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你了解Simulation中不同单元有何区别吗?

时间：2022-08-01

作者：鑫辰信息科技（深圳）有限公司

现如今，越来越多的工程师和研究人员利用有限元分析软件，来建立一些计算模型来模拟实际状况。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。

这种求解思想很早就已经出现，比如说：割圆法求圆周率，通过不断增加正多边形的边数，使正多边形的面积更像加接近圆的面积，使用的边数越多，绘制的图形与真实圆的差距就越小。

一：什么是有限单元?

各种有限分析软件的分析流程基本一致，以SOLIDWORKS的Simulation为实例来说，我们在软件中为模型分配材料属性，定义载荷和约束，再使用数值近似方法，将模型离散化以便分析。

在有限元分析软件中，离散化过程就是网格划分的过程，即将几何体剖分成相对小且形状简单的实体，这些实体被称为有限单元。

下面就是一个虎钳的网格划分。

二：网格分类

在SOLIDWORKS Simulation中我们将网格分为三种：实体四面体网格，壳单元三角形网格，横梁单元。合理的利用不同的网格能帮助我们大大减小计算量，加快运算速率。那么如何判断使用哪种网格?使用不同的网格有什么影响呢?下面就带大家了解一下：

如下图，我们创建一个5X30X100的零件，分别用实体单元和梁单元、壳单元对它进行分析，查看划分网格数(均采用默认的网格设置)，求解时间和计算结果的差别。

这里我们为结构一侧添加固定约束，为另一侧添加50N，竖直向下的力做为本次分析的边界条件。首先使用默认的设置采用不同单元对模型进行网格划分：

可以看到采用实体单元划分的自由度数是采用壳单元划分的5倍多，是梁单元的24。接下来查看不同单元分析得到的结果的区别

三：实例总结

可以看到应力结果误差在2%左右，位移结果误差也在2%左右，误差都不大，在可以接受的范围内。借助以上这个实例，可以看到在对结构进行网格划分时，我们可以使用梁单元或壳单元来进行分析，这样能减少总体网格数量，减轻计算机负担，加快运算速度。

一般来说，当我们要处理的模型符合以下情况时，我们可以对它进行对应的处理当模型的一个方向的尺寸远小于其他方向，且沿厚度方向的应力可以忽略，使用壳单元例如钣金件，曲面实体;

分析的结构或者结构的某一部分具有相等或相似的截面，并且一个方向的尺寸远大于另外两个方向，采用梁单元，比如说支架，钢架结构;

对于一个大型的结构，合理的对不同部分使用不同的网格单元进行分析，可以大大减少网格数量，降低计算量，减少计算时间。

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