【導讀】PadmanabhDabke. Introduction

　　

【正文】 分析師們通常繪制一個重要部分的自由體受力圖來闡述它與靜止元件的配合并以此獲得更多的有關結構性能的數據。然后從有限元程序的實體造型中檢索所需的部件和組件。 近年來，一些商業(yè)系統(tǒng)開始提供兩種軟件：實體建模和有限元分析。 在這種情況下，數據交換可能會出現兩個不相同的模塊。以前用于幾何分析的設計有時過于復雜。分析師們將其簡化后減少了設計的成本。這種簡化的幾何設計被稱為整體理想化。整體理想化可能涉及幾何特征的一些修改。分析師可能會選擇利用對稱度和分析模型的一部分。 如果是軸對稱的，他們會將三維問題減少為二維問題來分析。如果分析師打算做一個幾何限制，首先他們可以選擇從草稿軟件包里導入一個幾何軟件包，然后再從軟件分析包里進行修改。理想化的特征元 素是由整體理想化對象的有限元延伸產生的。原來的三維幾何結構可轉化為一維的集合，二維和三維實體取決于對各種不同幾何部件的描述比如：梁，殼 \板材，固體元素。理想化特征元素的確定是基于兩個因素：形狀對象和邊界條件。 下一步的建模過程，是選擇元素的類型和他們的物理屬性。根據這些，用戶就可以用有限元分析離散化那些理想化的幾何形狀。這一步通常稱為 Mesh Generation。網格時代 傳統(tǒng)上，負載和邊界的條件，被用于節(jié)點和元素的界限。 在所推薦的系統(tǒng)里他們被用于幾何圖形上。 最后，他們選擇了分析的種類和解決辦法并為有限元模型做好了分析的準備。 未經處理的原始答案必須用有限元做進一步的處理。類似于派生數量的計算（例如應力和應變），計算機運算的錯誤估計，創(chuàng)建圖形顯示的外形形變，應力、外形、平面圖等等。所有這些任務都統(tǒng)稱為后處理?；诤筇幚斫Y果，用戶可以修改的任何理想化階段（包括原設計本身的模型），并進入下一個階段。分析過程的一個概述如圖 1所示。 圖 有限元工具的發(fā)展 由于分析過程有顯著地提高，所以不管是科研領域或商業(yè)領域有限元分析軟件的誕生都是近乎于爆炸 式的創(chuàng)新。有限元分析工具的發(fā)展遵循著與自動化設計工具發(fā)展類似的路徑。早期的軟件也支持有限元分析，其主要目的是為了在詳細分析階段的進行自動化任務，即 Mesh Generation 和 格辦法的調查可以從參考資料 [2]和 [3]找到。此前網狀震蕩發(fā)生器可以在不考慮解決精確網格計算的情況下進行對一束離散幾何模型的分析。自動適應網格劃分方法提高了網狀震蕩發(fā)生器的可靠性。用在測試網上的方法使用了幾個離散化錯誤估計中的一個，并通過精簡確定區(qū)域或增加秩序元素來 改善網格質量。 由于它的容量非常大，正常的原始數據是很難說明問題的。 PostProcessing工具可以使其形象化，并讓解釋原始數據變的更容易。如今的商業(yè)軟件包提供的 Postprocessing的功能包括形變顯示，所需工程量計算，例如 馮米塞斯應力 ，主應力，外形和輪廓在分析中都將由數字和參數來表示。 科技專用系統(tǒng)的出現使有限元分析工具得到發(fā)展。在自動化技術進行有限元模型分析的早期階段，研究人員開始對專用系統(tǒng)的應用感興趣。對一個初學者來說系統(tǒng)將根據經驗和主觀的知識來進行模型分析。為了協(xié)助有限元分析的發(fā)展參考 資料 [8]里提出了一個知識系統(tǒng)框架。參考資料 [9]中被稱為 SACON的基礎規(guī)則系統(tǒng)的發(fā)展，推薦初學用戶使用 MARC。 如今很多商業(yè)綜合系統(tǒng)被用在了網格生成和后期處理上。此外，分析軟件發(fā)展的趨勢是向著能提供一系列設施（例如 實體建模，制圖，分析等）的整體計算機輔助工程的方向發(fā)展的。這非常有利于從實體建模到有限元建模的過度。 有限元發(fā)展的因素 第 2節(jié)描述了，有限元軟件的發(fā)展必須能夠支持所有的有限元應用。由于現在有限元軟件包相當復雜，好多都是在重復沒有意義的工作，所以我們寧愿選擇使用商業(yè)化的軟件包如 Mesh Generation and PostProcessing。 從一方面來說，商業(yè)軟件卻不適合明確領域的模型制作任務，所以有限元發(fā)展的動力是為了填補軟件能力的不足空缺。因此，以下的討論主要集中在有限元分析軟件的模型制作工作上。 1有限元建模信息交流 有限元軟件應該對有限元建模與不同軟件之間的交流起到促進作用。一個高水品的軟件應該由草圖分析、操作環(huán)境的文字敘述和分析條件構成。另一種是由臨界條件的邊界表示和實體邊界表示組成。一個實體軟件的組成、部件和邊界條件等等，必須為數據交換提供正規(guī)的語言。軟件應該具有生成 和讀取 IGES和 STEP文件的能力。 它們都具有處理和構建幾何實體并且能夠表示邊界條件的能力。 同時 STEP還需要有實體交換的能力。 2有限單元的描述 有限單元的描述必須包括以下信息： 1?幾何形狀； 2?邊界條件； 3?材料性能； 4?幾何性質； 5?類型分析； 6?精度的期望。 幾何形狀應該被保存在理想化的有限元中。這就要求非流形幾何模型時有限元要由不同維度的基礎組成。幾何描述總是被保存在網格線組成的邊界表示中。 傳統(tǒng)上，邊界條件被網狀化后就可以用于建模，分析師知道有限元分析的原始思想并將這些知識用在為 物體生成合適的有限元網格上。 The Design Representation System (DRS)允許我們指定邊界環(huán)境和幾何形狀并注重有限元模型的邊界表示。 實踐中，有限元涉及的大都不是單一的機械元件，因此最好是使用裝配和連接符號來表示。 由于連接部件之間互相作用，連接表示也能用在自動獲得邊界條件上。 3幾何圖形編輯 分析師們通常會刪除或修改模型的某些已知幾何形狀來簡化分析過程。這被稱為整體理想化。因此有限元分析軟件應該提供針對實體的專題編輯功能和快速計算邊界表示。確定的高級指令可以將一種有限元模型 轉變?yōu)榱硪环N模型（比如二維模型和一維模型）。幾何性質中的特征量和質量中心等數據應該自動計算。 對有限元實體直接的添加和刪除例如梁和板材等，在結構設計上應該盡可能快的分析。 4商業(yè)有限元軟件的界面 建議對 Mesh Generation， Analysis and PostProcessing 使用商業(yè)指令。這個軟件包的界面可能不僅僅局限于 IGES或者 STEP。 有限元軟件用到到的軟件包里必須包括設計時所需的知識。這種知識必須能被寫入程序文件并能夠用來描述有限元軟件程序的指令。 5基礎知識幫助 有限元的建 模主要基于兩個因素：所分析的組成部件形狀和邊界條件。如果幾何圖形被保存在邊界表示項里，邊界表示信息就能被用于推斷元件的形狀屬性。 DRS也允許用戶添加幾何模型的邊界條件（頂點，邊，面），此系統(tǒng)能夠繼承幾何條件和邊界條件的功能。這個功能至少能幫助用戶篩選選擇項目。舉例來說，如果沒有幾何軸對稱，軟件就不會顯示 2維圖形。開發(fā)利用幾何圖形和邊界條件的具體資料可以進一步發(fā)展知識基礎。 對新用戶來說這個功能可以提供專業(yè)的意見。 對有限元分析軟件結構體系的建議 作者提出的結構示意圖如圖 2。中央模塊代表剪編輯命令。 這將保 存在 。被稱為 NOODLES的非流形幾何模塊可以提供幾何圖形核心。圖形顯示程序將被寫入 TK/TCL界面。 I DEAS軟件將用于生成網格，分析和后處理。知識基礎模塊將被寫入 CLIPS的規(guī)則和標準中。 模塊界面可以讀寫 IGES和STEP文件，寫 IDEAS程序文件并能夠用 EIT軟件進行軟件交流。 圖 2 有限元分析軟件結構示意圖 結束語 以 CLIPSC/TK/TCL為基礎的成就。早期發(fā)現的一些特征是不成熟的。 具體如下： ?數據結構的邊界條件附加到邊界表示上。 ?簡單的形狀識 別和邊界表示的更新。 ?常用屬性的計算，如容量，質量中心，轉動慣量等屬于邊界表示。 ?為梁模型建模生成 IDEAS程序文件。