Dynamic Design Solutions FEMtools 结构分析

FEMtools模块
FEMtools是具有前后处理器和独立解算器的有限元软件。包括5个模块：

• FEMtools Framework： 前后处理器是一个多功能的框架环境。它提供高级工程应用开发、分析模块集成化和分析流程自动化；
• FEMtools Dynamics： 高级动力学响应分析和结构动力修正。包括复模态分析、超单元分析、频率响应函数FRF分析、谐响应分析和结构动力学修正，等等；
• FEMtools Correlation：分析—试验相关性分析、模态预试验、模型辨识，等等；
• FEMtools Model Updating：结构动力学仿真、模型辨识和模型修正。包括灵敏度分析、模型修正、谐力辨识、概率分析和试验设计，等等；
• FEMtools Optimization： 涉及模型修正的结构设计优化。包括灵敏度分析、尺寸优化、形状优化、拓扑优化，等等；
• FEMtools与其它有限元软件接口：

FEMtools与流行的有限元软件有直接的接口，包括：

• MSC/NX/Nastran、Ansys、Abaqus、I-DEAS，等等；
• 同时也支持：MSC/Marc、COSMOS、SAP、ETABS、FEMAP、 ALGOR、NISA、LUSAS、SAMCEF、SYSTUS，等等；

FEMtools与测试数据接口：

FEMtools可以输入测试数据。输出的分析数据可以输入测试系统：MTS、I-DEAS、TDAS、STAR Modal、CADA-X、 Smart Office、ME’Scope、ICATS,、Prodera，等等。

FEMtools专注于有限元模型准确性验证、试验方案优化、试验和有限元计算之间相关性分析、基于试验修正有限元模型，等等。从数字样机阶段到试验测试阶段，FEMtools都贯穿于整个过程，保证仿真分析的准确性和试验方案的合理性。

国外的大汽车公司，基本都是FEMtools用户。

FEMtools集成了有限元前后处理、结构动力仿真、预试验、分析—试验相关性、模型修正、不确定性分析、设计改进与优化、CAE过程集成和仿真数据管理等。尤其在有限元分析—试验相关性和模型修正领域，一直是全球技术的领导者。

FEMtools具有独立的有限元求解器，同时也可以直接与外部求解器Nastran、ANSYS、ABAQUS等无缝集成。

FEMtools可以输入测试数据。FEMtools优化后的预试验模型和其它分析数据可以输出到MTS、I-DEAS、TDAS、STAR Modal、CADA-X、Smart Office、ME’Scope、ICATS,、Prodera等测试系统。

FEMtools的功能模块包括框架平台Framework、结构动力学Dynamics、相关性Correlation、模型修正Model Updating、优化Optimization和刚体特性辨识RigidBody Properties Extractor。

FEMtools广泛应用于航空、航天 、交通运输、船舶和海洋设备、国防、工程机械、电子、土木工程、能源、生物力学、运动产品和教育等领域。

FEMtools Framework功能模块

FEMtools Framework是一个多功能的交互式框架平台和脚本环境，用于高级工程分析、应用开发、CAE流程集成和自动化。此框架包括数据接口、数据库管理工具、网格操作工具、参数和响应管理、一流的数据可视化、全功能脚本语言和API函数库。

FEMtools Framework有标准的单元库、用于线性静力分析和模态分析的求解器。可以直接调用外部求解器Nastran、Ansys、Abaqus。用户自己开发的求解器，也可以很容易地集成到分析流程中。

主要特征

l把有限元数据和测试数据，集中到一个统一的、结构化的关联数据库中；

l分析、显示、管理、报告工程仿真数据和试验测试数据；

l使用内部求解器或外部求解器，分析静力和动态响应；

l利用FEMtools脚本语言中数以百计的数学函数和API函数来处理所有的数据，并创建自己的函数和程序。

应用

l数据管理和转换；

l有限元数据和测试数据的前后处理；

lCAE过程的集成和自动化；

l垂直应用开发。

FEMtools Dynamic动力学模块

FEMtools Dynamics用于结构动力学响应和结构动力修改的高级有限元解决方案。

FEMtools Dynamics包括：

l实模态和复模态分析；

l超单元分析；

l频率响应函数FRF；

l谐波响应分析；

l结构动力修改。

模态分析

l用集成的FEMtools稀疏矩阵求解器或外部有限元求解器；

lLanczos复模态求解器和Hessenberg模态求解器；

l支持各种类型的阻尼(模态阻尼、比例粘性阻尼和结构阻尼、粘性阻尼单元、材料阻尼)；

超单元分析

l集成的Craig-Bampton矩阵缩减；

l利用单元集或节点集简便地定义超单元。；

l支持没有剩余结构的模型装配；

l主自由度的自动生成以及自由度关系的处理；

l自由度关系中的从自由度可以作为超单元的主自由度；

频率响应函数

l用于相关性分析、灵敏度分析、模型修正；

l计算的FRFs与试验获得的FRFs相比较；

l使用集成的FEMtools稀疏矩阵求解器或调用外部的有限元求解器；

l模态法或直接法求解；

l残余向量(惯性释放、粘性阻尼和施加的载荷)；

l利用有限元分析的模态或测试的模态进行的频率响应函数的模态综合；

l支持各种类型的阻尼(模态阻尼、比例粘性阻尼和结构阻尼、粘性阻尼单元、材料阻尼)；

l支持局部坐标系；

谐波响应分析

l模态法、直接法进行响应分析；

l在选定自由度上的位移、速度或加速度响应函数；

l强迫运动激励；

结构动力修改(SDM)

结构动力修改是一个设计导向工具，用来快速模拟结构变化对模态参数的影响。利用频率响应函数或运行模态技术获得结果。

结构的变化可以等效成简单的弹簧、质量、阻尼或任何类型的单元(杆、梁、壳、体)。因为只使用模型几何形状和模态参数，因此原始的数据可以是有限元数据、测试数据和混合数据。

主要特征

l修改的单元附加到有限元模型或测试模型中。修改单元的数量和类型不受限制；

l交互定义修改单元；

l利用模态试验或者有限元分析中的模态参数修正模态振型和共振频率；

l滑尺控制修改单元的所有物理特性以实时再分析和显示振型、振型匹配对、频率响应函数和试验模态振型；

l在修改模型和没有修改模型之间进行相关性分析；

l使用快速模态求解器分析修改单元的所有物理特性；

应用

l模拟结构的修改；

l模态灵敏度分析和变量分析；

l设计调谐吸振器；

l利用目标响应进行逆分析；

l子结构；

l研究不同的模型假设对模型与测试数据之间相关性的影响；

l用于模型修正的快速模态求解器；

l设计空间的随机采样；

l为模型修正和设计优化估算******的初始值。

FEMtools Correlation相关性模块

FEMtools Correlation基于试验—分析相关性，为模态预试验和模型的验证确认提供了一个完整解决方案。包含两个模块：

l预试验分析：规划、模拟和优化模态试验方案；

l相关性分析：在两类数据之间（FEA—Test、FEA—FEA、Test–Test)的可视化对比和数值对比。

预试验分析

如果有一个基准的有限元模型，就可以用其模拟试验。可以帮助试验工程师优化激励位置、激励方向、传感器位置、悬挂位置。这个模型可以缩减成试验模型，输入测试系统。在FEMtools Correlation中使用预试验分析，可以在方案的早期阶段就优化模态试验策略，提高模态测试数据的质量，有助于有限元模型的验证和修正。

预试验分析可以解决的问题包括：

l在给定的频率范围内有多少阶模态？

l在众多的可选位置中，哪一些是传感器、激振器和悬挂的******位置和方向？

l通过缩减有限元模型创建试验测试模型，并输出到模态测试系统中；

l利用有限元模型确定曲面的法线方向，并使用此信息在全局坐标系下分解模态试验位移；

l评估加速度计质量对模态参数的影响。

主要特征

l基准有限元分析：在感兴趣的频率范围内分析模态振型。输入分析结果数据或者使用FEMtools的内部求解器或外部求解器，分析有限元数据（模型、模态、频响函数）；

l目标模态选择：基于能量准则，在感兴趣的频率范围内，根据模态有效质量和动能比，选择模态；

l传感器位置的选择：根据方便性、成本、试件几何形状(表面、边或角节点)等准则或其它用户定义的标准来选择传感器的位置；

l传感器布置：根据正则化模态位移和节点的动能，可以自动地寻找******的激励、悬挂和测量的位置；

l传感器消减方法：可以从已经确定的一些传感器候选位置中，交互地去掉一些位置，以便于使得模态振型相互独立或者正交。这些方法包括有效独立法、MAC法和迭代Guyan缩减法；

l试验测试模型建立和输出：截断有限元模型，转换成试验模型并输出到模态测试软件。自动创建测点之间的轨迹连线。从有限元模型中得到曲面的法向方向。

相关性分析

定量和定性地进行相关性分析的工具包括：

l空间相关性：比较响应点之间的空间位置，生成相互匹配的自由度标表格。可以手动或者自动地改变模型的方向和缩放比例；

l可视化形状相关性：可视化比较形状(静态位移形状、模态振型和试验测试模态)；

l整体形状相关性：使用不同的准则比较整体形状，结果用于形状匹配；

l局部形状相关性：分析形状之间的局部空间相关性，结果可以用来解释局部模型缺陷问题和指导模型修正参数的选择；

l形状匹配：创建一个形状匹配表；

l频响函数匹配：创建一个频响函数FRF匹配表；

l频响函数相关性：分析频响函数之间的相关性；

l相关系数：计算选择的参考响应引发的错误函数值，在模型修正中使用这些函数值监控修正的模型和参考模型间的偏差；

应用

l试验得到的模态阻尼与相应的分析模态振型之间相链接；

l缩放试验模态振型；

l评估不同的建模策略；

l辨识建模缺陷或结构损伤；

l验证有限元模型；

l定义有限元模型修正的目标和参数；

FEMtools Model Updating模型修正模块

FEMtools Model Updating是结构动态仿真、模型验证和模型修正的整体解决方案。包括以下功能模块：

l灵敏度分析：分析参数改变如何影响结构响应。灵敏度信息可以有很多不同的用途，例如模型修正；

l模型修正：反复修正参数，使得结构更好地和目标响应相匹配；

l谐波力辨识：从运行模态中辨识谐波力；

l概率分析：考虑参数的误差和分布概率，得到响应的概率分布；

l试验设计：有效界定设计空间；

应用

lWhat-If分析；

l灵敏度分析；

l有限元模型的验证和单元网格细化；

l不确定模型的修正；

l设计改进和鲁棒设计；

l有限元模型缩减；

l结构损伤探测；

l材料参数辨识；

l结构参数辨识(例如：铰接刚度、阻尼)。

支持工具

l外部求解器的直接数据接口；

l数据库管理；

l完整的单元库和求解器；

l预试验分析；

l试验—分析相关性；

数据库及其应用

灵敏度分析

灵敏度分析提供了设计参数和响应之间相互关系的梯度信息。

l选择所有单元的材料特性、几何特性、边界条件、集中质量和阻尼系数等作为参数；

l选择质量、静态位移、应变、共振频率、模态振型、MAC、FRF以及FRF的相关函数作为响应；

l局部参数和全局参数的灵敏度；

l内部的灵敏度分析，计算******灵敏度或者正则灵敏度、有限差分灵敏度和微分灵敏度；

l外部灵敏度分析(例如：Nastran SOL 200)的前后处理；

l灵敏度和增益矩阵分析。

模型修正

模型修正用来缩短有限元分析结果和参考测试数据之间的“距离”。

l自动迭代修正；

l单次运行中可以组合不同参数和残余响应；

l加权修正参数和目标；

l约束修正参数；

l修正参数之间关联

l同时修正多个模型；

l修正基于超单元的模型；

l概率相关性和模型修正；

l使用内部求解器或者外部求解器计算灵敏度；

l自动缩放灵敏度矩阵；

l自动支持内部求解器或外部求解器的静态和动态重新分析；

l跟踪修正过程中修正的参数和响应；

l撤销功能和数据库恢复功能；

l输出修正后的有限元模型。

FEMtools Rigid Body Properties Extractor刚形体特性抽取模块

通过测得的频率响应函数FRF获得刚性体的特性

FEMtoolsRigid Body Properties Extractor是一个可选的附加模块，可以通过测得的一系列频率响应函数FRF来辨识刚性体的特性，例如质量、质心位置和质量惯性矩等等。这些特性可以用于模型修正中的子结构或者运动分析Motion。