通常,制造延遲和生產(chǎn)成本增加將導(dǎo)致公司需要尋找方法來維持新產(chǎn)品的交付,以應(yīng)對緊迫的時(shí)間表。“構(gòu)建并推翻” 的設(shè)計(jì)模型形式推高了成本,因?yàn)闃訖C(jī)需要在多次迭代中構(gòu)建和測試。精確的多物理場仿真可以幫助工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)預(yù)測系統(tǒng)在各種使用情況下的性能,并仿真可能的條件,以在設(shè)計(jì)階段了解對系統(tǒng)性能的影響。
對于手機(jī)或車載攝像頭而言,如果鏡頭在溫度與室溫不同的環(huán)境中可否按照性能規(guī)格運(yùn)行至關(guān)重要。隨著溫度的變化,透鏡材料膨脹或收縮,導(dǎo)致透鏡的表面形狀以及材料折射率發(fā)生變化,這將使光線發(fā)生偏離。此時(shí)的表面形狀不再能夠通過已知的參數(shù)化多項(xiàng)式來描述,也不再能將各向同性折射率賦予整個(gè)透鏡幾何體。這些變化會(huì)影響最終圖像,并可能降低圖像質(zhì)量,MTF 值可能也會(huì)低于設(shè)計(jì)要求,從而導(dǎo)致最終圖像損失對比度而變得模糊。此外,光學(xué)產(chǎn)品不僅包含光學(xué)透鏡,還具有機(jī)械封裝元件,這些元件會(huì)因?yàn)楦淖冪R片的位置和對鏡片施加壓力(這是鏡片表面變形的另一種方式)而顯著影響性能。
綜上的分析與評估,僅僅通過Ansys Zemax OpticStudio 是無法完成的,需要通過有限元分析 (FEA) 獲取形變數(shù)據(jù)用于后續(xù)擬合,本次分享主要作為FEA分析的科普。完整的工作流程可以參考先前關(guān)于手機(jī)鏡頭多物理場分析的分享。
有限元分析(FEA)是基于有限元法(FEM)計(jì)算來預(yù)測對象行為的過程。FEM是一種數(shù)學(xué)方法,而FEA是對FEM結(jié)果的解釋。FEA讓工程師能夠深入了解復(fù)雜系統(tǒng)和結(jié)構(gòu),幫助他們做出更明智的設(shè)計(jì)決策。
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FEM基于數(shù)學(xué)將復(fù)雜系統(tǒng)分解為更小、更簡單的部分(即“單元”)。接下來,它將微分方程單獨(dú)應(yīng)用于每個(gè)單元,利用計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)行劃分,然后解決工程問題。??
FEA是FEM方程的應(yīng)用,并且是許多類型的仿真軟件的基礎(chǔ)所在。通過創(chuàng)建真實(shí)設(shè)備的虛擬模型,F(xiàn)EA可用于安全、快速且低成本地開展設(shè)計(jì)驗(yàn)證和測試。
有限元建模實(shí)現(xiàn)了對物理世界的仿真,而無需花費(fèi)成本、時(shí)間或風(fēng)險(xiǎn)來構(gòu)建物理原型。這些虛擬模型可用于解決各行業(yè)中不同條件和場景的問題,特別是對于具有復(fù)雜或高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境的行業(yè)尤其有價(jià)值,如航空航天和生物力學(xué)。
無論是您的座椅、無線手機(jī)充電器、還是靜脈血液流動(dòng),我們周圍的許多對象和系統(tǒng)都可以使用FEA進(jìn)行建模。憑借其近似處理高度不規(guī)則尺寸問題的能力,F(xiàn)EA幾乎可以應(yīng)用于所有領(lǐng)域。任何使用微分方程描述的物理行為,如大多數(shù)工程問題,甚至某些更加深?yuàn)W的問題(如量子力學(xué)),都可以使用FEA進(jìn)行求解。
FEA通常用于很難或無法進(jìn)行物理測試的行業(yè)。FEA模型的行業(yè)應(yīng)用示例包括:
土木工程:FEA可用于評估橋梁、建筑物和水壩等結(jié)構(gòu)的安全性和完整性。FEA可以幫助工程師優(yōu)化其設(shè)計(jì),以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)并預(yù)測維護(hù)需求。?
航空航天工程:FEA可用于對飛機(jī)組件和系統(tǒng)在多種不同飛行條件下的性能進(jìn)行仿真。起落架完整性、空氣動(dòng)力學(xué)、熱應(yīng)力、疲勞壽命預(yù)測、振動(dòng)、燃料使用情況等,都可以用FEA進(jìn)行建模。
汽車工程:FEA可用于評估整個(gè)車輛的系統(tǒng),包括抬頭顯示器、電池使用壽命、外部照明和結(jié)構(gòu)耐撞性。在安全性測試中,F(xiàn)EA可以幫助工程師評估各安全系統(tǒng)在各種沖擊條件下的性能。
有限元分析的工作原理是將目標(biāo)域離散化,然后構(gòu)建物理方程,以解決工程問題。? 然后,通過將這些單元組合在一起來表示物理系統(tǒng),工程師可以預(yù)測整個(gè)結(jié)構(gòu)的行為。比如,當(dāng)利用FEA解答這樣的問題時(shí):“我的汽車在行駛超過100,000英里后是否安全?”首先要使用網(wǎng)格單元將汽車劃分為系統(tǒng),將系統(tǒng)劃分為組件,然后將組件劃分為單元,這被稱為網(wǎng)格劃分。?
前處理:定義要在模型中使用的物理和實(shí)際條件。
流程:通過網(wǎng)格劃分將對象劃分為有限元,并對每個(gè)單元應(yīng)用相關(guān)的物理表示和/或方程。然后組合這些方程并進(jìn)行求解。
后處理:計(jì)算相關(guān)結(jié)果,以分析和解釋整個(gè)域的含義。
為了設(shè)計(jì)旨在滿足人類和地球不斷變化的需求的解決方案,工程師面臨著巨大的挑戰(zhàn)。他們需要依賴于FEA的靈活性,以便探索無限的場景和條件。借助FEA,工程師可以使用任何類型的物理場(熱傳遞、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等),對任何尺寸(從納米級(jí)到大型客機(jī))、任何形狀的幾何結(jié)構(gòu)(從方形塊到人體心臟)進(jìn)行建模?;旧?,只要有偏微分方程,F(xiàn)EA就有用武之地。?
與許多技術(shù)一樣,輸出的精度取決于輸入。FEA模型精度取決于用于構(gòu)建模型的信息的精度。所有假設(shè),如幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性和分析類型,都可能影響模型結(jié)果的完整性。因此,只有輸入準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),F(xiàn)EA才能輸出準(zhǔn)確的洞察。FEA的另一個(gè)挑戰(zhàn)在于,為了獲得最佳結(jié)果,它應(yīng)在專家的協(xié)作下使用。雖然FEA已變得更易于使用,而且AI有望進(jìn)一步普及仿真,但目前仍需要適當(dāng)?shù)膶I(yè)指導(dǎo)和保護(hù)措施來有效地使用FEA工具。
根據(jù)要解決的特定工程問題,可以使用FEA來管理多種類型的測試。多用途仿真軟件(如Ansys Mechanical)可提供一系列分析工具來執(zhí)行自定義設(shè)計(jì)場景。一些最常見的FEA測試類型包括:靜態(tài)分析:當(dāng)條件不會(huì)隨時(shí)間變化時(shí),在穩(wěn)態(tài)載荷下執(zhí)行。??
動(dòng)態(tài)分析:用于涉及隨時(shí)間或頻率變化的計(jì)算。??
模態(tài)分析:查看固有頻率,以預(yù)測結(jié)構(gòu)振動(dòng)方式以及這些振動(dòng)對性能的影響方式。?
隨著我們面臨越來越復(fù)雜的工程問題,如能源生產(chǎn)、自動(dòng)化和深度太空旅行,F(xiàn)EA將繼續(xù)作為一種理想技術(shù),助力探索最具創(chuàng)新性的解決方案。通過利用高性能計(jì)算(HPC)不斷增強(qiáng)的處理能力,并結(jié)合AI的認(rèn)知感知能力,未來FEA將能夠以之前難以想象的速度為更多人提供更好的洞察。?
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