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。
热传导有限元分析在热传导问题中也有广泛应用。
通过将热传导问题离散为有限单元，可以计算物体内部的温度分布，预测热流的传输路径和热传导的总量。
这在热处理、电子设备散热设计等领域中非常有用。
电磁场问题有限元分析可以用于求解与电磁场相关的问题，例如电磁场的分布、感应电压、电磁场的辐射等。
仿真技术在产品设计中的应用指导
仿真技术在产品设计中的应用指导随着科技的不断发展，仿真技术在产品设计中的应用越来越重要。
仿真技术通过模拟真实环境，可以对产品进行全面、准确、低成本的测试和评估，为产品设计和研发提供重要的指导。
下面我将从三个方面展开，详细介绍仿真技术在产品设计中的应用指导。
首先，仿真技术可以帮助产品设计者优化设计方案。
在产品设计的初期阶段，仿真技术可以快速建立产品的虚拟模型，并进行各种仿真实验。
例如，可以通过流体力学仿真来模拟液体在管道中的流动情况，从而优化管道的设计。
通过有限元分析仿真可以模拟产品在不同载荷下的应力和变形情况，进而改进产品的结构设计。
通过这些仿真实验，设计者可以快速评估不同设计方案的性能和可行性，减少试错成本，提高产品的设计质量。
其次，仿真技术可以降低产品开发周期。
传统的产品设计和开发往往需要进行大量的实物试验，这既费时又费资源。
而仿真技术可以通过虚拟实验迅速替代实物试验，从而大幅缩短产品的开发周期。
设计者可以在虚拟环境中进行多次试验，对不同设计参数进行调整和测试，快速获得最佳的设计方案。
通过仿真技术的辅助，将各个测试阶段的时间压缩到最小，不仅加快了产品的上市时间，还提高了企业的竞争力。
再次，仿真技术可以提高产品的可靠性和安全性。
在产品生命周期的设计、生产和使用过程中，产品的可靠性和安全性是非常重要的。
通过仿真技术，可以对产品在各种工况下的性能进行全面的评估。
例如，在汽车行业，可以利用仿真技术模拟车辆在不同路况下的行驶情况，对车辆的稳定性和行驶性能进行预测和改进。
在航空航天领域，可以通过仿真技术对飞行器的飞行过程进行模拟，评估飞行器在极端条件下的安全性能。
通过这些仿真实验，可以发现和解决潜在的安全隐患，提高产品的可靠性和安全性。
除了上述三个方面，仿真技术还可以在产品制造和维护中发挥重要作用。
在产品制造过程中，仿真技术可以优化生产工艺，降低生产成本。
通过将产品的3D模型导入到生产线仿真软件中，可以模拟整个生产流程，从而提前发现潜在的制造问题，优化工艺参数和工作流程。
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。
1、航空航天领域：在航空航天领域中，基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术可以有效地预测航空器的结构应力、变形和模态特性等，提高飞行器的安全可靠性。
2、汽车制造领域：在汽车制造领域中，基于有限元方法的工程结构模拟仿真技术可以模拟汽车的碰撞、车身结构，从而确保汽车的安全性和稳定性。
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。
然而，有限元仿真技术在机械设计课程中也存在一些局限性。
首先，仿真结果的准确性受到多个因素的影响，如模型的精度、材料参数的准确性等。
学生们在进行仿真分析时需要注意这些因素，以保证结果的可靠性。
其次，有限元仿真技术需要一定的计算资源和时间，对计算机性能要求较高。
学生们在进行仿真分析时需要考虑计算资源的限制，合理安排仿真任务。
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作。
图2 现代CAE 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目前,根据市场需求相继出现了各种类型的应用软件,其中NAST RAN 、AD I N A 、ANSYS 、ABAQUS 、MARC 、MAGS OFT 、COS MOS 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。
电动机的电磁场分析与有限元仿真技术
电动机的电磁场分析与有限元仿真技术电动机是一种将电能转化为机械能的装置，广泛应用于工业生产、交通运输、家用电器等领域。
在电动机的设计与优化过程中，电磁场分析和有限元仿真技术起着重要的作用。
本文将就电动机的电磁场分析和有限元仿真技术展开探讨。
一、电动机的电磁场分析电动机工作的基本原理是由电磁场相互作用产生的力使电动机转动。
因此，电磁场分析是了解电动机性能和优化设计的关键一步。
1. 磁场分布分析电动机中的电磁场主要由磁场和电场组成。
磁场分布分析可以通过磁感应强度或磁场密度进行描述。
通过分析磁场的分布情况，可以了解电动机中磁场的强度和方向，为电动机的设计和优化提供重要依据。
2. 磁场定性分析磁场定性分析是研究磁场的分布规律和特性，包括磁场的形状、大小和方向等。
通过磁场定性分析，可以对电动机的磁场特性进行全面了解，并确定电动机的性能指标。
3. 磁场定量分析磁场定量分析是研究磁场的大小和分布范围等具体数值参数的分析方法。
通过磁场的定量分析，可以对电动机的性能参数进行准确评估，为电动机的设计和选型提供科学依据。
二、有限元仿真技术在电动机设计中的应用有限元仿真技术是一种基于数值计算的方法，可以对电动机的电磁场进行精确模拟和分析。
它通过将电动机划分为许多离散的小元素，利用有限元方法求解电动机的电磁场分布和性能参数。
1. 建模与网格划分在有限元仿真中，首先需要对电动机进行建模，并进行网格划分。
建模是将电动机的几何形状和电性质用数学模型进行描述，网格划分是将模型划分为若干个小单元，用于求解有限元方程。
2. 材料特性指定不同材料的电磁性能不同，对电动机的性能有着重要影响。
在有限元仿真中，需要对电动机各部分所使用的材料进行特性指定，包括磁导率、电导率等参数。
3. 边界条件设置边界条件是指对电动机模型的约束条件和加载条件的定义。
在有限元仿真中，需要设置适当的边界条件，以模拟电动机在实际工作条件下的电磁场分布和性能。
4. 电磁场计算与分析有限元仿真通过求解电动机模型中的电磁场分布方程，得到电磁场的分布情况。
基于有限元分析的结构优化设计与仿真
基于有限元分析的结构优化设计与仿真结构优化设计与仿真是一种基于有限元分析的有效方法，可以通过对结构进行细致的分析和优化，以实现结构的最佳性能。
本文将介绍有限元分析的基本原理、结构优化设计的基本方法以及仿真技术的应用，并分析其在工程实践中的重要性和优势。
有限元分析是一种将复杂结构离散成有限个单元并对其进行数值计算的方法。
它通过代数方程和微分方程来描述结构内各个单元的受力和变形关系，从而实现对结构的分析和仿真。
有限元分析的核心思想是将结构离散为多个小单元，每个小单元内的力学行为可以通过经典的力学理论进行描述。
通过对每个小单元进行计算，并将其相互联系起来，就可以得到整个结构的应力、变形和刚度等参数。
在结构优化设计中，有限元分析扮演着重要的角色。
通过对已有结构的有限元模型进行分析，可以了解结构的强度、刚度、稳定性等基本性能，并且可以得到结构各个局部区域的应力和变形分布情况。
基于这些分析结果，可以进行结构的优化设计，以改善结构的性能。
最常见的结构优化目标包括减小结构的重量、提高结构的强度和刚度等。
结构优化设计的方法有很多种，其中最常见的包括拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。
拓扑优化是通过改变结构的拓扑形态来优化结构的性能。
它可以通过添加、删除或重新分配材料来改变结构的拓扑形态，以实现给定的设计目标。
形状优化是通过改变结构的几何形状来优化结构的性能。
它可以通过调整结构的外形参数，如曲率、厚度等，来改善结构的性能。
尺寸优化是通过改变结构的尺寸参数来优化结构的性能。
它可以通过调整结构的尺寸参数，如长度、宽度等，来改善结构的性能。
仿真技术在结构优化设计中也有着重要的应用。
通过将已有结构的有限元模型与仿真软件相结合，可以实现对结构性能的精确预测。
仿真技术可以通过设定结构的边界条件和约束条件，对结构进行不同工况下的响应分析，以评估结构在不同工况下的性能和稳定性。
同时，仿真技术还可以通过敏感性分析，确定结构的设计参数对性能的影响程度，以指导优化设计的方向。
有限元仿真技术的发展及其应用
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， ，主要 表现 在 以下 个 方 面 ：增 丰 Ｊ Ｌ
大 的 Ｃ Ｅ软 件应 用 广 泛 ，为 实 际 程 中 解 决 复 杂 Ａ 的理 论 计算 提供 常 有力 的工 具 。但 是 ，各种 软 ｒ非 件 均 有各 自的优 势 ，其 应用 领域 也 不尽 相 同 。本 文
维普资讯
莱钢 科 技
２０ ０ ８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 ，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 ＭＳ ． ａｔ ｎ软 件被 美 Ｃ Ｎ ｓａ ｒ 国联 邦 航 空 管 理 局 （ Ａ Ｆ Ａ） 认 证 为 领 取 飞 行 器 适
Ｉ ３
高级 Ｉ程师 。主要从 事钢 铁 ： Ｉ艺技 术研 究工
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
自主仓 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
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。
4.2 灵活性有限元仿真方法非常灵活。
它可以适应各种不同的物理条件和边界条件，并支持对模型进行参数化研究和优化设计。
4.3 节省成本和时间相对于传统的试验方法，有限元仿真技术可以大大减少成本和时间。
通过在计算机上进行仿真，可以避免昂贵的实验设备和长时间的试验过程。
5. 有限元仿真的局限性然而，有限元仿真技术也有一些局限性需要注意。
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，并最终优化产品性能。
在有限元分析仿真技术的发展变化中，云计算技术的应用就是一个重要的趋势。
云计算技术在有限元分析仿真技术中的应用，可以提供更高效的分析解决方案、更广泛的计算资源、以及可视化分析等优势。
通过这种技术的应用，可以加速分析过程，降低使用成本，并提高对设计方案的可靠性判断。
总之，有限元分析仿真技术在工程设计、质量控制、产品研发等领域都起着重要的作用。
有限元仿真技术在汽车设计中的应用资料
L
将上式代入得 ui (1 i )ui 1 i ui 2
q 1 (1 ) L2 i 2 EA i
根据约束条件
u1 0
qL Nn n 2
对于第n+1个节点，
u n u n 1
qL2 n 2 EA
建立所有节点的力平衡方程，可以得到由n+1个方程构成的方程组，
•
弯曲（模拟乘员和货物重量）其量值可由乘员数和货物重量确定。
研究动态特性的目的是优化车身结构控制车身模态。车身的固有频率必须错 开其激振频率。通常，微车的第一阶固有频率在20-40Hz之间。在此频率范围
内，激振源通常有两种：
• •
车轮不平衡，频率变化范围在1-30Hz之间； 发动机怠速激振，频率变化范围在20-40Hz之间。
有限元仿真技术在汽车设计中的应用
请求决策 For Decision 信息通报 Information Distribution
其它
Others
总体工程科 梁永 2018/12/9
内容提要
1.有限元方法原理基础 2.汽车结构设计分析与应用
3.车身碰撞模拟仿真分析
4.乘员约束系统模拟仿真分析
2
有限元方法概述
常用的有限元软件有： MSC.NASTRAN MSC.FATIGUE ABAQUS LS-DYNA MADYMO……
——模态分析和动力相应分析
——汽车模拟仿真分析
-性能模拟 -整车及部件运动模拟仿真
-碰撞模拟仿真
——整车及零部件系统灵敏度分析及结构动态修改 ——优化设计、可靠性分析等 ——汽车空气动力学分析、噪音分析
计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化 ，数值模拟即为这 一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。 数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机 图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。近三十年来，计算机计算
有限元法在汽车中的应用
有限元法在汽车中的应用有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的技术，广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,己成为工程设计和分析中的重要工具。
随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法，有限元法在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性，使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具,有限元法在机电工程中的应用也越来越重要。
现代汽车工业技术快速发展，计算机技术不断推陈出新，使分析仿真技术以其快速高效和低成本的强大优势,成为汽车设计的重要手段,各种分析软件成为CAE技术广泛应用的工具。
有限元在机械设计中的优点是有目共睹的,在汽车的设计中这些优势得到了完美的体现,其优点如下：1、与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后,能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。
2、更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括:分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。
对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变,引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确,因此必须进行网格自动重划分。
有限元使用的自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件.3、由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决,必须进行非线性分析求解,为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库.4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解理论上已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。
《有限元法及其应用》课件
某型战斗机的机翼设计过程中，通过有限元分析，优化了机翼的结构和材料分布，提高了机翼的抗弯和 抗扭能力，同时减小了机翼的气动阻力，为飞机的高性能提供了保障。
汽车碰撞模拟
01
总结词
利用有限元法模拟汽车碰撞过程，评估汽车的安全性能和 改进设计方案。
02 03
详细描述
汽车碰撞是交通事故中最为严重的一种情况，有限元法能 够模拟汽车碰撞过程，对汽车的结构、材料和吸能设计等 进行评估，为汽车的安全性能提供科学依据。同时，通过 模拟不同碰撞条件下的结果，可以为汽车设计提供改进方 案。
通过离散化的方法，将连续的偏微分 方程转化为离散的代数方程组。
刚度矩阵与载荷向量
刚度矩阵
描述了每个单元的刚度关系，反 映了单元之间的相互作用。
载荷向量
描述了作用在每个节点上的外力 。
位移求解与应力分析
位移求解
通过求解离散化的代数方程组，得到每个节点的位移。
应力分析
根据位移求解的结果，通过计算得到每个单元的应力应变状态。
有限元法的应用领域
结构分析
有限元法在结构分析中应用最为广泛，可 以用于分析各种结构的应力、应变、位移
等。
电磁场分析
有限元法可以用于分析电磁场中的电场强 度、磁场强度、电流密度等，如电磁兼容
性分析、天线设计等。
流体动力学
有限元法可以用于模拟流体在各种复杂环 境下的流动行为，如航空航天、船舶、汽 车等领域的流体动力学问题。
应用领域
广泛应用于科学研究和工 程领域，如化学、生物医 学、电磁学等。
FE-SAFE
概述
FE-SAFE是一款用于结构疲劳分析的有限元软件 ，基于有限元方法进行疲劳寿命预测。
特点
有限元仿真分析
有限元仿真分析有限元仿真分析是一项利用有限元理论分析实物问题的方法。
有限元理论源于二十世纪六十年代末发展起来的结构抗力理论，是一种利用有限元法求解实物问题的复杂理论和方法，把复杂的物体分为若干有限形状的“元”，元件中细分了空间和时间，并对其施加一系列已知条件，以便在微观上进行准确分析。
有限元仿真分析是一种复杂的结构抗力理论，它是一种数值计算的应用，可以用来解决复杂的物理材料的力学和热力学性能。
这项技术的目的是在计算机上模拟复杂物体的动态行为，通过计算自然现象的力学、热力学等的响应，对工程结构的安全性、稳定性和耗散性能等进行预测，以实现安全、高效、节能减排的设计目标。
有限元仿真分析可以模拟实物结构、材料特性及其各种状态下发生的情况，模拟出物体不同性质的变化，获取物体在不断改变状态时与环境相互作用的反馈变化。
例如，可以模拟出物体受力时的变形、应变，以及在静载荷和动载荷下的变化等。
另外，有限元仿真也可以模拟物体的温度场变化特性，从而认识到物体在不同温度下的力学性能变化情况，从而获得物体在不同温度下的力学特性。
有限元仿真分析法在工程应用方面的重要性已经日益凸显。
如在航空航天、汽车、核动力、船舶、新能源及工程制造等领域，有限元仿真仿真分析法被广泛用于结构分析、设计进程控制、性能验证和风险评估等，以确保结构物理特性的可靠性和高效性。
有限元仿真分析法不仅可以减少结构的实验分析，而且可模拟出实物结构的真实反应，并有效地控制设计工艺，从而提高了结构仿真能力，有效控制了工程投入风险，从而可以有效地实现安全、高效、节能减排的设计目标。
有限元仿真分析技术的发展，使有限元仿真仿真分析法成为一种既可靠又有效的分析技术，因此在工程建设、结构设计、技术开发等方面得到广泛应用。
有限元仿真分析法能够准确测量物体的性能和特性，可以帮助解决结构的复杂性，从而改善结构的可靠性，减少结构的错误，提高工程的高效性和抗冲击性，缩短工程的时间，减少结构的投资成本，从而可以提高工程的品质。
有限元仿真计算在材料科学与工程中的应用
有限元仿真计算在材料科学与工程中的应用随着计算机技术的不断发展和应用，有限元仿真计算在材料科学与工程领域中的应用越来越广泛。
有限元仿真计算是一种利用数值方法对物理问题进行计算的技术，其优点在于可以通过虚拟实验的方式预测材料的性能和行为，减少实验成本和时间，提高研究效率。
本文将从有限元仿真计算的基本原理、材料科学与工程中的应用实例以及未来发展方向等方面展开探讨。
一、有限元仿真计算的基本原理有限元仿真计算是一种数值方法，其基本原理是将复杂的物理问题分割成有限数量的小元素，然后对每个小元素进行分析和计算。
这些小元素可以是三角形、四边形或其他几何形状，通过对每个小元素的分析和计算，最终得到整个物理问题的解。
有限元仿真计算的核心是建立数学模型，包括模型的几何形状、边界条件、材料性质等。
通过对模型进行分析和计算，可以得到材料的应力、应变、位移等信息，进而预测材料的性能和行为。
二、有限元仿真计算在材料科学与工程中的应用实例有限元仿真计算在材料科学与工程中的应用非常广泛，涉及到材料的力学性能、热学性能、电学性能等方面。
下面将介绍一些具体的应用实例。
1、材料强度分析材料的强度是材料力学性能的重要指标之一，可以通过有限元仿真计算进行预测和分析。
例如，在汽车工程中，可以利用有限元仿真计算预测车身结构的强度和刚度，从而优化车身结构设计，提高汽车的安全性和性能。
2、材料的热学性能分析材料的热学性能对于材料的加工、使用和维护都有着重要的影响。
有限元仿真计算可以预测材料在不同温度和热载荷下的热膨胀、热应力等信息，为材料的设计和使用提供参考。
3、材料的电学性能分析材料的电学性能对于电子器件和电力设备的设计和使用有着重要的影响。
有限元仿真计算可以预测材料在不同电场和电载荷下的电性能，为电子器件和电力设备的设计和使用提供参考。
三、有限元仿真计算的未来发展方向随着计算机技术的不断发展和应用，有限元仿真计算在材料科学与工程领域中的应用将会越来越广泛。
CAE有限元仿真技术所应用面临的十大挑战
CAE有限元仿真技术所应用面临的十大挑战从有限元技术上世纪60年代初诞生至今，CAE技术的发展已经历了半个世纪，在工业界的需求的牵引和软件、硬件技术发展的推动下，CAE已经渗入到产品研发的各个环节，由辅助的验证工具，转变为驱动产品创新的引擎。
根据虚拟仿真的对象、计算方法、物理场、应用行业等不同维度，CAE技术可以细分出很多单元技术。
在过去几十年的发展过程当中，诞生了很多解决特定行业、特定问题的CAE产品和专业CAE厂商。
虽然CAE技术已经逐渐成熟，但是，对于CAE技术的用户企业和CAE软件提供商、CAE工程咨询公司而言，仍然面临着诸多实际问题和挑战：1、CAE软件的易用性虚拟仿真涉及到大量的数学和力学问题。
因此，传统的CAE软件被称为“只有博士才能用好的软件”，作为“阳春白雪”的技术，长期得不到普及应用。
如何能够让拥有丰富设计经验和制造业专业背景的工程师能够将CAE软件应用到产品研发设计过程当中，实现普及应用，是一个十分重要的问题。
2、CAE知识的积累与传承同样的产品模型，应用同样的CAE软件，但不同的分析工程师，由于知识和经验的差异，分析出来的结果差异会很大。
因此，企业如何建立自己的虚拟仿真规范和知识库，实现对虚拟仿真知识的捕捉和重用，如何将经验丰富的分析专家的仿真知识和仿真流程传承给新入门的分析工程师，是企业真正应用好CAE技术的关键。
3、仿真流程的规范化与自动化对产品进行虚拟仿真涉及到十分复杂的流程，而应用单元的CAE 产品，需要手工管理仿真流程，导致虚拟仿真的效率不高。
如何实现虚拟仿真流程的自动化，创建完整的仿真流程模板，并且能够根据各个学科仿真的需求动态调整网格模型，对于提升虚拟仿真的效率和质量非常关键。
对此，深圳市有限元科技有限公司根据自身项目经验实力自主研发出RDS-精益设计与仿真可靠性管控平台。
其核心是为企业解决产品技术内容管理、知识管理以及技术的沉淀；RDS仿真平台将国标、企标、行标以及人工经验融入日常项目开发，实现管理与技术的数字化融合，能够有效协助企业进行产品技术的落实，对设计技术的内容进行积累，量化管理产品设计性能进行可靠性评估，从而为企业带来诸多益处。
有限元的应用
汇报人：赵思玉
学号：2017205229
目录
一、有限元的发展
二、有限元法的应用 三、有限元法案例 四、参考文献
一、有限元的发展
有限元法(Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方 法,它是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。对于过去用解析方法 无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题 ,有限元法则是 一种有效的分析方法。
二、有限元的应用
有限元法最初应用在求解结构的平面问题上 ,发展至今 ,已由二维问题扩 展到三维问题、板壳问题,由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题,由 结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科,由线性问题扩展到非线性 问题,由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料 ,从航空 技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及 原子能等,由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合 ,其应用的深度和广度 都得到了极大的拓展。 一、有限元法在生物医学中的应用： 在对人体力学结构进行力学研究时 ,力学实验几乎无法直接进行 ,这时用 有限元数值模拟力学实验的方法恰成为一种有效手段。
运输是物流的重要环节,但在运输过程中包装件不可避免地会遇到碰撞、跌落 等冲击,致使产品遭到致命损坏。采用有限元技术模拟包装件在运输中碰撞、 跌落等状态 ,能够减少或避免不必要的人工反复实物实验和破坏性实验 ,缩小 实验周期和费用。吴彦颖通过跌落模拟分析计算了不同工况下运输包装件的 冲击力学响应,并结合以往的环境试验结果 ,得出了缓冲包装的可靠性和包装 件内部无法检测部件的环境适应性结论;还将理论模拟结果与模拟试验测量结 果进行对比,验证了数值模型和模拟方法的有效性。国内对产品采用不同材料 作为缓冲包装均进行了有限元跌落模拟分析
有限元仿真技术
有限元仿真技术一、引言有限元仿真技术是一种基于数值计算方法的工程分析技术，它可以对复杂的结构进行力学分析、热力学分析、流体力学分析等多种物理场分析。
本文将介绍有限元仿真技术的基本原理、应用领域以及相关软件和工具。
二、有限元方法基本原理有限元方法是一种离散化的数值计算方法，它将一个连续的物理问题转化为一个离散化的问题，并通过求解离散问题来得到连续问题的解。
在有限元方法中，物理问题被描述为一个偏微分方程组，然后将其离散化为一个线性方程组。
这个线性方程组可以通过求解矩阵方程来得到物理问题的解。
三、有限元仿真技术应用领域1. 结构力学分析：有限元仿真技术可以用于结构力学分析，如静力学和动力学分析、疲劳寿命预测等。
2. 流体力学分析：有限元仿真技术可以用于流体力学分析，如气动性能预测、水动力学模拟等。
3. 热传导和热对流分析：有限元仿真技术可以用于热传导和热对流分析，如冷却系统设计、热管设计等。
4. 电磁场分析：有限元仿真技术可以用于电磁场分析，如电机设计、变压器设计等。
四、有限元仿真软件和工具1. ANSYS：ANSYS是一款功能强大的有限元仿真软件，它可以进行结构力学、流体力学、热传导和电磁场分析等多种物理场分析。
2. COMSOL Multiphysics：COMSOL Multiphysics是一款多物理场仿真软件，它可以进行结构力学、流体力学、热传导、电磁场和化学反应等多种物理场分析。
3. Abaqus：Abaqus是一款常用的结构力学仿真软件，它可以进行静力学和动力学分析、复合材料模拟等。
4. MATLAB：MATLAB是一款数值计算软件，它可以进行有限元方法求解线性方程组以及其他数值计算问题。
五、有限元仿真技术的优缺点1. 优点：（1）能够对复杂的结构进行准确的数值模拟；（2）能够预测结构的强度和稳定性；（3）能够进行参数优化和设计优化；（4）能够提高产品研发效率。
2. 缺点：（1）有限元分析需要大量的计算资源，需要较高的计算机配置；（2）有限元分析结果的准确性受到模型精度、材料参数等因素的影响；（3）有限元分析需要专业人员进行模型建立和分析，成本较高。
有限元仿真技术在汽车工业中的应用研究
有限元仿真技术在汽车工业中的应用研究引言近年来，有限元仿真技术在汽车工业中的应用越来越广泛，成为汽车设计和制造中不可或缺的重要工具。
有限元法是一种数值分析方法，通过数学模型将连续体离散化成有限的节点和元素，在计算机中进行数值计算得出结构的应变、应力等相关参数，从而通过模拟实际工况来评估汽车结构的可靠性和安全性。
本文将从有限元仿真技术的起源、发展、原理及其在汽车工业中的具体应用等方面进行探讨和研究。
一、有限元仿真技术的起源与发展有限元法的起源可以追溯到20世纪50年代，当时美国航空航天工程师Clive L. Dym提出了将结构离散化成小块的想法，由此打开了有限元法的大门。
60年代开始，在结构力学、流体动力学、热力学等领域中，有限元法得到了广泛的应用。
70年代，有限元法开始在机械工程、航天、化工等领域中进行广泛的应用。
80年代后，随着计算机硬件和软件技术的迅速发展，有限元仿真技术进一步得到了推广和应用，成为现代工程设计和制造中的重要工具。
二、有限元仿真技术的原理有限元法的基本原理是将运动或力学问题抽象成数学模型，并通过数字化处理来求解问题。
有限元法中最基本的元素是单元，每个单元的连通性由相邻单元的节点决定。
在计算过程中，将整体的结构分解成若干个互相独立的小单元，对小单元进行运算，然后再将小单元的运算结果汇总得到整个结构的运算结果。
这样，通过数学模型将实际工程中的结构问题离散化，转换为有限个简单的子问题，在计算机中进行模拟，得到结构的应力、应变、变形等参数结果，从而达到评估结构可靠性和安全性的目的。
三、有限元仿真技术在汽车工业中的应用1、车身结构分析利用有限元仿真技术进行车身结构分析，可以评估车身的刚度、变形、强度等参数，并寻找潜在的失效点。
在设计阶段，通过对车身结构的仿真分析，可以快速的找出结构中存在的缺陷，避免新车上市时出现不合格情况，降低制造成本。
2、碰撞安全性分析汽车碰撞测试是惯例的测试项目，汽车生产商需要根据相关法规和标准进行严格的碰撞测试。
基于有限元法的机械系统仿真技术研究
基于有限元法的机械系统仿真技术研究在当今的工程领域，机械系统的设计和优化变得越来越复杂。
为了提高产品质量、缩短研发周期、降低成本，基于有限元法的机械系统仿真技术应运而生，并逐渐成为解决机械工程问题的重要手段。
有限元法是一种将连续的求解域离散为有限个单元，并通过对单元的分析和组合来求解问题的数值方法。
在机械系统中，通过将结构离散为大量的小单元，可以对其力学行为进行精确的模拟和分析。
在机械系统仿真中，首先需要建立准确的几何模型。
这包括对机械部件的形状、尺寸、位置等进行精确的描述。
利用现代计算机辅助设计（CAD）软件，可以方便地创建复杂的几何形状，并将其导入到仿真软件中。
材料属性的定义也是至关重要的一步。
不同的材料具有不同的力学性能，如弹性模量、泊松比、屈服强度等。
准确地赋予各部件相应的材料属性，才能使仿真结果真实可靠。
网格划分是将几何模型离散为有限个单元的过程。
网格的质量和密度直接影响仿真结果的精度和计算效率。
一般来说，在应力集中区域和关键部位需要采用较细密的网格，而在其他区域可以适当采用较粗的网格，以平衡计算精度和计算时间。
在施加边界条件和载荷时，需要根据实际情况进行合理的设定。
边界条件包括约束部件的位移、转角等，载荷则包括力、压力、温度等。
错误的边界条件和载荷设置可能导致仿真结果的偏差。
求解过程是通过有限元软件进行数值计算，得到机械系统在给定条件下的响应。
这一过程通常需要强大的计算资源和一定的计算时间。
完成求解后，对结果进行后处理和分析是获得有用信息的关键。
可以通过查看应力分布、变形情况、振动模态等，评估机械系统的性能，并发现潜在的问题。
基于有限元法的机械系统仿真技术在众多领域都有着广泛的应用。
在汽车工业中，通过对车身结构、发动机部件等进行仿真，可以优化设计，提高车辆的安全性和燃油经济性。
在航空航天领域，对飞机机翼、发动机叶片等关键部件的仿真，有助于减轻重量、提高强度和可靠性。
在机械制造中，仿真技术可以用于预测刀具磨损、优化加工工艺，提高生产效率和产品质量。
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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作。
图2 现代CAE 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目前,根据市场需求相继出现了各种类型的应用软件,其中NAST RAN 、AD I N A 、ANSYS 、ABAQUS 、MARC 、MAGS OFT 、COS MOS 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。
MSC 1Soft w are 公司创建于1963年,总部设在美国洛杉矶,MSC 1Marc 是MSC 1Soft w 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Marc 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MSC 1Nastran 软件被美国联邦航空管理局(F AA )认证为领取飞行器适31航证指定的唯一验证软件。
在中国,MSC1Soft w 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MSC1Nastran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G L、中国船级社CCS等8家国际船级社协会的成员采用Nas2 tran软件作为船舶分析的验证软件。
MSC1Marc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。
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CADOE子公司、致力于工程咨询和流体前后处理软件开发的美国I EC M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10000多家正式商业用户(总装机超过80000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。
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。
ABAQUS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,ABAQUS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。
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。
211 高炉过程有限元仿真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。
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41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、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:1)不同布料方式对高炉操作的影响,确定合理布料制度;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;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。
212 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。
213 成型过程的有限元模拟仿真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51法难以得出科学结论,仿真模拟即成为了解决问题的重要手段。