第四章 建立有限元模型

有限元模型建立步骤
嘿，咱今儿就来唠唠这有限元模型建立步骤。

你说这有限元模型建立啊，就像是搭积木，得一块一块来，还得搭
得稳当、搭得漂亮。

首先呢，得有个清晰的规划，就像你要盖房子，得先想好盖个啥样的，这模型到底要用来干啥。

这可不是能随便糊弄的事儿，你得心里
有数啊，对吧？
然后就是对模型进行简化啦，把那些复杂得让人头疼的东西变得简
单点，不然咋下手啊。

这就好比你要画一幅画，总不能把所有细节都
一股脑儿往上堆吧，得抓重点呀！
接下来，就是划分网格啦，这可是个精细活儿。

就像给一个大蛋糕
切小块儿，得切得均匀、合适。

网格分得好，后面的计算才靠谱呢。

再之后呢，得确定各种边界条件和载荷情况。

这就好像给模型穿上
合适的衣服，得符合实际情况呀，不能乱套。

材料属性也不能马虎，这就像是给模型注入灵魂，不同的材料可有
不同的脾气呢。

然后就到了求解啦，这就像是一场考试，前面准备得好，这时候才
能考出好成绩。

最后别忘了验证结果，看看对不对，就像做完作业得检查一遍一样。

你想想看，要是这步骤没走好，那模型能好用吗？那不是白费劲嘛！所以啊，每一步都得认真对待，不能掉以轻心。

比如说，要是简化得不合理，那后面的计算可能就全错啦；要是网
格分得乱七八糟，那结果能准吗？就好比你走路，路都没铺好，还能
走得稳当吗？
这有限元模型建立啊，真的是一门学问，得慢慢琢磨，细心钻研。

咱可不能马马虎虎，得对自己的成果负责呀！这样建立出来的模型才
能可靠，才能发挥出它应有的作用。

你说是不是这个理儿呢？。

有限元数值模型建模流程英文回答：Finite Element Numerical Model Modeling Workflow.The finite element method (FEM) is a powerful numerical technique used to solve complex engineering problems. It involves dividing a complex geometry into smaller, simpler elements, and then solving the governing equations over each element. This allows for the accurate simulation of complex physical phenomena, such as structural mechanics, fluid dynamics, and heat transfer.The modeling workflow for a finite element numerical model typically involves the following steps:1. Problem definition: Clearly define the problem to be solved, including the governing equations, boundary conditions, and material properties.2. Geometry creation: Create a geometric representation of the problem domain using a computer-aided design (CAD) software.3. Mesh generation: Divide the geometric model into smaller, simpler elements. The choice of element type and size depends on the complexity of the problem and the desired accuracy.4. Material assignment: Assign material properties to each element, such as elasticity, density, and thermal conductivity.5. Boundary condition application: Define the boundary conditions for the model, such as fixed displacements, applied loads, and heat fluxes.6. Solver selection: Choose an appropriate solver to solve the governing equations over the mesh. This can be a direct solver, iterative solver, or a combination of both.7. Results analysis: Post-process the results tovisualize and interpret the solution, such as stress distributions, fluid flow patterns, or temperature gradients.中文回答：有限元数值模型建模流程。

建立有限元模型的一般方法
建立有限元模型的一般方法
叶尚辉
【期刊名称】《电子机械工程》
【年(卷),期】1999(000)006
【摘要】本文对如何从实际工程结构简化为有限元模型的问题进行了论述。

提出一般原则以及建立有限元模型的几个策略与方法。

【总页数】1页(17)
【关键词】有限元分析;有限元模型化;问题求解;计算力学
【作者】叶尚辉
【作者单位】西安电子科技大学电子机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB112
【相关文献】
1.ANSYS中建立有限元模型的方法 [J], 李旻辰; 石金彦; 雷文平; 王海涛
2.三维激光扫描技术辅助建立有限元模型[C], YangYongguang; 杨永光; Han Daguang; 韩达光; Li Xuefei; 李学飞; Ma Xiaoxin; 马晓鑫; Liang Ningbo; 梁宁博; Ma Pengfei; 马鹏飞
3.脊柱颈胸结合部(C6-T1)三维有限元模型的建立及有限元分析[J], 马迅; 郭建鹏; 梁凯恒; 宋文慧
4.月骨矢状面二维有限元模型的建立及其有限元分析[J], 杜传超; 肖滋润; 熊革; 任爽; 荣起国; 张衡
5.T12～L1椎体有限元模型的建立及其爆裂骨折的有限元分析[J], 韦健; 马迅;。

六岁儿童头部有限元模型的建立及验证在医学领域，特别是头部损伤的研究中，儿童头部的保护问题一直是一个大难题。

别看孩子们个个活泼好动，摔倒碰撞的事情可是经常发生，尤其是六岁左右的孩子，脑袋上那一层“柔软的气垫”可没有成人那么厚实。

所以呀，如何准确模拟孩子头部的结构和受力情况，就成了我们科学家头疼的问题。

要解决这个问题，咱们得从一个“头部有限元模型”的建立说起。

“有限元模型”听上去很高大上，实则就是把复杂的东西拆开，分成一个个小小的“元素”，然后分别去研究每个元素的受力、形变等情况，最后再把这些小元素的结果合起来，得出整个物体的行为表现。

这样一来，就能通过计算机来模拟不同的碰撞场景，预测儿童在头部受到撞击时的伤害情况。

想象一下，这就像是给孩子们戴上了一副“虚拟的盔甲”，通过模拟各种可能的危险情况，提前找到问题所在，从而减少真正发生事故时的伤害。

说到这个建模过程，可不是一件简单的事。

咱得从零开始，先得收集孩子的头部数据。

这就得用到一些专业的设备，比如3D扫描仪，给孩子的头部做个“高清扫描”。

别看这项技术挺先进，其实过程也很有趣。

研究人员需要在保证孩子安全和舒适的前提下，捕捉头部的每一个细节，甚至是小到脑袋上的每一条小小的皱纹。

想象一下，孩子们戴着特殊的头套，静静坐着，让你扫描他们的头部，真有点像拍电影的现场，大家都得保持安静，不然数据会被打乱。

不过，光有数据可不行。

要建一个准确的有限元模型，咱还得知道大脑、骨骼、软组织等不同部位的“脾气”。

不同的材料，受力方式不同，变形的程度也各不相同。

举个简单的例子，大脑就像一个弹性十足的海绵，受到外力时会先变形，再慢慢恢复；而颅骨就像一块坚硬的“石板”，一旦撞击，可能就会产生裂缝。

所以，咱得把这些不同的部位分开建模，精细到每一个关节、每一条血管、每一块骨头。

做这些的时候，科学家们可是绞尽脑汁，生怕漏掉了任何一个细节，因为一个小小的疏忽，就可能影响整个模型的准确性。

最让人兴奋的是，建立好模型之后，咱们就可以进行一系列模拟实验啦！这时，模型就像是一个超级“试验场”，咱可以用它来模拟孩子头部在不同场景下的反应，比如摔倒、撞到桌角，甚至是车祸那种剧烈碰撞的情境。

建立有限元模型的基本策略李威摘自《大型通用有限元程序系统MSC.NASTRAN基础培训教程》，以下的内容数据均来自MSC公司自己的考核数据，大家可以根据相应的模型做一下测试考一下。

1）设计模型在设计模型开始之前，必须对结构特性作出工程技术判断。

因为复杂结构的有限元模型涉及重要的工程技术与计算机资源，故在操作计算机建模之前，有必要制定一个建模计划，下面给出了在设计模型过程中必定出现的一些问题。

a）建立项目预算项目预算需要考虑可用于完成工程项目的时间，有效工时和计算机资源。

一般来说，随着所采用的模型自由度的增加，而增加计算机消耗、建模时间和得到感兴趣的结果的时间。

对于具有N个自由度的模型，计算机消耗的主要是由下面几部分组成：●一般管理费用（与N无关）●矩阵装配（与N成比例）N有关）●求解（与2●数据恢复（与N成比例）对于具有1000个自由度的静力问题，这些量是近似相等的，对于大的问题，求解消耗占主导地位（大家可以尝试1万单元的一个模型的计算消耗的内存、计算机CPU、以及中间生成文件的空间占用）。

b）解的精度问题精度问题是设计模型的关键问题，并且在相当程度上与经验与判断有关。

一般来说，增加单元数便提高精度。

例如，200个单元的模型得到的解与理论的误差为15%，增加100个单元，则可以改善解的精度到10%。

因此，懂得怎样附加单元以改善精度是十分重要的。

通常，在高应力梯度区域（也就是应力变化剧烈的部位）要求高精度的情况，要求较多的单元（细网格）。

但是我们在有限元结构分析中，应当去找到一定的规模，我们认为这样的规模已经可以达到一定的精度，能够满足我们的需要。

c）结构的破坏形式问题MSC.NASTRAN只能求出你要求的需求解的问题。

例如在线性静力问题分析中，你可以压缩一根细长柱，结果得到一短的高应力柱。

而真实的情况可能该是该柱在小的应力情况下便失稳了。

屈曲分析是不同的解法流程，要求特征值方法。

这就是说，用户需要根据可能的破坏形式选择相应的分析流程。

有限元模型的建立3 有限元模型的建立3.1 建模方法由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外型基本是一致的。

有限元模型的建立可分为直接法和间接法（也称实体模型Solid Modeling），直接法为直接根据机械结构的几何外型建立节点和元素，因此直接法只适应于简单的机械结构系统。

反之，间接法适应于节点及元素数目较多的复杂几何外型机械结构系统。

该方法通过点、线、面、体积，先建立有限元模型，再进行实体网格划分，以完成有限元模型的建立。

请看下面对一个平板建模的例子，把该板分为四个元素。

若用直接建模法，如图3-1，首先建立节点1~9（如N，1，0，0 ），定义元素类型后，连接相邻节点生成四个元素（如E，1，2，5，4）。

如果用间接法，如图3-2，先建立一块面积，再用二维空间四边形元素将面积分为9个节点及4元素的有限元模型，即需在网格划分时，设定网格尺寸或密度。

注意用间接法，节点及元素的序号不容易控制，其节点等对象的序号的安排可能会与给定的图例存在差异。

本章主要讨论直接法构建有限元模型，下一章介绍间接法（实体模型）有限元的建立。

3.2坐标系统及工作平面空间任何一点通常可用卡式坐标（Cartesian）、圆柱坐标（Cylinder）或球面坐标（Sphericity）来表示该点的坐标位置，不管哪种坐标系者需要三个参数来来表示该点的正确位置。

每一坐标系统都有确定的代号，进入ANSYS的默认坐标系是卡式坐标系统。

上述的三个坐标系统又称为整体坐标系统，在某些情况下可通过辅助节点来定义局部坐标系统。

工作平面是一个参考平面，类似于绘图板，可依用户要示移动。

欲显示工作平面可用如下操作：GUI:Utility Menu>Work PlaneGUI:Utility Menu>work Plane>Display Working Plane欲设置平面辅助网格开关可用如下操作：GUI:Utility Menu>Work Plane>WP Settings相关命令LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2定义局部坐标系统，以辅助有限元模型的建立，只要在建立节点前确定用何坐标系系统即可。

带式输送机的有限元模型建立带式输送机是一种常见的物料输送设备，广泛应用于煤矿、化工、建材、粮食等行业中。

构成带式输送机的主要部件包括机架、取物滚筒、驱动滚筒、输送带等，其中机架和取物滚筒是支撑和引导输送带的重要组成部分。

由于不同行业中使用的物料种类、物料的粘度、密度等参数不同，因此需要针对不同应用场合的需求，建立带式输送机的有限元模型来优化其性能。

有限元分析是一种广泛应用于工程问题中的数学方法，可以通过将实际物理问题转化为数学问题，采用数值计算方法求解分析结果，快速评价结构设计的合理性。

由于带式输送机的结构比较复杂，常常受到力学强度、动态振动、卡滞等问题的影响，因此需要建立准确、可靠的有限元模型，对其进行分析和优化。

在建立带式输送机的有限元模型之前，需先了解带式输送机的运行原理和结构特点。

首先，物料通过取物滚筒进入输送带，驱动滚筒将输送带带动物料一起往前移动，同时机架和取物滚筒起到支撑、固定输送带的作用。

其次，由于输送带的弯曲和拉伸变形，导致机架和取物滚筒的应变和应力分布非均匀，进而产生热应变和动态振动等问题。

基于上述问题，可以采用ABAQUS等有限元软件来建立带式输送机的有限元模型。

首先，对于输送带、机架等主要部分的几何形状、材料参数、运行条件进行建模，同时将物料的力学性质和运动状态纳入计算。

然后，采用有限元方法对模型进行离散化，将结构分解为一系列子单元，建立单元之间的相互关系，并通过约束条件确定边界和支撑条件。

最后，采用数值求解方法，按照物理规律模拟带式输送机的运行过程，获得各种力、应变、振动等参数。

基于建立的有限元模型，可以对带式输送机的性能进行全面的优化。

例如可以识别出热应变和动态振动等问题的源头，分析影响因素，提出解决方案，优化结构设计，降低生产成本。

同时也可以通过模拟不同物料的输送过程，优化输送带的速度和力学参数，提高输送效率，减少能耗，促进生产效益的提升。

总之，建立带式输送机的有限元模型是一项重要的研究任务，可以为工程应用提供重要的支持。