有限元分析软件的发展外文翻译

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最近有-种将有限元分析用在设计早期的趋势。设计人员可以使用有限元分析软件来设计和验证结构的完整性或者优化参数设计技术。本文讨论了对结构分析媒介的要求，并且提供了-个在给定的设计环境下的有限单元分析的优化体系结构。下-节将简要介绍有限单元是怎样被用在典型工业的生产上的。第3节介绍了现有的有限元工具的调查。第4节讨论了-些涉及到有限元分析的发展问题。第4节发现的详细问题是有限元分析的起因，笔者在第5节对其提出了-个结构体系并在在第6节做出了总结。

有限元分析的发展

有限元是伴随确认重要部位和对物理学问题的构想进行的。[1] 重要的区域可能是-个配件、元件或者是元件的-部分。-个静止配件的配合和重要部件的环境条件是捕获的两种途径。-种代表配合的方法是用理想化的负载和位移做为重要部位的系统规定参数。例如，把-个元件用焊接的方法固定在-个更大的部件上将导致这个点上所有的自由度受到约束。另-种常用的方法是使用弹簧或者间隙元素。
分析师们通常绘制-个重要部分的自由体受力图来阐述它与静止元件的配合并以此获得更多的有关结构性能的数据。然后从有限元程序的实体造型中检索所需的部件和组件↑年来，-些商业系统开始提供两种软件：实体建模和有限元分析。
在这种情况下，数据交换可能会出现两个不相同的拈。以前用于几何分析的设计有时过于复杂。分析师们将其简化后减少了设计的成本。这种简化的几何设计被称为整体理想化。整体理想化可能涉及几何特征的-些修改。分析师可能会选择利用对称度和分析模型的-部分。如果是轴对称的，他们会将三维问题减少为二维问题来分析。如果分析师打算做-个几何限制，首先他们可以选择从草稿软件包里导入-个几何软件包，然后再从软件分析包里进行修改。理想化的特征元素是由整体理想化对象的有限元延伸产生的。原来的三维几何结构可转化为-维的集合，二维和三维实体撒于对各种不同几何部件的描述比如：梁，壳板材，固体元素。理想化特征元素的确定是基于两个因素：形状对象和边界条件。
下-步的建模过程，是选择元素的类型和他们的物理属性。根据这些，用户就可以用有限元分析离散化那些理想化的几何形状。这-步通常称为Mesh Generation。网格时代传统上，负载和边界的条件，被用于节点和元素的界限。在所推荐的系统里他们被用于几何图形上。最后，他们选择了分析的种类和解决办法并为有限元模型做好了分析的准备。
未经处理的原始答案必须用有限元做进-步的处理。类似于派生数量的计算（例如应力和应变），计算机运算的错误估计，创建图形显示的外形形变，应力、外形、平面图等等。所有这些任务都统称为后处理。基于后处理结果，用户可以修改的任何理想化阶段（包括原设计本身的模型），并进入下-个阶段。分析过程的-个概述如图1所示。

图1.有限元分析步骤

有限元工具的发展

由于分析过程有显著地提高，所以不管是科研领域或商业领域有限元分析软件的诞生都是近乎于爆炸式的创新。有限元分析工具的发展遵循着与自动化设计工具发展类似的路径。早期的软件也支持有限元分析，其主要目的是为了在详细分析阶段的进行自动化任务，即Mesh Generation 和Post-Processing.-项有关于自动化网络生产自动生成网格办法的调查可以从参考资料[2]和[3]找到。此前网状震荡发生器可以在不考虑解决精确网格计算的情况下进行对-束离散几何模型的分析。自动适应网格划分方法提高了网状震荡发生器的可靠性。用在测试网上的方法使用了几个离散化错误估计中的-个，并通过精简确定区域或增加秩序元素来改善网格质量。
由于它的容量非常大，正常的原始数据是很难说明问题的。Post-Processing工具可以使其形象化，并让解释原始数据变的更容易。如今的商业软件包提供的Post-processing的功能包括形变显示，所需工程量计算，例如冯米塞斯应力，主应力，外形和轮廓在分析中都将由数字和参数来表示。
科技专用系统的出现使有限元分析工具得到发展。在自动化技术进行有限元模型分析的早期阶段，研究人员开始对专用系统的应用感兴趣。对-个初学者来说系统将根据经验和主观的知识来进行模型分析。为了协助有限元分析的发展参考资料[8]里提出了-个知识系统框架。参考资料[9]中被称为SACON的基础规则系统的发展，推荐初学用户使用MARC。
如今很多商业综合系统被用在了网格生成和后期处理上。此外，分析软件发展的趋势是向着能提供-系列设施（例如 实体建模，制图，分析等）的整体计算机辅助工程的方向发展的。这非常有利于从实体建模到有限元建模的过度。

有限元发展的因素

第2节描述了，有限元软件的发展必须能够支持所有的有限元应用。由于现在有限元软件包相当复杂，好多都是在重复没有意义的工作，所以我们宁愿选择使用商业化的软件包如Mesh Generation and Post-Processing。从-方面来说，商业软件却不适合明确领域的模型制作任务，所以有限元发展的动力是为了填补软件能力的不足空缺。因此，以下的讨论主要集中在有限元分析软件的模型制作工作上。
1有限元建模信息交流

有限元软件应该对有限元建模与不同软件之间的交流起到促进作用。-个高水品的软件应该由草图分析、操作环境的文字叙述和分析条件构成。另-种是由临界条件的边界表示和实体边界表示组成。-个实体软件的组成、部件和边界条件等等，必须为数据交换提供正规的语言。软件应该具有生成和读取IGES和STEP文件的能力。它们都具有处理和构建几何实体并且能够表示边界条件的能力。同时STEP还需要有实体交换的能力。

2有限单元的描述
有限单元的描述必须包括以下信息：
1•几何形状；
2•边界条件；
3•材料性能；
4•几何性质；
5•类型分析；
6•精度的期望。
几何形状应该被保存在理想化的有限元中。这就要求非流形几何模型时有限元要由不同维度的基础组成。几何描述总是被保存在网格线组成的边界表示中。
传统上，边界条件被网状化后就可以用于建模，分析师知道有限元分析的原始思想并将这些知识用在为物体生成合适的有限元网格上。The Design Representation System (DRS)允许我们指定边界环境和几何形状并注重有限元模型的边界表示。
实践中，有限元涉及的大都不是单-的机械元件，因此最好是使用装配和连接符号来表示。由于连接部件之间互相作用，连接表示也能用在自动获得边界条件上。
3几何图形编辑
分析师们通常会删除或修改模型的某些已知几何形状来简化分析过程。这被称为整体理想化。因此有限元分析软件应该提供针对实体的专题编辑功能和快速计算边界表示。确定的高级指令可以将-种有限元模型转变为另-种模型（比如二维模型和-维模型）。几何性质中的特征量和质量中心等数据应该自动计算。对有限元实体直接的添加和删除例如梁和板材等，在结构设计上应该旧能快的分析。
4商业有限元软件的界面
建议对Mesh Generation，Analysis and Post-Processing 使用商业指令。这个软件包的界面可能不仅仅局限于IGES或者STEP。有限元软件用到到的软件包里必须包括设计时所需的知识。这种知识必须能被写入程序文件并能够用来描述有限元软件程序的指令。
5基础知识帮助
有限元的建模主要基于两个因素：所分析的组成部件形状和边界条件。如果几何图形被保存在边界表示项里，边界表示信息就能被用于推断元件的形状属性。DRS也允许用户添加几何模型的边界条件（顶点，边，面），此系统能够继承几何条件和边界条件的功能。这个功能至少能帮助用户筛选选择项目。举例来说，如果没有几何轴对称，软件就不会显示2维图形-发利用几何图形和边界条件的具体资料可以进-步发展知识基矗对新用户来说这个功能可以提供专业的意见。
对有限元分析软件结构体系的建议
作者提出的结构示意图如图2。中央拈代表剪编辑命令。
这将保存在4.2节列出的有限元拈中。被称为NOODLES的非流形几何拈可以提供几何图形核心。图形显示程序将被写入TK/TCL界面。I - DEAS软件将用于生成网格，分析和后处理。知识基础拈将被写入CLIPS的规则和标准中。 拈界面可以读写IGES和STEP文件，写I-DEAS程序文件并能够用EIT软件进行软件交流。