产品研发中用于风险管理的FEA

本文来自 Hugo

January 12 2024

尽管FEA有很多优点,但其在设计界的部分领域鲜为人知,更不用说没有接触此领域的朋友了。其实任何对产品设计感兴趣的人,快速了解一下这个工具都是非常值得的。

FEA 是什么?

FEA 是有限元分析的英文缩写,是工程师常用的一种工具,用于模拟和评估他们开发的产品的关键性能和功能。

比如我们现在需要进行静力学有限元分析,先将复杂的零件分割成许多简单的六面体或四面体,称为元素,可以使用计算机化的数值方法对其进行分析。然后施加一些条件比如材料、支撑、载荷、位移或运动等。软件通过分析每个元素及其相邻元素的点,计算出产品在这些条件下的相应内容,专业术语称为‘刚度矩阵收敛’。软件完成计算后,返回诸如应力、位移和变形等结果。工程师可以使用动画和彩色等高线来说明这些结果,如下图所示。

物理测试 vs 虚拟测试

复杂产品的物理测试是一项昂贵且耗时的工作,尽管广泛可用的 3D 打印大大缩短了样机制作的时间,但它在结构方面的用途仍然有限,比如:3D 打印材料并不完全代表最终生产用料的表现性能,测试设备和夹具可能也很昂贵,测试仍然需要相当长的时间周期。而且,物理测试的结果也很难进行回顾。哪个部分先失效?它在哪里以及如何失效,内部发生了什么?

这就是 FEA 可以作为一个虚拟测试平台来加速设计过程的厉害之处。在进行任何样机制作之前,它可以仿真复杂系统和几何形状的结构,降低产品特性和功能的开发风险。它可以降低对冒险想法的探索风险,并能够在过程的早期发现潜在的故障,以便在设计早期花费少量的代价进行设计变更。在后期阶段,它将成为一个强大的优化工具,并且通常与样机的设计和测试齐头并进。它还可以用于测试您可能没有实际可用的最坏情况。

FEA 是对现实的简化,模型的保真度和结果的准确性会受到许多因素的影响。这些因素包括:

  • 材料数据的完整性
  • 施加载荷和安全系数的假设条件
  • 材料摩擦系数测试的不确定性
  • 网格密度和单元类型的选择
  • 3D CAD 模型与最终产品的差异或简化
  • 支撑和约束的正确性

这些因素都是潜在的误差来源,需要避免或管控,结果的质量取决于您使用的数据、假设和模型的质量。

解决这些误差的最佳方法是经验、工程专业能力和对结果的鉴析。对 FEA 结果进行验证测试非常重要,可以采用手动计算或现有零件测试的形式。它也可以是另一个 FEA,在项目早期执行和验证或使用不同的设置创建。即使完成了这一点,分析师也必须结合设置仔细检查结果,用来理解和记录与现实相比产生的任何偏差。

在 PDD,我们了解 FEA 的强大功能及其局限性。最重要的是,我们知道如何通过结构设计的经验以及对预期结果和基本数字含义的直觉来避免其局限性的地方。如果正确使用,FEA 是一个非常有效的工具。它可以促进新方案的快速开发,充分发挥材料和几何形状的潜力,从而带来更好的用户体验、保证患者安全和降低开发成本。

PDD 的有限元分析

多个平台上使用 FEA 已超过 20 年。多年来,随着分析的应用不断扩展和完善,如今已成为我们产品开发过程中不可或缺的一部分,无论是从早期概念阶段,还是到转移至生产制造之前的工程和设计验证。

PDD工程师和设计师使用 ANSYS Enterprise,这是一个行业领先的结构分析应用程序。我们还利用 Solidworks Flow Simulation 对流体和热效应进行额外分析。我们的技术团队善于应对新的挑战,最近,他们在坚固耐用设备和医疗设备项目上,进行了自由落体冲击模拟。这个工具非常有价值,让我们能够在冲击期间和之后,评估设备的内部状态。在一个无菌设备项目中,我们通过这个工具,发现了潜在的故障模式,并在设计中完善解决。我们还在有限元分析和物理测试中,重新对设备进行了确认,结果令人满意。

PDD使用FEA的一些经典案例:

  • 在开发用于移动挡风玻璃维修的快速展开顶篷装备时,优化其抗风载能力。
  • 使聚合物阀门能够用于创新的新一代数字淋浴。
  • 在药物输送系统在弹簧加载、患者使用的状态,确保其经历自由落体冲击后的工作性能。

   

     

 

无论你是想通过更高效或更省成本的方式去实现创新产品的性能优化,欢迎联络PDD解决您的问题。