有限元分析對物理實驗設計的影響

【摘 要】有限元分析以其直觀性和預判性，過程的變化可視的優點大量運用于當今很多行業當中。物理實驗設計中引入有限元分析，可以更加清楚實驗變化的過程，提高設計者對實驗結果的影響程度，從而驗證和改進設計物理實驗方法。

【關鍵詞】有限元 物理實驗

物理是一門實驗性的科學，所以通常的物理實驗設計大都是依靠已有的公式和經驗來制定的。有限元分析是隨著現代電子計算機的發展而迅速發展起來的一種現代計算方法，廣泛應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學等連續性問題[1]。利用有限元分析方法可以提前模擬實驗的過程并對實驗結果進行預判。現在大量專業的有限元分析軟件應用于各個行業當中，如LS-DYNA，ANSYS，ABAQUS等。將有限元分析方法引入物理實驗的設計過程當中，可增加視覺效果，加深理解并促進方法的完善。本文從三方面分析了在物理實驗設計中引入有限元分析法帶來的影響。

更為直觀地揭示物理實驗的變化過程

以力學實驗為例，在設計拉伸實驗過程時，通常只能通過電腦看到位移與拉力的關系圖，一直到試樣被拉斷，最后將數據導出，得出位移與應力之間的數據圖。但是此類實驗的缺陷是無法看到過程中的變化，但利用有限元分析可以彌補這個不足。以LS-DYNA為例，它的后處理軟件lsprepost，可以通過設定的步數直觀地揭示第一步試樣的應力變化和變形的三維演示圖。

在lsprepost的Fcomp模塊中可以根據需要自由選擇所需要區域的試樣應變和應力的分布，將傳統物理實驗中單純的數字增強為整體三維的理解，并且通過拖動功能選擇任意的角度來觀察試樣在拉伸過程的應力分布和變形過程。還可以對需要更為詳細察看的位置進行切片處理，并提取出來進行360度的觀察，通過云圖的分布了解拉伸過程當中的選取部分的應力和變形情況，使得物理實驗的設計者能夠直觀和整體了解變化的過程，這是傳統的物理實驗所不具備的[2]。使設計者在設計之初，對整個實驗過程有更好地把握，從盲目地選擇轉變為清晰地設定。

加深物理量對結果的影響，促進正確數值的選擇

例如：在進行電磁頻譜實驗設計中，由于對電勢與各個參數之間的變化，以及參數具體數值對電勢的影響程度，一般的設計人員開始很難有清楚地認識[3]。因此，在物理量數值的選擇時只是根據已有的經驗和書本知識進行設定，很容易出現最終數值偏高或者偏低的情況。而在有限元分析軟件ANSYS軟件中，設定有專門的后處理模塊來處理此類問題。當設計者選擇對電勢有影響的某一變量，可以根據需要自主選取所考慮的數值，在得出最終實驗的數據后，就在ANSYS后處理模塊當中制成所需要得到的分布示意圖。由于采用計算機自動處理的方式，使有限元分析法相較于傳統的物理實驗方法具有速度快、成本低、更易實現的優勢，實驗結果的生成更為快速，增強了實驗數據對設計者的影響程度。

如果對某一參數需要比較且加以調整時，只要修改數值并重新進行計算即可，并將結果生成的圖形制成統一的格式進行對比。由于是圖形處理，可對比較區域填充顏色，并通過顏色的深淺，來劃分影響的高低和范圍，這與傳統物理數據只能生成單調的數據圖相比，可以讓設計者更快地理解各個參數對最終電勢的影響程度。減少了傳統數值選擇的盲目性，增強了目的性和指向性。

推動、改進和選用更好的設計方法

在常規的物理設計過程中，只有當實驗結果出現后，才能通過對實驗數據結果的分析，來確定方法的正確與否，并提出改進的措施。這就使得設計的過程較長，需要更多等待的時間。而利用有限元分析的方法，可以完美地實現物理實驗的整個過程，并憑借可以生成直觀的全方位視圖和更迅速地實現結果，提高設計者對實驗的理解程度，大大降低了改進實驗的設計所需要的時間，這在流動力學這種非常耗時且高成本的實驗設計中有著更為明顯的體現。

通過對過程和結果的分析，借助有限元軟件的后處理模塊，可以讓設計者清晰地了解參數的選擇與目的是否一致，與實際實驗結果進行比較。減少設計的時間和使用成本，提高了設計的效率和最終效果。而有限元可以采用不同的數學算法，還可將最新的算法代入其中，從而將物理實驗這門實驗性科學與數學的理論科學更好的結合為一體，增強了設計者的理論水平。

有限元軟件可以協同計算，對于需要大量重復性的實驗可以簡化，得出可以參考的有效值。物理實驗需要借助特定的設備，對于設計組成員，只能單次進行。而借助計算機處理，有限元分析可以同時進行這類重復性實驗，且將設備的限制降為最低。雖然仍需要最終進行實際實驗，但減少實驗次數并在實驗過程前明確設計的方向，讓設計的方向更為明確。綜合以上幾點，有限元分析對設計方法最終實現有著正向推動作用。

結 語

將有限元分析引入物理實驗設計當中，可以更直觀地預判和表現實驗的過程和結果，加深物理量數值對實驗結果的變化，并且還可以在制訂實驗過程前改進方法和流程。因此，在物理實驗過程引進有限元分析，可以起到加快設計過程，增強認識的效果。

參考文獻：

[1]雷前召.利用數值法改進大學物理課中的演示實驗[J].渭南師范學院學報，2013，11（2）：29-32.

[2]朱鶴年.基礎物理實驗教程：物理測量的數據處理與實驗設計[M].北京：高等教育出版社， 2003.

[3]金建銘，王建國.物理電磁場有限元方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

作者單位：安康職業技術學院 陜西安康