所有仿真軟件包均使用有限元方法

結(jié)果的精確度取決于正確的設(shè)置、網(wǎng)格化和求解

有限元分析 (FEA) 軟件的開發(fā)人員通常宣傳自己的解優(yōu)于競爭對手，他們試圖將競爭對手描述成“未達(dá)到正常水平”。但是，他們無法解釋這些軟件包中有許多都使用了相同的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方法：有限元方法 (FEM)。換言之，仿真結(jié)果的精確度不依賴于基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方法（通常是相同的），而是更加取決于是否正確設(shè)置了問題。FEM 是一種離散數(shù)值技術(shù)，用來近似計(jì)算關(guān)于物理與工程的微分方程式邊界值問題。該模型以數(shù)學(xué)方式表示為幾何體的離散化，即將幾何體網(wǎng)格化并劃分為以數(shù)學(xué)方程表示的單元，將單元方程式合并到方程式系統(tǒng)中，然后使用矩陣代數(shù)求解這些方程式。由于大多數(shù) FEA 解決方案（無論哪個軟件包）都基于 FEM 原理，因此它們的解將始終是現(xiàn)實(shí)的近似值。然而，在正確處理的情況下，此近似解已足夠接近真實(shí)值，可提供做出重要設(shè)計(jì)決策所需的精確度。簡而言之，雖然對特定幾何體、載荷和邊界條件案例存在真實(shí)、可測量的物理響應(yīng)，但在FEA 中沒有完美或理想的答案，只能獲得近似值。但是，該近似值的精確度（即它與實(shí)際物理情況的接近程度），對于預(yù)測和理解設(shè)計(jì)行為以及制定明智的設(shè)計(jì)、工程和產(chǎn)品開發(fā)決策仍然至關(guān)重要。由于所有 FEA 軟件包都使用相同的基礎(chǔ) FEM 原理，因此結(jié)果的精確度性高度依賴于通過用戶定義特定實(shí)例的邊界條件（包括約束、自由度 (DOF)、材料屬性和載荷）來對仿真問題進(jìn)行初始設(shè)置的完善程度。設(shè)計(jì)人員和工程師必須準(zhǔn)確應(yīng)用載荷和邊界條件，以便盡可能接近真實(shí)答案。他們在設(shè)置仿真問題時的簡易性和直觀性起著重要作用。因此，各種 FEA 軟件包的仿真結(jié)果精確度直接取決于用戶能否輕松、正確地設(shè)置 FEA 問題，而市面上的 FEA 系統(tǒng)在這一點(diǎn)上存在巨大差異。由于具備相同的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，F(xiàn)EA 和仿真解決方案主要通過用于網(wǎng)格化、求解、前處理（設(shè)置仿真）和后處理結(jié)果的技術(shù)進(jìn)行劃分。

驗(yàn)證算例、認(rèn)證和基準(zhǔn)測試

當(dāng)不同的 FEA 軟件包生成“近似”解時，如何測量結(jié)果的精確度？在不同的 FEA 系統(tǒng)中運(yùn)行正確設(shè)置的相同仿真問題時，我們?nèi)绾沃滥膫€近似解最接近真實(shí)的答案？比較近似值是一個失敗的主張。確定 FEA 結(jié)果精確度的更好方法是使用已知測試數(shù)據(jù)或行業(yè)基準(zhǔn)測試和驗(yàn)證算例，將這些結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較。

國際工程建模、分析和仿真團(tuán)體協(xié)會是工程仿真最佳做法領(lǐng)域的公認(rèn)獨(dú)立權(quán)威機(jī)構(gòu)，其更廣為人知的名稱是 NAFEMS。它的使命是為工程仿真的使用和驗(yàn)證提供知識、國際合作和教育機(jī)會。作為 NAFEMS 工作的一部分，該組織會執(zhí)行并發(fā)布驗(yàn)證算例和基準(zhǔn)測試，所有商業(yè) FEA 軟件包都會以此來比較其結(jié)果的精確度。例如，SOLIDWORKS ? Simulation 軟件中的“幫助”菜單下嵌入了 100 多個 NAFEMS 驗(yàn)證算例供用戶參考。NAFEMS 基準(zhǔn)測試以及 AFNOR（法國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）執(zhí)行的基準(zhǔn)測試表明，SOLIDWORKS Simulation 的結(jié)果誤差通常不超過實(shí)際解的 1%。在評估不同 FEA 軟件包生成的結(jié)果的精確度時，請確保了解它們與 NAFEMS 和 AFNOR 等獨(dú)立組織執(zhí)行的基準(zhǔn)測試的比較情況。盡管設(shè)計(jì)人員和工程師通常認(rèn)為誤差在實(shí)際解的 5% 以內(nèi)的精確度就足夠好了，但視產(chǎn)品而定，生成的結(jié)果誤差可在實(shí)際解的1% 以內(nèi)并且更加易于設(shè)置 FEA 問題的 FEA 軟件包（例如 SOLIDWORKS Simulation），將提供不遜色于（如果不是優(yōu)于的話）其他仿真程序的精度水平。在評估 FEA 精確度時，除了參考 NAFEMS 等獨(dú)立基準(zhǔn)測試以外，還應(yīng)考慮該解決方案是否已獲得著名行業(yè)組織的認(rèn)證。DIN - 航空航天標(biāo)準(zhǔn)委員會 (NL) 負(fù)責(zé)制定德國國家標(biāo)準(zhǔn)。它代表了德國在歐洲 (CEN) 和國際 (ISO) 級別的標(biāo)準(zhǔn)化利益，涵蓋了從材料、技術(shù)流程和機(jī)械零件到飛行機(jī)械和設(shè)備、空運(yùn)和地面設(shè)備以及電子設(shè)備等領(lǐng)域。SOLIDWORKSSimulation 軟件已獲得 NL 認(rèn)證，SIMULIA StructuralProfessional Engineer (SPE) 軟件采用 Abaqs 解算器技術(shù)，自推出以來就已獲得 NL 認(rèn)證，并且因包含的技術(shù)和先進(jìn)的機(jī)械分析功能而被認(rèn)證為最佳NL 解算器。

利用 SOLIDWORKS 設(shè)計(jì)、仿真、PDM、檢查和技術(shù)交流解決方案，Resemin 在其地下采礦機(jī)械與相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和裝配過程中實(shí)現(xiàn)了顯著的工作效率提升。

CAD 集成和基于云的解算器的優(yōu)勢

正如我們所看到的，在測量特定 FEA 軟件包生成的結(jié)果的精確度時，更多考慮的是用戶定義仿真問題的方式，而非基礎(chǔ)數(shù)學(xué)方法。這就是為什么提供更易用的功能的仿真解決方案通常會生成更準(zhǔn)確的結(jié)果。SOLIDWORKS Simulation 技術(shù)的起源可追溯到 COSMOS軟件，該軟件由 Structural Research Analysis Corp. 在20 世紀(jì) 80 年代初開發(fā)，該公司于 2001 年被DassaultSystèmes SOLIDWORKS 收購。自那時起，該軟件已完全嵌入 SOLIDWORKS CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，可提供業(yè)界最佳的 CAD集成和易用性。使用 SOLIDWORKS Simulation 時，無需用到第三方轉(zhuǎn)換工具，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞，也無需修復(fù)笨重的幾何數(shù)據(jù)。簡而言之，SOLIDWORKS Simulation 無需額外的前處理器，因?yàn)樵?CAD 系統(tǒng)就是前處理器。例如，您SOLIDWORKS CAD 中定義材料屬性，并且不必再次輸入這些屬性即可運(yùn)行仿真（除非您要更改材料）?！?過去使用 ANSYS 時，非線性接觸與塑性分析需要 2 天時間才能求解。而利用SOLIDWORKSSimulation Premium 軟件，我們只需要幾個小時就能求解相同類型的問題。 ”

“SOLIDWORKS Simulation Premium 軟件可提供精確的結(jié)果，并能比我們過去使用的 ANSYS ?FEA 軟件更快地生成解，”地下鉆井機(jī)械及相關(guān)設(shè)備的頂級國際制造商 Resemin 的工程經(jīng)理Fernando Díaz 解釋道，“過去使用 ANSYS 時，非線性接觸與塑性分析需要 2 天時間才能求解。而利用 SOLIDWORKS Simulation Premium 軟件，我們只需要幾個小時就能求解相同類型的問題。這為我們節(jié)省了原型之前驗(yàn)證設(shè)計(jì)的大量時間。”SIMULIA 軟件是基于云的解決方案，在達(dá)索系統(tǒng) 3DEXPERIENCE ? 平臺上運(yùn)行。SIMULIA 利用了強(qiáng)大的 Abaqs 非線性材料和接觸分析技術(shù)，它是一個成熟的 FEA 品牌，以高級機(jī)械仿真而聞名。借助 SIMULIA，設(shè)計(jì)人員和工程師可以在本地桌面或云中運(yùn)行仿真，從而提供一定的靈活性來幫助增強(qiáng)問題設(shè)置和結(jié)果精確度。設(shè)計(jì)人員和工程師無需在桌面占用太多計(jì)算資源來求解仿真，也無需投資購買更大、更昂貴的計(jì)算硬件，而是可以將更多時間用在桌面正確設(shè)置問題和確保精確度，并減少等待仿真求解的時間。

“由于 SIMULIA 位于云端的 3DEXPERIENCE 平臺上，并且與我們的 SOLIDWORKS 建模數(shù)據(jù)完全兼容，因此它提供了額外的優(yōu)勢，”石油和天然氣行業(yè)井下產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)商 InFocusEnergy Services 的機(jī)械工程師兼仿真專家 Peter Kjellbotn 說道，“它不依賴任何硬件，無需占用我們的工作站空間，并可利用 SOLIDWORKS 數(shù)據(jù)，避免了耗時耗力的導(dǎo)入/導(dǎo)出協(xié)議，從而幫助節(jié)約了大量的時間和成本。這款解決方案還能自動在云端存儲數(shù)據(jù)，并支持協(xié)作。借助SIMULIA，我們的想象力得到釋放。”因此，下次有人質(zhì)疑某個 FEA 軟件包的準(zhǔn)確性或說“它未達(dá)到正常水平”時，請記住，仿真精度與仿真案例的正確設(shè)置有關(guān)，并思考對比那些添加了功能和特性以使此過程變得更加容易的系統(tǒng)，以及那些沒有添加這些功能的系統(tǒng)。

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