3 tips för att förbättra dina FEA-modeller

Inom FEA är det vanligt att modeller antingen blir för enkla, vilket leder till avvikelser från verkliga förhållanden, alternativt att modellerna blir för komplexa, vilket i sin tur resulterar i lång beräkningstid och svårigheter att analysera samt reproducera.

Varför är modellförenkling avgörande i FEA?

Modellförenkling är en central del i FEA eftersom det påverkar både beräkningsprocessen och de slutliga resultaten. En CAD-geometri kan innehålla många detaljer som kan vara viktiga för tillverkningsprocessen, men som ofta är onödiga för simulering. Att inkludera alla detaljer resulterar ofta i dålig mesh, vilket sannolikt ökar beräkningstiden och dessutom orsakar konvergensproblem. Radier och rundade kanter är vanliga detaljer som tas bort i FEA-modeller eftersom skarpa kanter är betydligt enklare att modellera i FEA och sällan påverkar den globala deformationen.

Deformerad modell med fillets i den övre modellen och utan fillets i den undre modellen. 

Komponenter i en sammanställning kan behöva förenklas, ersättas med representationer eller exkluderas helt, beroende på lastfall och randvillkor. Solider som inte bidrar till den strukturella responsen kan ofta ersättas med virtuella element, exempelvis fjäder- och RBE-element, för att reducera komplexitet och beräkningstid. Komponenter som påverkar lastöverföringen genom geometri, styvhet eller kontakt måste däremot modelleras med högre noggrannhet. Det är därför viktigt att i tidigt skede avgöra vilka delar som kräver full representation och vilka som kan idealiseras.

Jämförelse mellan meshat bultförband (vänster) och en förenklad modell där
förbandet ersätts av två RBE2-noder kopplade med en stel länk (höger). 

Rätt meshning i FEA 

För att skapa en korrekt mesh i en FEA-analys finns flera viktiga val att ta hänsyn till.

• Val av elementtyp: Ska elementen vara solida eller skalformade?
• Topologi: Ska man använda hexaedriska eller tetraedriska element?
• Meshupplösning och ordning: Hur stora element ska man ha och ska man ha första eller andra ordningens element?

Skalelement vs. solidelement

CAD-geometri består oftast som solidkroppar och ett vanligt missförstånd är att man alltid måste representera dessa med solidelement i FEA. I vissa fall kan skalelement med tjocklek som elementegenskap vara ett mer lämpligt val, särskilt för tunnväggiga strukturer där längden är mycket större än tjockleken och där skjuvdeformationer kan försummas. Dessutom finns det ofta numeriska fördelar med att använda skalelement, eftersom färre element kan ge högre noggrannhet och kortare beräkningstid. 

Ett tydligt exempel där solidelement kan ge felaktiga resultat är vid stora böjningar. Under sådana lastfall kan elementen bidra till orealistisk förstyvning. Dessutom krävs ett visst antal element med tillräcklig förfining genom tjockleken för att uppnå tillräcklig noggrannhet vilket gör beräkningen mer resurskrävande.

Många FEM-programvaror kan automatiskt generera mittytor. 
Modellen visar strukturbalkar som har förenklats till mittytor för analys med skalelement.

Hexaelement vs. tetraelement

Hexaedriska (hex) och tetraedriska (tet) element är de vanligaste elementformer som används vid meshframställning av solider i FEA. Eftersom hexelement oftast ger mer noggranna resultat med färre element än tetelement, är det praxis att använda hexelement när geometrin tillåter. För geometrier med komplexa former såsom krökta kanter och skarpa vinklar är tetelement ofta att föredra. Det är dock inte ovanligt att kombinera tet- och hexelement i samma modell för att uppnå en bättre balans mellan noggrannhet och beräkningstid.

Vevaxeln är meshad med tetelement som bättre följer komplex geometri.

PCB-kortet är särskilt lämpad för hexelement på grund av dess plana och rektangulära geometri.

Elementstorlek och ordning – hur påverkar det noggrannheten?

När man talar om mesh- eller elementstorlek syftar man oftast på den karakteristiska kantlängden hos ett element. Mindre elementstorlek leder till fler element i modellen, vilket ökar beräkningstiden men också förbättrar noggrannheten i resultatet.

Elementens ordning i en FEA-modell beskriver vilken typ av formfunktion som används för att beräkna förskjutningar inom elementen. Första ordningens element har endast noder placerade vid hörnen och beräknar förskjutningar linjärt mellan dem. Andra ordningens element har dessutöver mittnoder mellan hörnen och beräknar förskjutningar kvadratiskt. Andra ordningens element ger högre noggrannheten med ökad beräkningskostnad.

Det finns vissa tumregler för val av meshstorlek som används ute i industrin, till exempel att elementstorleken bör vara en tiondel av detaljens minsta dimension, i områden med höga spänningar. Dessa riktlinjer kan dock vara missvisande och stämmer inte alltid, eftersom den optimala meshstorleken styrs av analysens typ, geometri och randvillkor. Det finns därför ingen enkel formel för att bestämma den optimala elementstorleken. Andra ordningens element bör användas när det är möjligt, och meshen bör gradvid förfinas tllls resultaten uppnåt konvergens. Vid komplexa problem som kan ta flera dagar att räkna ut krävs en avvägning mellan noggranhet och effektivitet för att få fram resulat inom rimliga tidsramar. I områden där man inte förväntar sig höga spänningskoncentrationer kan meshen göras grövre för att minska totala antalet element och därmed korta ned beräkningstiden.

3 tips för att förbättra dina FEA-modeller

1. Modellförenkling är avgörande

   Syftet är att balansera noggrannhet och effektivitet – modellen ska vara tillräckligt enkel för att kunna beräknas men ändå tillräcklig realistisk. Ta bort onödiga CAD-detaljer som fillets, hål ochrundningar. Avgör i ett tidigt skede vilka delar som behöver hög detaljnivå och vilka som kan idealiseras.
   
   

2. Välj rätt element i din FEA

   Valet av element (solid eller skal) påverkar både noggrannhet och beräkningstid. Skalelement är effektiva för tunna strukturer, medan solidelement behövs för massiva komponenter. 
   
   För enklare geometrier ger hex-element hög noggrannhet och effektiv beräkning, men kräver välordnade meshstrukturer. Tet-element fungerar bättre för komplexa former men kräver fler element för att uppnå samma precision.  
   
   Första ordningens element ger kortare beräkningstid men lägre noggrannhet, medan andra ordningens element ger mer realistiska deformationer till priset av längre beräkningstid.
   
   

3. Slipp traditionell meshning med Altair SimSolid

   Traditionell meshing är ofta en flaskhals i FEA-processen – den kräver tid, erfarenhet och kan orsaka konvergensproblem om den inte görs rätt. Med Altair SimSolid kan du helt slippa traditionell meshning.
   
   SimSolid analyserar direkt på CAD-geometrin utan att skapa en klassisk mesh, vilket sparar tid och eliminerar problem med små element eller dålig meshkvalitet.
   
   Resultatet? Snabbare simuleringar med bibehållen noggrannhet, även för komplexa sammanställningar.

Sammanfattningsvis

Att skapa en effektiv FEA-modell handlar om att hitta en balans mellan komplexitet och effektivitet. Genom att förenkla där det är möjligt, välja rätt elementtyp och form, samt optimera meshupplösningen kan man uppnå tillförlitliga resultat utan att förlora onödig tid eller resurser. 

Genom att följa dessa tips kan du förbättra både kvaliteten och effektiviteten i dina simuleringar.

Vill du veta mer om hur du kan optimera dina FEA-modeller med Altair SimSolid eller diskutera en specifik utmaning?

👉 Kontakta oss för en demo eller följ oss för fler tips om simulering och produktutveckling!