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2013年,波音公司推出了第一个787 - 9梦想客机,高效787家族的最新成员。为了权力这个巨大的飞机,劳斯莱斯设计了先进的特伦特1000涡轮发动机和一个令人印象深刻的50000马力-相当于68一级方程式赛车引擎。大约18000个复杂单个组件在每个引擎,也就不足为奇了,人们不知道这些工程带到生活的奇迹。
一个闪亮的光
大量的工具和技术用于努力但其中一个比其他更出色的多功能性和功能优化设计之前第一个原型构造:有限元分析(FEA),或称为有限元方法(FEM)。
这种工程的方法是最重要的一个工具使用的劳斯莱斯为了研究几个关键方面的设计过程:压力、结构、生命、振动、动力学、热方面,thermo-mechanics,空气力学优化和鲁棒性分析。
事实上,这是最重要的一个技术能力受雇于劳斯莱斯,仅次于计算机辅助设计(CAD)。有限元分析是一种非常流行的计算机辅助工程(CAE)技术用于多个行业,如石油、汽车、航空航天、生物医学和建筑行业,甚至利用纺织企业。
有限元分析的方法
这种分析方法已经使用自1960年代。这些年来首次使用,有限元分析不断发展成为一个全球的工程设计标准。它催生了一些商业软件包使用在世界各地,如:有限元分析,ANSYS、NX Nastran和Autodesk的发明家。而应用程序和技术能力可能不同的软件,方法论的基础原理是一个常数。
有限元分析苏打可以粉碎
有限元分析苏打可以粉碎|视频学分:奥吉摩尔/ youtube.com
在有限元分析过程的第一步,用户生成一个计算机模型的实际对象的几何形状分析。接下来,组件划分为大量的单个元素(通常是成千上万的)和一个基本的形状,如立方体或棱镜。材料属性分配给每个元素和这个模型受到各种条件,如外力或负载。
简单的数学方程预测每个元素的行为。使用计算方法,所有这些行为都是组合和整体行为的实际对象预计,从压力作用于组件各部分的振动。
工程设计的重点
目前,有限元方法嵌入工程的世界,甚至本科机械工程学生已经与有限元分析软件包,如ANSYS或有限元分析,在他或她的学术研究。目前正在努力在国际规模的大学与领先企业为了培养下一代的设计工程师。
一个例子是程序速度(合作伙伴协作促进工程),这是一个令人印象深刻的国际努力涉及世界各地来自10个不同国家的大学。这个项目是在协作与汽车巨头通用汽车(GM),以及其他几个大工程公司如西门子、Autodesk, Ansys, Mathworks和DS Simulia。
这个程序允许学生在跨国团队工作以设计下一代汽车。学生通常使用有限元技术,以评估他们的设计,如测量底盘设计的力量在发生崩溃。
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这一努力,由通用汽车公司牵头,训练未来的汽车工程师在有限元方法中不应该感到惊讶,全球汽车公司主要依赖于有限元模型来评估从一个完整的车辆在运动或汽车发动机的耐久性的操作环境,焊接和螺栓,使底盘和汽车座椅在一起。
垃圾在垃圾了
然而,有限元分析方法不是没有错,不好评估由于劣质元素选择或不准确的负荷选择可能导致各种各样的失败。这些不同极端的引擎噪音由于一个组件的过度振动,在底盘的关键故障或碰撞产生影响,可能导致人类生命的损失。
这引导我们最重要和有限元方法的重要原则:“垃圾在垃圾了”。从本质上讲,这一原则规定,有限元方法可以生成任何结果,设计工程师的欲望。
作为一个结果,它是用户的责任完全理解真正的组件的属性分析,在现实生活中他们将如何与环境交互的条件,即力量是否会应用于它或它的运动一旦组装。
进一步,不同品牌的有限元软件呈现出各种各样的元素和计算算法,将产生更精确的结果取决于使用的条件,给用户一种责任,选择正确的工具。
有限元模型只是一个近似的现实,因为模型无法解释某些缺陷或在现实生活中发生的变化,如制造错误。结果,简单的有限元模型的组件与更复杂的模拟实验验证之前进步。
众多的应用程序
尽管有这些限制,方法的多样性使得有限元模型生物医学部分的设计的一个重要工具如假肢的四肢或植入脊柱融合术。目前的功能分析的方法被用于研究人类心脏动脉支架设计的新的心脏起搏器,甚至,这明显的动脉阻塞。这有可能确保更多的人可以避免侵入性心脏手术。
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有限元模拟中也使用了更多意想不到的行业,如在纺织品贸易的方法被用来分析织物用于生产行为的女性的内衣,为了开发更多的支持和舒适的胸罩。
此外,有限元分析方法不仅限于新组件的设计,但也可以帮助工程师们获得一个深入了解某些悲剧的原因。最响亮的例子是使用有限元方法的国家标准与技术研究院(NIST)的研究和研究的崩溃在9/11恐怖袭击世界贸易中心。
设计未来
有限元方法已经证明了他们的多功能性和可靠性在过去50年。目前,随着高处理计算的发展中心(HPC)和计算能力的进步,很有可能这个设计和分析工具将继续进步到未来与新制造技术(如快速原型)。
未来的有限元方法将建立自己作为一个重要的工具在设计和生产创新,高效和更可靠的产品。有限元分析是如此不同,它们的应用范围从心脏支架的下一代飞机,如波音787。
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