有限元分析對(duì)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響

1、有限元分析對(duì)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性的科學(xué),所以通常的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大都是依靠已有的公式和經(jīng)歷來(lái)制定的。有限元分析是隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的開(kāi)展而迅速開(kāi)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法,廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁？17.就三py攘？?暈侍鉉1利用有限元分析方法可以提早模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)展預(yù)判。如今大量專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，如ls-dyna,ansys,abaqUS。將有限元分析方法引入物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中,可增加視覺(jué)效果,加深理解并促進(jìn)方法的完善。本文從三方面分析了在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中引入有限元分析法帶來(lái)的影響。更為直觀地提醒物理實(shí)驗(yàn)的變化過(guò)程以力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例,在設(shè)計(jì)拉伸實(shí)

2、驗(yàn)過(guò)程時(shí),通常只能通過(guò)電腦看到位移與拉力的關(guān)系圖,一直到試樣被拉斷,最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出,得出位移與應(yīng)力之間的數(shù)據(jù)圖。但是此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的缺陷是無(wú)法看到過(guò)程中的變化,但利用有限元分析可以彌補(bǔ)這個(gè)缺乏。以LS-DYNAJ例，它的后處理軟件Isprepost,可以通過(guò)設(shè)定的步數(shù)直觀地提醒第一步試樣的應(yīng)力變化和變形的三維演示圖。在Isprepost的Fcomp模塊中可以根據(jù)需要自由選擇所需要區(qū)域的試樣應(yīng)變和應(yīng)力的分布,將傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)中單純的數(shù)字增強(qiáng)為整體三維的理解,并且通過(guò)拖動(dòng)功能選擇任意的角度來(lái)觀察試樣在拉伸過(guò)程的應(yīng)力分布和變形過(guò)程。還可以對(duì)需要更為詳細(xì)觀察的位置進(jìn)展切片處理,并提取出來(lái)進(jìn)展360度的觀察,通

3、過(guò)云圖的分布理解拉伸過(guò)程當(dāng)中的選取局部的應(yīng)力和變形情況,使得物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以直觀和整體理解變化的過(guò)程,這是傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)所不具備的2。使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初,對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有更好地把握,從盲目地選擇轉(zhuǎn)變?yōu)槊魑卦O(shè)定。加深物理量對(duì)結(jié)果的影響,促進(jìn)正確數(shù)值的選擇例如:在進(jìn)展電磁頻譜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,由于對(duì)電勢(shì)與各個(gè)參數(shù)之間的變化,以及參數(shù)詳細(xì)數(shù)值對(duì)電勢(shì)的影響程度,一般的設(shè)計(jì)人員開(kāi)場(chǎng)很難有清楚地認(rèn)識(shí)3。因此,在物理量數(shù)值的選擇時(shí)只是根據(jù)已有的經(jīng)歷和書(shū)本知識(shí)進(jìn)展設(shè)定,很容易出現(xiàn)最終數(shù)值偏高或者偏低的情況。而在有限元分析軟件ANSYSM牛中,設(shè)定有專(zhuān)門(mén)的后處理模塊來(lái)處理此類(lèi)問(wèn)題。當(dāng)設(shè)計(jì)者選擇對(duì)電勢(shì)有影響的某一

4、變量,可以根據(jù)需要自主選取所考慮的數(shù)值，在得由最終實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)后，就在ANSYSW處理模塊當(dāng)中制成所需要得到的分布示意圖。由于采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理的方式,使有限元分析法相較于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)方法具有速度快、本錢(qián)低、更易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果的生成更為快速,增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)者的影響程度。假如對(duì)某一參數(shù)需要比擬且加以調(diào)整時(shí),只要修改數(shù)值并重新進(jìn)展計(jì)算即可,并將結(jié)果生成的圖形制成統(tǒng)一的格式進(jìn)展比照。由于是圖形處理,可比照擬區(qū)域填充顏色,并通過(guò)顏色的深淺,來(lái)劃分影響的上下和范圍,這與傳統(tǒng)物理數(shù)據(jù)只能生成單調(diào)的數(shù)據(jù)圖相比,可以讓設(shè)計(jì)者更快地理解各個(gè)參數(shù)對(duì)最終電勢(shì)的影響程度。減少了傳統(tǒng)數(shù)值選擇的盲目性,增強(qiáng)了

5、目的性和指向性。推動(dòng)、改良和選用更好的設(shè)計(jì)方法在常規(guī)的物理設(shè)計(jì)過(guò)程中,只有當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)后,才能通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析,來(lái)確定方法的正確與否,并提出改良的措施。這就使得設(shè)計(jì)的過(guò)程較長(zhǎng),需要更多等待的時(shí)間。而利用有限元分析的方法,可以完美地實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程,并憑借可以生成直觀的全方位視圖和更迅速地實(shí)現(xiàn)結(jié)果,進(jìn)步設(shè)計(jì)者對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解程度,大大降低了改良實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間,這在流動(dòng)力學(xué)這種非常耗時(shí)且高本錢(qián)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中有著更為明顯的表達(dá)。通過(guò)對(duì)過(guò)程和結(jié)果的分析,借助有限元軟件的后處理模塊,可以讓設(shè)計(jì)者明晰地理解參數(shù)的選擇與目的是否一致,與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)展比擬。減少設(shè)計(jì)的時(shí)間和使用本錢(qián),進(jìn)步了

6、設(shè)計(jì)的效率和最終效果。而有限元可以采用不同的數(shù)學(xué)算法還可將最新的算法代入其中,從而將物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)實(shí)驗(yàn)性科學(xué)與數(shù)學(xué)的理論科學(xué)更好的結(jié)合為一體,增強(qiáng)了設(shè)計(jì)者的理論程度。有限元軟件可以協(xié)同計(jì)算,對(duì)于需要大量重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)可以簡(jiǎn)化,得出可以參考的有效值。物理實(shí)驗(yàn)需要借助特定的設(shè)備,對(duì)于設(shè)計(jì)組成員,只能單次進(jìn)展。而借助計(jì)算機(jī)處理,有限元分析可以同時(shí)進(jìn)展這類(lèi)重復(fù)性實(shí)驗(yàn),且將設(shè)備的限制降為最低。雖然仍需要最終進(jìn)展實(shí)際實(shí)驗(yàn),但減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程前明確設(shè)計(jì)的方向,讓設(shè)計(jì)的方向更為明確。綜合以上幾點(diǎn),有限元分析對(duì)設(shè)計(jì)方法最終實(shí)現(xiàn)有著正向推動(dòng)作用。結(jié)語(yǔ)將有限元分析引入物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)當(dāng)中,可以更直觀地預(yù)判和表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果,加深物理量數(shù)值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化并且還可以在制訂實(shí)驗(yàn)過(guò)程前改良方法和流程。因此,在物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程引進(jìn)有限元分析,可以起到加快設(shè)計(jì)過(guò)程,增強(qiáng)認(rèn)識(shí)的效果。1 雷前召.利用數(shù)值法改良大學(xué)物理課中的演示實(shí)驗(yàn)J.渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2022,11(2):29-32.2 朱鶴年.