子等领域的产品设计和制造过程中，都是使用有限元模拟技术进行优化和预测。
二、主体锻造工艺设计中有限元模拟技术的应用
主体锻造是指以锻造工艺为主要手段进行精密成形及加工。在主体锻造工艺设计中，有限元模拟技术可以帮助工程师进行材料流动分析、变形仿真以及应力分布预测等，从而提高工厂的生产效率和降低制造成本。
1.材料流动分析
在主体锻造过程中，材料流动状态对成品的形状和物理性能有着决定性作用。有限元模拟技术可以对材料在压力和温度作用下的流动状态进行分析和预测，通过对材料的流动路径和速度的分析，设计师可以调整模具结构和加热方式，以便获得更优质的成品。
2.变形仿真
主体锻造过程中，材料会受到外部压力和温度的作用，从而发生变形，这会直接影响到成品的精度和完整性。有限元模拟技术可以帮助工程师对材料的变形进行仿真和分析，评估成品的形状、精度以及产生的缺陷类型和程度，以优化模具的形状和加热方式。
有限元法的发展现状及应用
有限元法的发展现状及应用
本文将介绍有限元法的发展现状及其在各个领域中的应用。有限元法是一种数值分析方法，通过将连续的物理问题离散化，将其转化为有限个离散的单元进行分析，从而得到近似的数值解。
有限元法是一种将连续域问题离散化为有限个单元体的数值分析方法。这些单元体通常由节点连接，节点之间通过插值函数建立关系。通过对单元体进行力学分析，可以得到节点力与节点位移的关系，进而建立整体结构的力学方程。通过求解这些方程，可以得到结构在外部载荷作用下的位移、应力、应变等物理量。
有限元法的发展可以追溯到20世纪50年代，当时工程师们开始尝试将连续问题离散化，并将其应用于结构分析和设计中。随着计算机技术的发展，有限元法得到了广泛应用。其主要优点包括：可以处理复杂几何形状和材料属性问题，能够进行非线性分析和动态响应分析，并且可以方便地与其他数值方法和实验方法进行耦合。然而，有限元法也存在一些缺点，如需要建立大量模型、计算量大、对计算机硬件要求高等。
有限元法被广泛应用于各个领域，如机械、土木、化工、冶金等。
在机械领域，有限元法被用于分析各种机械零件的力学性能，如齿轮、轴、弹簧等。例如，通过对汽车齿轮进行有限元分析，可以优化其结
构设计，提高齿轮的强度和寿命。
在土木领域，有限元法被用于分析建筑结构的静动力响应、地震反应等问题。例如，利用有限元法对上海东方明珠电视塔进行抗震分析，可以优化其结构设计，提高结构的抗震性能。
在化工领域，有限元法被用于模拟化学反应过程、流体流动等问题。例如，利用有限元法对化工反应器进行模拟分析，可以优化反应器的设计和操作条件。
有限元仿真技术在机械设计课程中的应用
有限元仿真技术在机械设计课程中的应用
随着科技的不断进步，有限元仿真技术在机械设计领域中的应用越来越广泛。在机械设计课程中，学生们通过学习和应用有限元仿真技术，能够更好地理解和掌握机械设计的原理和方法。本文将探讨有限元仿真技术在机械设计课程中的应用，并介绍其优势和局限性。
有限元仿真技术是一种基于数值计算的方法，通过将复杂的结构分割成有限数量的小单元，然后对每个小单元进行力学分析，最终得到整个结构的力学行为。在机械设计课程中，有限元仿真技术可以帮助学生们进行结构的强度分析、振动分析、热传导分析等，从而评估和改进设计方案。
有限元仿真技术在机械设计课程中的应用可以提供更加准确和全面的分析结果。传统的机械设计方法通常基于经验和试错，而有限元仿真技术可以通过数值计算得到更加精确的结果。学生们可以通过仿真软件对不同设计方案进行分析，评估其强度、刚度、疲劳寿命等性能指标，从而选择最优的设计方案。
有限元仿真技术可以帮助学生们更好地理解机械设计原理和方法。通过进行仿真分析，学生们可以观察和分析结构在不同载荷下的变形和应力分布情况，深入理解力学原理。同时，仿真软件通常提供可视化的结果展示，学生们可以通过动画和图表直观地了解结构的行为，加深对机械设计的理解。
有限元仿真技术还可以提高学生们的解决问题的能力和创新思维。在机械设计课程中，学生们需要面对各种复杂的设计问题，如结构优化、材料选择等。通过应用有限元仿真技术，学生们可以快速建立模型、进行分析和优化，提高解决问题的效率和准确性。同时，仿真技术也可以激发学生们的创新思维，鼓励他们提出新颖的设计方案和解决方法。
有限元仿真技术的发展及其应用
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莱钢 科 技
２０ ０ ８年 ４月
有 限 元 仿 真 技 术 的 发 展 及 其 应 用
有限元仿真技术的发展及其应用
有限元仿真技术的发展及其应用
许荣昌 孙会朝
(技术研发中心)
摘 要:介绍了目前常用的大型有限元分析软件的现状与发展,对其各自的优势进行了分析,简述了有限元软件在冶金生产过程中的主要应用领域及其发展趋势,对仿真技术在莱钢的应用进行了展望。
关键词:有限元仿真 冶金生产 发展趋势
0 前言
自主创新,方法先行,创新方法是自主创新的根本之源,同时,随着市场竞争的日益激烈,冶金企业的产品设计、工艺优化也由经验试错型向精益研发方向发展,而有限元仿真技术正是这种重要的创新方法。近年来随着计算机运行速度的不断提高,有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用,比如,有限元分析在冶金、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域正在发挥着重要的作用,主要表现在以下几个方面:增加产品和工程的可靠性;在产品的设计阶段发现潜在的问题;经过分析计算,采用优化设计方案,降低原材料成本;缩短产品研发时间;模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试验成本。与传统设计相比,利用仿真技术,可以变经验设计为科学设计、变实测手段为仿真手段、变规范标准为分析标准、变传统分析技术为现代的计算机仿真分析技术,从而提高产品质量、缩短新产品开发周期、降低产品整体成本、增强产品系统可靠性,也就是增强创新能力、应变能力和竞争力(如图1、2)
。
图1 传统创新产品(工艺优化)设计过程为大循环
作者简介:许荣昌(1971-),男,1994年毕业于武汉钢铁学院钢铁冶金专业,博士,高级工程师。主要从事钢铁工艺技术研究工
有限元的发展历史和趋势
有限元的发展历史和趋势
摘要
1965年，“有限元”这个名词第一次在我国出现,到今天有限元在工程上得到广泛应用,经历了三十多年的发展历史,理论和算法都已经日趋完善。有限元法（Finite Element Method，简写为FEM)是求解微分方程的一种非常有效的数值计算方法，用这种方法进行波动数值模拟受到越来越多的重视.有限元法起源于固体力学，并逐步扩展到热传导、计算流体力学、电磁学等不同领域，已经成为数学物理中很重要的数值计算方法。
关键词有限元数值发展趋势
前言
有限元方法在数值计算方法中具有极为重要的地位,有限元方法在应用中不仅本身具有很大的潜力，而且，结合其它理论和方法还有广阔的发展前景。
1有限元的发展历程
有限元法的发展历程可以分为提出（1943）、发展（1944一1960）和完善(1961-二十世纪九十年代）三个阶段。有限元法是受内外动力的综合作用而产生的。
1943年，柯朗发表的数学论文《平衡和振动问题的变分解法》和阿格瑞斯在工程学中取得的重大突破标志着有限元法的诞生。
有限元法早期（1944一1960）发展阶段中，得出了有限元法的原始代数表达形式,开始了对单元划分、单元类型选择的研究,并且在解的收敛性研究上取得了很大突破。1960年，克劳夫第一次提出了“有限元法"这个名称，标志着有限元法早期发展阶段的结束。
有限元法完善阶段（1961一二十世纪九十年代）的发展有国外和国内两条线索。在国外的发展表现为: 第一，建立了严格的数学和工程学基础;第二,应用范围扩展到了结构力学以外的领域；第三，收敛性得到了进一步研究，形成了系统的误差估计理论;第四，发展起了相应的商业软件包。
机械工程中的有限元分析与仿真技术研究
机械工程中的有限元分析与仿真技术研究
引言：
机械工程是一门涉及机械设计、制造和运用的学科，其发展离不开结构分析技术。有限元分析与仿真技术作为一种重要的计算方法，在机械工程中得到了广泛的应用和研究。本文将从有限元分析的原理、应用领域、优缺点以及未来发展等方面进行探讨。
一、有限元分析的原理
有限元分析是一种数值计算方法，通过将连续的结构或材料分割成有限数量的
单元，然后利用计算机进行求解，以得到结构的力学响应和变形情况。其原理基于力学运动方程和边界条件，可以有效地描述复杂结构在外界荷载作用下的行为。二、有限元分析的应用领域
有限元分析在机械工程中有着广泛的应用。首先，它可以用于结构的强度分析
和优化设计。通过有限元分析，工程师可以评估结构在不同载荷条件下的受力情况，找出局部应力集中的位置，并提出合理的改进措施。其次，有限元分析也可以用于热传导和热应力分析。例如，在汽车发动机的设计中，工程师可以通过有限元分析来预测引擎零部件在高温环境下的热应力情况，以确保引擎的可靠运行。此外，有限元分析还可应用于流体力学、振动与动力学分析等领域。
三、有限元分析的优缺点
在应用中，有限元分析具有一些优点。首先，它可以模拟复杂结构和材料的行为，对不规则形状和非均匀材料的分析具有较好的适应性。其次，有限元分析能够提供详细的应力和变形分布，帮助工程师进行结构优化。此外，有限元分析还可以减少实验测试的工作量和成本，节约时间。然而，有限元分析也存在一些缺点。例
如，它基于一系列假设和简化，可能引入一定的误差。此外，对于某些特殊问题，如非线性、动态分析等，有限元分析的计算复杂性较高。
有限元方法的发展及应用
有限元方法的发展及应用
有限元方法的发展可以追溯到20世纪50年代，当时数学家、工程师
和物理学家开始使用有限元方法来解决结构力学问题。最早的有限元方法
是基于简单的三角形或四边形划分网格，通过近似的方式将连续介质离散
化为有限数量的元素。然后，通过求解一个代数方程组来得到数值解。这
种方法由于计算量小、理论基础牢固而得到了广泛应用。
随着计算机科学的发展，有限元方法得到了更广泛的应用。计算机技
术的进步使得复杂的有限元模型能够被处理，并且计算速度得到了大幅提升。有限元方法的应用也从最初的结构力学问题扩展到了流体力学、热传导、电磁场、生物医学工程等领域。
有限元方法在工程领域具有很大的应用潜力。在结构工程中，有限元
方法可以用于分析房屋、桥梁和建筑物等结构的强度和刚度。在汽车工程中，有限元方法可以用于分析汽车的碰撞和安全性能。在航空航天工程中，有限元方法可以用于分析飞机的气动力学特性和结构强度。在电子工程和
电力工程中，有限元方法可以用于分析电路和传输线的电磁场特性。
有限元方法的应用不仅限于工程领域，还涉及到了其他学科的研究。
在生物医学工程中，有限元方法可以用于模拟人体组织的生物力学行为，
如骨骼系统、心脏和血管的应力分布等。在地球科学中，有限元方法可以
用于分析地下水流动、地震波传播和岩土工程等问题。在物理学中，有限
元方法可以用于分析电磁场、热传导和量子力学等问题。
总之，有限元方法的发展及其应用已经取得了巨大的成功。它在工程、力学、物理和地球科学等领域中得到了广泛应用，并为实际工程问题的解
决提供了有效的数值方法。然而，有限元方法的进一步发展仍面临着一些
有限元仿真技术简介
有限元仿真技术简介
（文章标题）
有限元仿真技术简介
1. 引言
有限元仿真技术是一种广泛应用于工程和科学领域的数值计算方法，
它可以在计算机上对复杂的物理系统进行建模和分析。本文将简要介
绍有限元仿真技术的原理、应用领域以及其优点和局限性。
2. 有限元分析的原理
有限元分析的核心思想是将复杂的连续体划分为有限数量的小元素，
然后根据元素的性质和相互之间的连接关系，利用数学方法近似解决
变分原理。通过在每个元素上选择合适的数学模型和适当的边界条件，可以得到物理系统的数值解。
3. 有限元仿真的应用领域
有限元仿真技术在各个领域都有广泛的应用。以下是几个常见的应用
领域：
3.1 机械工程
在机械工程领域，有限元仿真可以用于材料力学、刚体力学和流体力
学问题的分析。在设计汽车零件时，可以使用有限元分析来预测材料的应力分布和变形情况，以确保设计的可靠性和安全性。
3.2 建筑工程
在建筑工程领域，有限元仿真可以应用于结构分析、热传导和空气流动等问题。通过对建筑结构进行有限元分析，可以评估结构的稳定性和强度，优化设计并提高建筑的效能和安全性。
3.3 航空航天工程
在航空航天工程领域，有限元仿真可以用于飞机、火箭和卫星等复杂系统的设计和分析。通过模拟力学和热力学行为，可以评估结构的性能和可靠性，并优化设计以提升工程效率。
4. 有限元仿真的优点
有限元仿真技术具有许多优点，使其成为工程和科学领域中不可或缺的工具。
4.1 准确性
有限元仿真可以提供高度准确的结果。通过使用复杂的数学模型和离散化技术，可以更好地近似真实物理系统的行为，并生成准确的数值解。
有限元分析仿真技术研究
有限元分析仿真技术研究
有限元分析仿真技术是一种基于有限元法的数值分析技术。它
可以用于研究物理系统的行为，如结构、热力学、流体力学等。
有限元分析仿真技术的优势在于可以快速评估设计方案、指导实验、优化设计，从而降低产品研发成本和周期。
有限元法是一种将复杂结构分解为若干简单单元的数值分析方法。通过将结构分解为单元，使用适当的数学方程对其进行描述，然后将它们组合在一起以建立系统的整体方程。由于有限元法可
提供相符的解决方案，因此它被广泛用于模拟真实世界中的物理
现象。它已经成为机械、土木、材料等领域中设计和分析的标准
工具。
有限元分析仿真技术的核心是数学建模和计算机模拟。通常，
对于某个实际问题的研究，我们先需要建立一个数学模型，用数
学语言描述该问题。然后，将解析模型转换为数值模型，使用有
限元软件分析整个模型，逐一模拟各种载荷条件下的响应情况。
有限元分析仿真技术不仅可以模拟结构和材料的静力分析，还
可以进行动力分析、热力学分析、流体分析等。例如，在航空航
天领域，有限元分析仿真技术可以用于机身应力、发动机振动、
空气动力学等。在汽车工业中，有限元分析仿真技术被广泛应用
于车身、引擎、底盘等部件的设计和分析。在建筑工程中，有限
元分析仿真技术用于分析建筑物的结构，预测其在地震等自然灾
害中的表现。
有限元分析仿真技术的主要应用领域包括工程设计、产品开发、质量控制、故障诊断等方面。工程师可通过简单的操作，快速构
建模型、设置材料特性和加载条件，并对模型进行计算和分析。
这有助于他们快速评估不同设计方案，为未来的实验提供指导，
对有限元仿真的认识
对有限元仿真的认识
有限元仿真是一种数值计算方法，用于模拟和分析工程和科学领域中的复杂结构和系统的行为。它通过将研究对象划分为许多小的单元（称为有限元），并对这些单元进行分析和计算，来预测整个结构或系统的性能。
有限元仿真的核心思想是将一个复杂的问题分解为一系列简单的子问题，并通过求解这些子问题来获得整个问题的解。在有限元分析中，首先将研究对象的几何形状和边界条件转化为数学模型，然后通过有限元方法将其离散化，形成一个由节点和单元组成的网格系统。
接着，通过定义材料属性、加载条件和边界条件等，对每个单元进行力学或物理分析，计算出单元内的应力、应变和位移等参数。最后，通过整合所有单元的计算结果，得到整个结构或系统的性能参数。
有限元仿真具有许多优点，它可以帮助工程师和科学家更好地理解和预测结构或系统的行为，从而优化设计、降低成本和提高安全性。它还可以用于研究复杂的物理现象，如流体力学、热力学和电磁学等。
然而，有限元仿真也存在一些局限性，如计算精度和效率受到网格密度和单元类型的影响，以及对于某些复杂问题可能需要较高的计算资源。
总的来说，有限元仿真是一种强大的工具，在工程和科学领域中得到了广泛应用，对于推动技术进步和创新发挥了重要作用。
有限元法及应用状况
图1 新产品开发与有限元法的关系
《科技资讯》期刊投稿要求及说明
1.稿件应具有科学性、先进性和实用性，论点明确、论据可靠、数据准确、逻辑严谨、文字通顺。
2.计量单位以国家法定计量单位为准；统计学符号按国家标准《统计学名词及符号》的规定书写。
4.参考文献应引自正式出版物，在稿件的正文中依其出现的先后顺序用阿拉伯数字加方括号在段末上角
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2) 高风温对高炉操作的影响, 并提出相应的 防范措施, 确定合理风温;
3) 富氧率的增加对高炉操作的影响及相应的 调节手段, 确定合理富氧率;
4) 喷煤量的增加对高炉操作的影响及相应的 调节手段, 确定合理喷煤比;
5) 高炉喷吹含氢物质 ( 塑料、天然气和焦炉 煤气 ) 富氢还原操作对高炉操作的影响;
目前, 根据市场需求相继出现了各种类型的应 用 软 件, 其 中 NASTRAN、 ADINA、 ANSYS、 ABAQUS、MARC、MAGSOFT、 COSMOS等 功能强 大的 CAE 软件应用广泛, 为实际工程中解决复杂 的理论计算提供了非常有力的工具。但是, 各种软 件均有各自的优势, 其应用领域也不尽相同。本文 将就有限元的应用范围及当今国际国内 CAE 软件 的发展趋势做具体的阐述, 并对与冶金企业生产过 程密切相关的主要有限元 软件 ANSYS、 ABAQUS、 MARC 的应用领域进行分析。
应力控制是金属成型过程的关键, 应力按形成 原因分有热应力、相变应力、收缩 应力 ( 机械阻 碍应力 ), 按作用时间长短分为临时应力和残余应 力。其中残余应力对轧件的变形和质量影响很大, 是研究和控制的主体。残余应力按种类又分为热应 力型残余应力、相变应力型 残余应力、收 缩应力 ( 机械阻碍应力 ) 型残余应力, 所以, 传统实验方
14
Leabharlann Baidu
2 仿真模拟技术在冶金生产中的应用
计算机模拟与仿真技术在国内外冶金行业已经 广泛应用, 并取得了显著的效果, 冶炼、精炼、连 铸、轧制过程的流场、温度场、应力场以及金属组 织性能的预测与控制, 钢铁制造过程的成分与板形 精确控制、工艺技术优化、新产品开发的预先模拟 试验, 结晶器设计、烧结配料优化、焦化过程优化 与产品性能预测、高炉炉壳变形诊断、高炉内部仿 真、转炉 内腔优化、精 炼过程控制、轧制过 程仿 真、产品质量预报等都需要模拟与仿真。它不但可 以节约新产品、工艺开发时间和费用, 提高试验成 功率, 而且, 容易形成企业自主知识产权的工艺与 产品, 从国内外钢铁企业的发展来看, 企业的核心 技术大部分来自于计算机模拟与仿真技术以及数据 积累而形成的精确控制模型。 2 1 高炉过程有限元仿真
直接还原、燃烧、焦炭气化溶损等 ) ; 9) 死料柱特性及其更新对高炉操作的影响; 10) 高炉操作指标的预测 ( 生铁产量、渣量、
冶炼强度、焦比、煤比、炉顶煤气温度、气体利用 率等 )。
利用和改进高炉数学模型对可能采取的操作技 术和炼铁新技术进行精确的数学模拟和理论分析, 给出高炉的性能变化, 预测可能出现的问题, 包括:
M SC So ftw are公司创建于 1963年, 总部设在 美国 洛杉 矶, M SC M arc 是 M SC Softw are 公 司 于 1999年收购的 MARC 公司的产品。MARC 公司始 创于 1967年, 是全球首家非线性有限元软件公司。 经过三十余年的发展, MARC软件得到学术界和工 业界的大力推崇和广泛应用, 建立了它在全球非线 性有限元软件行业的领导者地位。随着 M arc软件 功能的不断扩展, 软件的应用领域也从开发初期的 核电行业迅速扩展到航空、航天、汽车、造船、铁 道、石油化工、能源、电子元件、机械制造、材料 工程、土木建筑、医疗器材、冶金工艺和家用电器 等, 成为许多知名公司和研究机构研发新产品和新 技术的重要工具。在航空业 M SC N astran软件被美 国联邦航空管理局 ( FAA ) 认证为领取飞 行器适
ABAQUS公司成立于 1978年, ABAQUS 是一 套功能强大的工程模拟有限元软件, 其解决问题的 范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问 题 。 A BAQU S 包括 一个 丰富 的、 可模 拟任 意几 何形 状的单元库。作为通用的模拟工具, ABAQU S除了 能解决大量结构 (应力 /位移 ) 问题, 还可以模拟 其他工 程领域的许多 问题, 例如热 传导、质量扩 散、热 电 耦 合 分析、声 学 分 析、岩 土 力 学 分 析 ( 流体 渗 透 /应 力 耦 合 分 析 ) 及 压 电 介 质 分 析。 ABAQUS能自动选择相应载荷增量和收敛限度, 不 仅能够选择合适参数, 而且能连续调节参数以保证 在分析过程中有效的得到精确解, 用户通过准确的 定义参数就能很好的控制数值计算结果。
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许荣昌, 等: 有限元仿真技术的发展及其应用
第 4期 (总第 134期 )
航证指定的唯一验证软件。在中国, M SC Softw are 公司的产品通过了全国锅炉压力容器标准化技术委 员 会 的 严 格 考 核 认 证, 作 为 与 分 析 设 计 标 准 JB4732 - 95 相 适 应 的 分 析 软 件。在 船 舶 行 业 M SC N astran是中国船级社指定的船舶分析验证软 件, 包括美 国船级社 ABS、英国 劳氏船级 社 LR、 日本船级 社 NK、挪威船 级社 DNV、韩国船 级社 KR、法国船级社 BV、德国劳氏船级社 GL、中国船 级社 CCS等 8家国际船级社协会的成员采用 Nas tran软件作为船舶分析的验证软件。M SC M arc作 为世界上第一个非线性有限元软件, 具有如下一些 特色: 多种物理场的分析能力; 复合场的耦合分析能 力; 强大的非线性分析能力; 先进的接触分析功能; 并行计算功能; 丰富的单元库; 开放的用户环境; 强 大的网格自适应功能; 全自动三维网格重划分。
莱钢科技
2008年 4月
有限元仿真技术的发展及其应用
许荣昌 孙会朝 (技术研发中心 )
摘 要: 介绍了目前常用的大型有限元分析软件的现状与发展, 对其各自的优势进行了分析, 简述了 有限元软件在冶金生产过程中的主要应用领域及其发展趋势, 对仿真技术在莱钢的应用进行了展望。
关键词: 有限元仿真 冶金生产 发展趋势
对高炉数学模型也比较重视, 但开发和实际应 用的多是一些局部模型, 如炉顶布料模型、高炉块状 带炉料运动模型、炉内煤气流运 动模型、软 熔带模 型、高炉炉缸模型、风口回旋区模型, 而全高炉的综 合数学模型的研究比较复杂, 见图 3, 成果较少见诸 于文献资料。目前, 数字化高炉 的研发工作已经 引起国内外主要大型钢铁公司的高度重视, 并且仿 真目标已经延伸到焦化、配料、烧结、热风炉以及非 高炉炼铁技术, 炼铁系统有限元仿真的应用如图 4。
图 1 传统创新产品 (工艺优化 ) 设计过程为大循环
作者简介: 许荣昌 ( 1971- ), 男, 1994年毕业于武汉钢铁 学院钢 铁冶金专业, 博士, 高 级工程 师。主要 从事钢 铁工 艺技 术研究 工 作。
图 2 现代 CA E创新产品 (工艺优化 ) 设计过程为小循环
1 主要有限元分析软件简介
运用创建的高炉数学模型, 可以对高炉内以下 现象进行详尽而科学的解析:
1) 气、固、液、粉相 (包括未燃煤粉和炉内
莱钢科技
2008年 4月
固体物料粉化产生的粉相 ) 的行为; 2) 炉内的温度分布; 3) 炉内的热消耗和热分配分析; 4) 软熔带位置的预测及其对高炉冶炼的影响; 5) 含铁原料的还原过程; 6) 高炉生产时炉型的预测; 7) 炉内煤气的产生和消耗; 8) 炉内主要 反应的发 展 ( 特别是间 接还原、
6) 高炉炉顶煤气循环利用对高炉操作的影响 及其对降低环境负荷的功效;
7) 高炉使用热压含碳球团及低温炼铁操作的 数学模拟。 2 2 炼钢与连铸过程有限元模拟仿真
对于高温冶金过程, 数学物理模拟研究方法是 被公认为获取过程信息、优化过程和操作及开发新 工艺新产品的重要手段。仿真技术在炼钢连铸过程 应用最为普遍, 包括转炉全自动炼钢、精炼过程、结 晶器设计、中间包流场优化、水口流场优化、洁净钢 夹杂物去除、连铸轻压下 模拟、连铸 坯凝固过程仿 真、连铸二冷配水优化、连铸轿直过程仿真等, 取得 了显著的经济效益与使用效果。比如对连铸系统的 温度场及应力场进行耦合数值模拟, 包括相变效应、 高温下的塑性蠕变、热物理性质的非线性、凝固金属 与铸型之间的接触影响等等, 可以了解凝固的动态 过程, 较真实地反映系统温度和热应力的发展过程,
从而预测缩孔、缩松、热裂、冷裂等缺陷出现的可能 性及位置, 为优化连铸工艺提供科学依据, 图 5所示 为炼钢连铸系统有限元仿真应用领域。
图 5 炼钢 连铸系统有限元仿真应用领域。
目前, 随着冶金技术的发展, 对 RH 过程与钢 水中夹杂物的仿真与模拟的研究显得更为重要。
RH 的主要精炼功能为脱碳、脱气、升温、均 匀钢水温度和成分、脱硫和去夹杂等, 是一个伴随 复杂的物理、化学过程, 如循环流动、气泡运动、 混合、燃烧、渣金反应、脱碳、脱氮等等, 通过模 拟仿真, 研究吹 氩方式 ( 吹氩 量、喷咀个 数及分 布 ) 、浸渍管操作参数 ( 内径、浸渍深度、几何形 状 ) 、真空槽和钢包中的熔池深度、抽气速率 ( 真 空度 ) 、吹氧顶枪等对 RH 精炼过程中钢液环流特 性的影响, 寻求影响 RH 精炼装置中循环流量的主 要因素及内在的定量关系, 以及在不增加生产成本 的前提下, 能有效提高钢水处理能力的技术措施, 提高 RH 精炼过程钢液混合特性, 提高 RH 精炼脱 碳速率, RH 精炼全过程工艺参 数优化, RH 精炼 装置内夹杂物行为及去除效果等。
炼钢过程中夹杂物的行为比较复杂, 影响因素 如脱氧工艺、渣的成分、气 氛以及容器内 的流动 等。传统实验比较困难, 通过模拟仿真研究气泡行 为、气泡与夹杂物碰撞、本体流动对夹杂物行为影 响对精炼钢包 (包括抽真空 ) 、连铸中间包和结晶 器内夹杂物行 为进行研究, 需要模拟的主 要问题 为: 气泡的尺寸、数量、运动与夹杂物行为之间的 定量关系, 为夹杂物有效控制提供依据。 2 3 成型过程的有限元模拟仿真
0 前言
自主创新, 方法先行, 创新方法是自主创新的 根本之源, 同时, 随着市场竞争的日益激烈, 冶金 企业的产品设计、工艺优化也由经验试错型向精益 研发方向发展, 而有限元仿真技术正是这种重要的 创新方法。近年来随 着计算机运行 速度的不断提 高, 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越 广泛的应用, 比如, 有限元分 析在冶金、航空航 天、汽车、土木建 筑、电子 电器、国防军 工、船 舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域正在 发挥着重要的作用, 主要表现在以下几个方面: 增 加产品和工程的可靠性; 在产品的设计阶段发现潜 在的问题; 经过分析计算, 采用优化设计方案, 降 低原材 料成本; 缩短 产品研发时间; 模拟试验方 案, 减少试验次数, 从而减少试验成本。与传统设 计相比, 利用仿真技术, 可以变经验设计为科学设 计、变实测手段为仿真手段、变规范标准为分析标 准、变传统分析技术 为现代的计算 机仿真分析技 术, 从而提高产品质量、缩短新产品开发周期、降 低产品整体成本、增强产品系统可靠性, 也就是增 强创新能力、应变能力和竞争力 (如图 1、 2) 。
ANSYS公司成立于 1970年, 总部位于美国宾 西法尼亚州的匹兹堡, 是世界 CAE 行业最著名的 公司之一, 拥有多个在各专业领域提供专业解决方 案的子公司 ( 比如, 致力 于参数优化设计的法国 CADO E 子 公司 、致 力 于 工 程 咨 询 和 流 体前 后 处 理 软件开发的美国 IECM 子公司、致力于流体专业分 析的英国和 加拿大 CFX 产 品分部等 ) , 是公认的 CAE 行业具实力的公司, 专门致力于 CAE 分析仿 真软件的开发及分析咨询服务。全球 10 000多家 正式商业用户 ( 总装机超过 80 000台套 )。 ANSYS 用户涵盖了 航空航 天、汽 车、铁 道、军工、核技 术、造船、电子、能源、石油化工、一般工业、土 木建筑、地矿、水利、生物医学、日用家电、教学 科研等各个领域, ANSYS 是这些领域进行国际国 内分析设计、技术交流的主要分析平台。