物理是一门实验性的科学,所以通常的物理实验设计大都是依靠已有的公式和经验来制定的。有限元分析是随着现代电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法,广泛应用于求解热传导、电磁? ⒘魈辶ρУ攘??晕侍钫1]。利用有限元分析方法可以提前模拟实验的过程并对实验结果进行预判。现在大量专业的有限元分析软件应用于各

个行业当中,如LS-DYNA,ANSYS,ABAQUS等。将有限元分析方法引入物理实验的设计过程当中,可增加视觉效果,加深理解并促进方法的完善。本文从三方面分析了在物理实验设计中引入有限元分析法带来的影响。

更为直观地揭示物理实验的变化过程

以力学实验为例,在设计拉伸实验过程时,通常只能通过电脑看到位移与拉力的关系图,一直到试样被拉断,最后将数据导出,得出位移与应力之间的数据图。但是此类实验的缺陷是无法看到过程中的变化,但利用有限元分析可以弥补这个不足。以LS-DYNA为例,它的后处理软件lsprepost,可以通过设定的步数直观地揭示第一步试样的应力变化和变形的三维演示图。

在lsprepost的Fcomp模块中可以根据需要自由选择所需要区域的试样应变和应力的分布,将传统物理实验中单纯的数字增强为整体三维的理解,并且通过拖动功能选择任意的角度来观察试样在拉伸过程的应力分布和变形过程。还可以对需要更为详细察看的位置进行切片处理,并提取出来进行360度的观察,通过云图的分布了解拉伸过程当中的选取部分的应力和变形情况,使得物理实验的设计者能够直观和整体了解变化的过程,这是传统的物理实验所不具备的[2]。使设计者在设计之初,对整个实验过程有更好地把握,从盲目地选择转变为清晰地设定。

加深物理量对结果的影响,促进正确数值的选择

例如:在进行电磁频谱实验设计中,由于对电势与各个参数之间的变化,以及参数具体数值对电势的影响程度,一般的设计人员开始很难有清楚地认识[3]。因此,在物理量数值的选择时只是根据已有的经验和书本知识进行设定,很容易出现最终数值偏高或者偏低的情况。而在有限元分析软件ANSYS软件中,设定有专门的后处理模块来处理此类问题。当设计者选择对电势有影响的某一变量,可以根据需要自主选取所考虑的数值,在得出最终实验的数据后,就在ANSYS后处理模块当中制成所需要得到的分布示意图。由于采用计算机自动处理的方式,使有限元分析法相较于传统的物理实验方法具有速度快、成本低、更易实现的优势,实验结果的生成更为快速,增强了实验数据对设计者的影响程度。

如果对某一参数需要比较且加以调整时,只要修改数值并重新进行计算即可,并将结果生成的图形制成统一的格式进行对比。由于是图形处理,可对比较区域填充颜色,并通过颜色的深浅,来划分影响的高低和范围,这与传统物理数据只能生成单调的数据图相比,可以让设计者更快地理解各个参数对最终电势的影响程度。减少了传统数值选择的盲目性,增强了目的性和指向性。

推动、改进和选用更好的设计方法

在常规的物理设计过程中,只有当实验结果出现后,才能通过对实验数据结果的分析,来确定方法的正确与否,并提出改进的措施。这就使得设计的过程较长,需要更多等待的时间。而利用有限元分析的方法,可以完美地实现物理实验的整个过程,并凭借可以生成直观的全方位视图和更迅速地实现结果,提高设计者对实验的理解程度,大大降低了改进实验的设计所需要的时间,这在流动力学这种非常耗时且高成本的实验设计中有着更为明显的体现。

通过对过程和结果的分析,借助有限元软件的后处理模块,可以让设计者清晰地了解参数的选择与目的是否一致,与实际实验结果进行比较。减少设计的时间和使用成本,提高了设计的效率和最终效果。而有限元可以采用不同的数学算法,还可将最新的算法代入其中,从而将物理实验这门实验性科学与数学的理论科学更好的结合为一体,增强了设计者的理论水平。

有限元软件可以协同计算,对于需要大量重复性的实验可以简化,得出可以参考的有效值。物理实验需要借助特定的设备,对于设计组成员,只能单次进行。而借助计算机处理,有限元分析可以同时进行这类重复性实验,且将设备的限制降为最低。虽然仍需要最终进行实际实验,但减少实验次数并在实验过程前明确设计的方向,让设计的方向更为明确。综合以上几点,有限元分析对设计方法最终实现有着正向推动作用。

结 语

将有限元分析引入物理实验设计当中,可以更直观地预判和表现实验的过程和结果,加深物理量数值对实验结果的变化,并且还可以在制订实验过程前改进方法和流程。因此,在物理实验过程引进有限元分析,可以起到加快设计过程,增强认识的效果。

参考文献:

[1]雷前召.利用数值法改进大学物理课中的演示实验[J].渭南师范学院学报,2013,11(2):29-32.

[2]朱鹤年.基础物理实验教程:物理测量的数据处理与实验设计[M].北京:高等教育出版社, 2003.

[3]金建铭,王建国.物理电磁场有限元方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.

作者单位:安康职业技术学院 陕西安康