Sefea

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SEFEA(Strain-Enriched Finite Element Analysis,富應變有限元分析)是由AMPS Technologies Company 開發的富應變有限元分析技術。

Sefea 技術改良CAE模擬中常用的低階元素,保留低階元素的低計算成本、耐用、容易自動生成等優點,克服了其計算精度不高的缺點。由此,用戶可使用Sefea元素快速、高效、準確地求解問題。

基本介紹

  • 中文名:富應變有限元分析
  • 外文名:Strain-Enriched Finite Element Analysis
  • 縮寫:Sefea
  • 開發公司:AMPS Technologies Company
  • 適用領域:CAE、FEA、有限元分析
背景,基本理論,技術特點,套用領域,

背景

CAE技術的主體為FEM(Finite Element Method,有限元素法)。FEM求解問題的簡單過程如下:首先將連續的求解域離散成有限個小塊 (元素) ,元素間通過有限個節點連線。在各元素內使用插值函式,用元素節點的場量來近似表示其內部任一點的場量。之後,各元素根據一定的連續條件進行總裝。再依據求解域的邊界條件,建立含所有節點場量的聯立方程組。最後用計算機求解該聯立方程組,便可解得各節點的場量。由此,可得到求解域內任一位置的場量。
自20世紀六十年代末期起,FEM成為應力和熱傳問題的主要分析方法。1970年後,FEM的套用逐步擴展至流體流動、電磁場及其它領域。隨後,為解決特殊的問題,工程師在有限元法中引入新的算法,如80年代的邊界元法(BEM,Boundary Element Method )和90年代無格線伽遼金法(EFGM,Element-Free Galerkin Method)。雖然這些新方法並不適於一般的套用,但這些寶貴的研究啟發了FEM的進一步發展。後來出現了擴展有限元(Extended FEM)和豐富有限元(Enriched FEM),能夠求解傳統FEM無法解決的問題。現在,FEM軟體已廣泛套用於多個領域的研究,並發揮著巨大作用。
Sefea
TET10, TET4和HEX8元素
CAD軟體中進行CAE分析時,因為四面體元素容易自動生成,最耐用,並且可靠,一般模型會使用四面體元素進行格線化。常用四面體元素一般有兩種:一階四節點四面體(TET4)和二階十節點四面體(TET10)。TET4耐用、求解快,但過於僵硬、精度不足;TET10精度高,但在求解一般非線性動態問題時存在缺陷。TET4的精度較差,主要由於它的常應變不能表示全部種類的形變,也不能表示全部種類的位移梯度。與之相對,TET10因為使用靈活的三線性應變,精度高。

基本理論

Sefea類似無格線法:它未增加元素節點數,同時使用豐富有限元法改良低階元素。由此,Sefea提高了低階元素的準確性,保留了低階元素原有優勢。以下我們將用Sefea TET4的例子來介紹Sefea技術的基本原理。
應變包括容應變和偏應變。其中容應變表示模型體積的變化,而偏應變表示模型剪下變形。AMPS Technologies Company 經過研究發現,TET4元素對偏應變的表示比較準確。但是因為TET4的常容應變行為會鎖住變形,TET4在表示容應變時誤差較大。為了解決這個問題,AMPS受休斯提出的應變投影法以及無格線伽遼金法(EFGM)的等啟發,在原TET4的節點上引入伽遼金法EFGM的新容應變計算方法,由此來豐富TET4的常應變。使用這種方法方法,AMPS保持了TET4原偏應變可靠的計算方法,同時在不添加新節點的情況下改良了原TET4原容應變計算,發明了擁有等效三線性應變的Sefea TET4。
Sefea TRI3等其它低階元素的豐富方法和原理與以上Sefea TET4豐富方法相似。

技術特點

由於Sefea技術改良低階元素而不增加節點數量,所以它沒有增加額外聯立方程數。因此,僅通過豐富低階元素,Sefea公式保留了低階元素耐用性,並使模擬可達到二階元素的精確度,且模擬沒有二階元素在動態分析中的高昂的計算成本、邊中節點噪聲和格線扭曲。
一般在CAE分析中,用戶需根據不同的問題的特性,靈活選用一階元素或二階元素進行求解,這就要求用戶有一定CAE背景。因為Sefea元素在改良低階元素時,保留了原本低階元素的優點,同時在引入了高階元素準確的優點,使Sefea同時具備一二階元素優點。這樣,無足夠CAE背景的用戶也可直接使用Sefea準確求解各種問題,由此降低了用戶門檻。
此外,在CAD軟體中進行CAE分析時,用戶一般多使用低階元素,這是因為低階元素容易自動生成而無需用戶干預,更方便使用。Sefea元素作為改良低階元素的高精度元素,也能夠自動生成,非常適合CAD環境中使用,進行快速、高精度模擬。

套用領域

Sefea技術主要用於CAE、FEA領域中。使用該技術的軟體包括AMPS(Advanced Multi-Physics Simulation)、CAXA實體設計中的CAXA CAE、IronCAD中的 MPIC(Multi-Physics for IronCAD),Kubotek 中的 KeyCreator Analysis 和 Onshape 中的CAE分析模組等。

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