任何专业的机械工程师都知道，有限元分析(FEA)是基于不同加载条件分析设计中的应力(挠度、FOS等)的重要工具。进行有限元分析的很大一部分是围绕研究展开的。当你开始这个过程时，你还不知道你不知道什么．您需要开始这个过程，以验证或重新规划您的假设，并最终证明您的决策是正确的，所有训练有素的工程师都应该这样做。
在这篇文章中，我将一步步地向你介绍我用来验证Fictiv面罩项目设计的过程，使用Solidworks中的一个简单的FEA。
这包括使用胡克定律，胡克定律适用于材料应力应变曲线的线性部分。材料有一个弹性区域，这些区域的斜率就是弹性模量，或者说杨氏模量。利用这种线性关系可以将胡克定律应用于有限元分析。在(似乎)不了解足够信息的情况下，利用这种方法可以节省您的时间，并帮助您快速缩小分析范围。
如何进行有限元分析(FEA):从哪里开始
我已经在Solidworks中完成了我的设计，所以我可以直接进入模拟阶段。应用材料;应用一些边界条件;和解决。你可能马上就会想"哇，哇，哇，说到FEA，垃圾输入等于垃圾输出是的，但做一点功课，设计一些事情，然后自己弄清楚，这真的很重要。
对于有限元分析，您需要:
- 一个模型
- 一种材料
- 边界条件
- 一个不会失败的网格
对于简单的单个部分，从一个表开始，如下面的表1，以捕获您正在做的事情。
表1:FEA分析所需的部件
包括零件号和版本号，如果有的话。
同时，写下为什么:你做这件事的目的是什么?当你开始时，保持简单。你正在学习。在这个过程中，你很可能会学到更多东西，并在特定问题上成为一个超级书呆子。
粗体文本是我开始使用的内容(我的目的)，然后我添加了其他内容(我了解到):
本研究的目的是分析面罩头带的强度。该分析将确定由第5百分位女性(最小尺寸)或第95百分位男性(最大尺寸)的头部尺寸造成的最大压力，并将确定安全输出系数和根据他们的状况预测的最大压力。此外，我们将确定头部带带所需的总力，以保持口罩贴在用户的脸上。
做笔记，写报告，记录你的工作——这并不需要太长时间，而且在你需要回头看看自己当时在想什么时(或者你的老板问:“你都做了些什么?”)，你就可以用它来记录你的工作了。
接下来，我添加我的材料，这可以在Solidworks中做，通过更改Solidworks中的参数相当容易。如果你不知道怎么做，有很多有抱负的youtuber会帮助你。我有我的CAD模型吗?检查。我申请材料了吗?检查。
边界条件决定你的FEA的成败(双关语)
接下来，我建立了边界条件。我去谷歌搜索了95%男性头部的人体测量数据。我开始搜索的时候知道是95%吗?不，我没有。但当你的第一个搜索结果来自NASA，他们只搜索了95%的男性头部尺寸，你知道你不需要继续搜索。(随机规则第28条(婚礼崩溃)工程趣闻:NASA是一个很好的标杆。)一般来说，如果你能找到可靠的信息来源，如学术文章或军事规格，你就可以假设信息是正确的，并暂停进一步澄清的请求。
现在我要解决的第一个方程/问题是:这个95%的男性头部会对提议的设计产生多大影响?
思维过程:
我的头带宽度-头的宽度=多少说带需要拉伸的一个负数!
巴兹:我错了。我做了计算，得到了许可(见下文):
这意味着，对于第95百分位的男性头部，总扩张/收缩需要:
场景1:总间隙=168.6-165=3.3 mm
我立刻想到，好吧，开枪，如果它足够宽，它需要收缩，那么对于一个小的女性头部，它需要收缩得更多!回到微积分，回到NASA的表格。同时，回到了我的学习之巅，扩大了学习范围。
按照同样的指导方针，我添加了第二个场景:
对于第5百分位女性头部，头部总宽度为144毫米。
场景2:总间隙=168.6-144=12.3 mm
这部分是对的。这个设计将不得不缩小更多。现在我有了一个完全的间隙，我决定假设每一边都是平等的弯曲，人们的头部主要是对称的。我把我的总间隙除以2，以知道头带的每一边需要弯曲多远。
(如果你已经做到了这一点，我将向你展示一些技巧，让你更快地到达你需要的地方。)
为了完全建立我的边界条件，我将我的模型分成两半，并假设它是对称的(这就是为什么我在上面除以2)。然后我在FEA分析中固定了切割的部分(见绿色箭头)。然后我添加了一个1 N的负荷到头带固定区域(见下图)。
粗略地说，我有一个看起来更奇特的悬臂梁场景的简单边界条件。因为我不知道负载力，所以我知道目标偏转。由于我在Solidworks上有简单、廉价的FEA，我在简单的1N负载下运行我的分析。我得到了我的结果:
对于Taipro PP K1011，在1 N的单位载荷下，B面报告的最大应力为5.633*10^5 Pa。
相同1n单位荷载下的挠度为0.1695 mm。
为什么我要花时间去弄挠度和压力呢?当你将这两个结果与单位荷载一起使用时，你可以得到应力与位移的比率。
利用胡克定律进行有限元分析
利用胡克定律，我们知道应力是线性的，只要物质财产没有屈服(意味着你必须检查这个假设)．所以现在，我可以使用我在Solidworks FEA中快速得到的两个值，并计算我的方法与基本数学的结果，以充分挤压我的头带所需的力/应力!(附注:你现在正在设计自己的成功之路——为自己感到骄傲吧!)
利用1 N的单位荷载产生的位移，求解6.15 mm位移引起的应力。求解等效应力:
根据我所选材料的屈服率来评估，这低于材料的屈服强度34 mPa。这种条件不可能产生产品。
获得这种挠度所需的力估计为:
使用这些值，我们重新进行模拟，最大应力为25.2 mPa，对第5百分位女性的安全系数为1.37。(注:这些压力可能与你的计算不同，可能是由建模项目引起的。这是为了帮助你更快地结束条件，就像以前一样，你会猜测什么负荷会导致挠度)。
按照同样的方法，我能够确定的最大负荷需要的带子，在大的头和小的头极端的压力不会打破头带。我没有让自己陷入在FEA分析中运行无数次迭代的困境。
表2:结果总结
(这个问题就到此为止)。我做的最后一件事是检查应变能，把它写得很整齐。然后我睡了个好觉，知道我的设计会做它需要做的事，因为我设计了我的方式。
