CADCAM第五章

1、第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析5.1 計算機輔助工程分析的主要內容計算機輔助工程分析的主要內容5.2 有限元分析計算有限元分析計算5.3 優(yōu)化設計方法優(yōu)化設計方法5.4 工程分析中的仿真技術工程分析中的仿真技術第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 學習目標：學習目標：了解計算機輔助工程分析的主了解計算機輔助工程分析的主要內容；了解有限元法的基本思想和步驟；要內容；了解有限元法的基本思想和步驟；了解優(yōu)化設計的數學模型和常用優(yōu)化設計了解優(yōu)化設計的數學模型和常用優(yōu)化設計方法；了解仿真的概念，了解計算機仿真方法；了解仿

2、真的概念，了解計算機仿真的一般過程。的一般過程。 學習重點：學習重點：有限元法、優(yōu)化設計方法。有限元法、優(yōu)化設計方法。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析5.1 計算機輔助工程分析的主要內容計算機輔助工程分析的主要內容 機械產品設計過程的一個重要環(huán)節(jié)是分析、計算。v傳統的傳統的分析方法分析方法一般比較粗略一般比較粗略，定性的定性的比較方比較方案的好壞。案的好壞。v手工計算手工計算，過程繁瑣過程繁瑣，只對關鍵的零部件進行，只對關鍵的零部件進行分析，其余憑經驗用分析，其余憑經驗用類比法類比法進行結構設計。進行結構設計。v采用采用較大的安全系數較大的安全系數。v設計是反復的過程，分析次

3、數不多，設計是反復的過程，分析次數不多，不能做出不能做出定量的評價定量的評價。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 由于計算機的應用以及測試手段的不斷改進和完善，機械設計已由靜態(tài)、線性分析向動態(tài)、非線性過渡；由經驗類比設計向最優(yōu)化設計過渡；由人工計算向自動計算，由近似計算向精確計算過渡，已適應產品向高效、高速、低成本等現代化要求發(fā)展的需要。 計算機輔助工程分析就是采用計算機技計算機輔助工程分析就是采用計算機技術進行工程分析，計算機系統提供了進行術進行工程分析，計算機系統提供了進行輔助分析計算的支撐環(huán)境。輔助分析計算的支撐環(huán)境。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 計

4、算機輔助工程計算機輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)是一個很廣的概念，是一個很廣的概念，從字面上講它可以包括工程和制造業(yè)信息從字面上講它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統的化的所有方面，但是傳統的CAE主要是指主要是指用計算機對工程和產品的運行性能與安全用計算機對工程和產品的運行性能與安全可靠性分析?？煽啃苑治?。 CAE具體包括工程數值分析、結構與具體包括工程數值分析、結構與過程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動過程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動/動動力學仿真。力學仿真。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析v工程數值分析用來分析確定產品

5、的性能；v結構優(yōu)化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能最優(yōu)；v結構強度與壽命預估用來評估產品的結構強度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命長短；v運動/動力學仿真用來對建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真，發(fā)現設計中出現的問題和缺陷。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 計算機輔助分析最主要的是有限元分析和優(yōu)化設計。 計算機輔助工程分析已經是CAD/CAM系統不可缺少的主要組成部分。 一些著名的大型CAD/CAM集成系統都含有工程分析模塊，如Pro/Engineer、IDEAS、UG等。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析5.2 有

6、限元分析計算有限元分析計算 將一個連續(xù)的求解域離散化，即分割將一個連續(xù)的求解域離散化，即分割成彼此用節(jié)點（離散點）互相聯系的有限成彼此用節(jié)點（離散點）互相聯系的有限個單元，一個連續(xù)個單元，一個連續(xù)彈性體彈性體被看作是被看作是有限個有限個單元體的組合單元體的組合，根據一定精度要求，用有，根據一定精度要求，用有限個參數來描述各單元體的力學特性，而限個參數來描述各單元體的力學特性，而整個連續(xù)體的力學特性就是構成它的全部整個連續(xù)體的力學特性就是構成它的全部單元體的力學特性的總和。單元體的力學特性的總和。 有限元方法的基本思想有限元方法的基本思想第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析彈性力學

7、基本知識彈性力學基本知識 彈性體：彈性體：是指在卸載后能完全恢復其初是指在卸載后能完全恢復其初始形狀和尺寸的物體。始形狀和尺寸的物體。 體力：體力：作用在物體內部體積上的外力，作用在物體內部體積上的外力，例如重力、慣性力。例如重力、慣性力。 面力：面力：作用在物體表面上的外力，例如作用在物體表面上的外力，例如流體壓力和接觸力。流體壓力和接觸力。 應力、應變、位移應力、應變、位移 第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 基本方程基本方程： （1）應變和位移的關系（幾何方程）應變和位移的關系（幾何方程） （2）應力和應變的關系（物理方程）應力和應變的關系（物理方程） 虛功原理虛功原理：

8、假設一彈性體在虛位移發(fā)生：假設一彈性體在虛位移發(fā)生之前處于平衡狀態(tài)，當彈性體產生約束之前處于平衡狀態(tài)，當彈性體產生約束許可的微小虛位移并同時在彈性體內產許可的微小虛位移并同時在彈性體內產生虛應變時，體力與面力在虛位移上所生虛應變時，體力與面力在虛位移上所作的虛功等于整個彈性體內各點的應力作的虛功等于整個彈性體內各點的應力在虛應變上所作的虛功的總和，即在虛應變上所作的虛功的總和，即外力外力虛功等于內力虛功虛功等于內力虛功。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析平面問題有限元分析的步驟平面問題有限元分析的步驟（1）結構離散化）結構離散化 劃分單元、計算各節(jié)點坐標，并對單元和節(jié)點編號。劃

9、分單元、計算各節(jié)點坐標，并對單元和節(jié)點編號。（2）單元特性分析）單元特性分析 建立單元內節(jié)點位移與節(jié)點力的關系，即建立單元建立單元內節(jié)點位移與節(jié)點力的關系，即建立單元剛度方程。剛度方程。（3）建立整體矩陣方程）建立整體矩陣方程 把整體結構的各單元矩陣方程合并成一個整體矩陣把整體結構的各單元矩陣方程合并成一個整體矩陣方程。方程。（4）整體矩陣方程求解）整體矩陣方程求解 引入約束條件，對結構的總體矩陣方程求解，得到引入約束條件，對結構的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點的位移，計算出節(jié)點的應變和應力。各節(jié)點的位移，計算出節(jié)點的應變和應力。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析有限元分析軟件有

10、限元分析軟件 有限元軟件一般由三部分組成：（1）有限元前處理（2）有限元分析（3）有限元后處理 商品化的大型通用軟件有： MSC、NASTRAN、ASKA、ANSYS等。都有前后處理功能。還有專門的商品化的有限元前、后處理軟件。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析有限元法的前置處理有限元法的前置處理 用有限元法進行結構分析時用有限元法進行結構分析時,要輸入大要輸入大量的數據，如節(jié)點、單元編號、坐標、載量的數據，如節(jié)點、單元編號、坐標、載荷、材料和邊界條件數據等。故有限元計荷、材料和邊界條件數據等。故有限元計算程序要進行前置處理。算程序要進行前置處理。 前置處理的主要內容：前置處理

11、的主要內容： 1. 網格自動劃分網格自動劃分 2. 生成有限元屬性數據生成有限元屬性數據 3. 數據自動檢查數據自動檢查第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析有限元法的后置處理有限元法的后置處理 后置處理任務：后置處理任務： 將有限元計算分析結果進行加工處理將有限元計算分析結果進行加工處理并形象化為變形圖、應力等值線圖、應并形象化為變形圖、應力等值線圖、應力應變彩色濃淡圖、應力應變曲線以及力應變彩色濃淡圖、應力應變曲線以及振型圖等。振型圖等。 包括：包括： 1、對結果數據的加工處理、對結果數據的加工處理 2、結果數據的編輯輸出、結果數據的編輯輸出 3、有限元數據的圖形表示、有限元數

12、據的圖形表示第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析有限元分析應用舉例有限元分析應用舉例第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析20兆瓦機組中壓外缸剛性分析兆瓦機組中壓外缸剛性分析東方汽輪機廠X方向位移方向位移Z方向位移方向位移第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析CAD模型CAE模型世界一流的世界一流的CAE軟件供應商有：軟件供應商有：美國美國MSC公司公司、美國美國ANSYS公司公司、英國英國AEA公司公司等，等，本廠擁有它們的本廠擁有它們的MSC/MARC、MSC/NASTRAN、MSC/PATRAN、MSC/FATIGUE、ANSYS、TASCFLOW、

13、CFX-4等世界頂尖仿真軟件。等世界頂尖仿真軟件。從CAD中讀入復雜模型有限單元劃分施加邊界、初始條件施加材料、單元特性求解及后處理東方汽輪機廠第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析X,Y方向約束以此面對稱約束Y方向約束內壁施壓力高壓主汽調節(jié)閥閥殼應力場模擬高壓主汽調節(jié)閥閥殼應力場模擬東方汽輪機廠第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析數字化設計與并行工程在摩托車研發(fā)中的應用數字化設計與并行工程在摩托車研發(fā)中的應用 本文扼要介紹了基于產品數據管理系統的數字本文扼要介紹了基于產品數據管理系統的數字化研發(fā)與并行工程在化研發(fā)與并行工程在HD150GY-2型摩托車研發(fā)過型摩托車研

14、發(fā)過程中的應用以及產品數據管理系統和數字化設計程中的應用以及產品數據管理系統和數字化設計系統平臺規(guī)劃。系統平臺規(guī)劃。 第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析UG軟件中的整車虛擬裝配軟件中的整車虛擬裝配摩托車摩托車第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析后輪、后搖架、后減震的運動分析后輪、后搖架、后減震的運動分析摩托車摩托車第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析利用利用UG軟件有限元分析模塊中的軟件有限元分析模塊中的后處理功能對連桿進行結果分析。后處理功能對連桿進行結果分析。連桿的有限元分析結果連桿的有限元分析結果摩托車摩托車第五章第五章 計算機輔助工程分析計算

15、機輔助工程分析柴油機連桿的有限元分析柴油機連桿的有限元分析 連桿是汽車發(fā)動機中傳遞動力的重要零件，它連桿是汽車發(fā)動機中傳遞動力的重要零件，它把活塞的直線運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動并將作把活塞的直線運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過盈及螺栓作過程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過盈及螺栓預緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及預緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及慣性力）的作用。慣性力）的作用。 本文應用本文應用ABAQUS有限元軟件，對新設計的某有限元軟件，對新設計的某機型連桿進行了

16、強度和剛度的校核。機型連桿進行了強度和剛度的校核。連桿的三維連桿的三維幾何模型來自幾何模型來自CAD軟件軟件PRO/E，采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型，利用利用ABAQUS進進行力學計算分析行力學計算分析。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 圖圖1 連桿有限元模型連桿有限元模型柴油機連桿柴油機連桿采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析圖圖2 連桿在裝配與拉伸連桿在裝配與拉伸載荷作用下應力分布載荷作用下應力分布圖圖3連桿在裝配與氣體爆發(fā)壓連桿在裝配與氣體爆發(fā)壓力載荷作用下應力分布力載荷作

17、用下應力分布柴油機連桿柴油機連桿利用利用ABAQUS進行力學計算分析進行力學計算分析第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析一座大樓模型一座大樓模型第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析大樓的變形和應力分布大樓的變形和應力分布第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析5.3 優(yōu)化設計方法優(yōu)化設計方法 一是一是建立優(yōu)化設計數學模型建立優(yōu)化設計數學模型，即確定優(yōu)化設計問，即確定優(yōu)化設計問題的目標函數、約束條件和設計變量；題的目標函數、約束條件和設計變量； 二是二是選擇適用的優(yōu)化方法，求解數學模型選擇適用的優(yōu)化方法，求解數學模型。優(yōu)化設計數學模型優(yōu)化設計數學模型優(yōu)化設計

18、數學模型包括三部分內容優(yōu)化設計數學模型包括三部分內容 ：（1）設計變量設計變量（2）約束條件約束條件（3）目標函數目標函數優(yōu)化設計要解決的關鍵問題：優(yōu)化設計要解決的關鍵問題：優(yōu)化設計的三要素優(yōu)化設計的三要素第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 設計中，可以用一組對設計性能指標有設計中，可以用一組對設計性能指標有影響的基本參數來表示某個設計方案。有影響的基本參數來表示某個設計方案。有些基本參數可以根據工藝、安裝和使用要些基本參數可以根據工藝、安裝和使用要求預先確定，而另一些則需要在設計過程求預先確定，而另一些則需要在設計過程中進行選擇。那些中進行選擇。那些需要在設計過程中進行需要在

19、設計過程中進行選擇的基本參數選擇的基本參數被稱為被稱為設計變量設計變量。 機械設計常用的機械設計常用的設計變量設計變量有：幾何外形有：幾何外形尺寸（如長、寬、高等）、材料性質、速尺寸（如長、寬、高等）、材料性質、速度、加速度、效率、溫度等。度、加速度、效率、溫度等。（1）設計變量）設計變量X=x1,x2,xn T第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 在實際問題中，設計變量不能任意選擇，在實際問題中，設計變量不能任意選擇，必須滿足某些規(guī)定功能和其它要求。為產必須滿足某些規(guī)定功能和其它要求。為產生一個可接受的設計而對設計變量取值施生一個可接受的設計而對設計變量取值施加的種種限制稱為加

20、的種種限制稱為約束條件約束條件。 （2）約束條件）約束條件第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析約束條件表達方式約束條件表達方式 約束條件一般表示為約束條件一般表示為設計變量的不等式設計變量的不等式約束函數約束函數和和等式約束函數等式約束函數形式：形式： gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0或或 gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0 (i=1,2,m) hj(X)=hj(x1,x2,xn)=0 (j=m+1,m+2,p) 式中式中m，(p-m)分別表示施加于該項設計分別表示施加于該項設計的不等式約束條件數目和等式約束條件數的不等式約束條件數目和等式約束條件數目。目。 第五章

21、第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 約束條件一般分為邊界約束和性能約束兩種。約束條件一般分為邊界約束和性能約束兩種。 (1) 邊界約束邊界約束 又稱區(qū)域約束，表示設計變量的物理限制又稱區(qū)域約束，表示設計變量的物理限制和取值范圍。和取值范圍。 (2) 性能約束性能約束 又稱性態(tài)約束，是由某種設計性能或指標又稱性態(tài)約束，是由某種設計性能或指標推導出來的一種約束條件。這類約束條件，推導出來的一種約束條件。這類約束條件，一般總可以根據設計規(guī)范中的設計公式或通一般總可以根據設計規(guī)范中的設計公式或通過物理學和力學的基本分析導出的約束函數過物理學和力學的基本分析導出的約束函數來表示。來表示。約束條

22、件分類約束條件分類第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析約束條件應滿足的要求約束條件應滿足的要求 約束條件必須是對設計變量的一個有定義約束條件必須是對設計變量的一個有定義的函數，并且各個約束條件之間不能彼此矛的函數，并且各個約束條件之間不能彼此矛盾。盾。 可行域和非可行域可行域和非可行域 設計約束將設計空間分成可行域與非可行設計約束將設計空間分成可行域與非可行域兩部分?？尚杏蛑械娜我稽c（包括邊界上域兩部分。可行域中的任一點（包括邊界上的各點）都滿足所有的約束條件，稱為可行的各點）都滿足所有的約束條件，稱為可行點。任一個可行點都表示滿足設計要求的可點。任一個可行點都表示滿足設計要求的

23、可行方案。行方案。 第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析 根據特定目標建立起來的、以設計變量為根據特定目標建立起來的、以設計變量為自變量的、一個可計算的函數稱為目標函數，自變量的、一個可計算的函數稱為目標函數，它是設計方案評價的標準。它是設計方案評價的標準。 對目標函數的描述對目標函數的描述 優(yōu)化設計的過程實際上是尋求目標函數最優(yōu)化設計的過程實際上是尋求目標函數最小值或最大值的過程。因為求目標函數的最小值或最大值的過程。因為求目標函數的最大值可轉換為求負的最小值，故目標函數統大值可轉換為求負的最小值，故目標函數統一描述為：一描述為：F(X)=F(x1,x2,xn) （3）目標函數

24、）目標函數F(X) min第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析優(yōu)化設計數學模型優(yōu)化設計數學模型求求 X=x1,x2,xn 使使 minF(X)滿足約束條件滿足約束條件 gi(X) 0 (i=1,2,m) hj(X)=0 (j=m+1,m+2,p) T第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析求解優(yōu)化問題的基本思想和策略求解優(yōu)化問題的基本思想和策略 解析法和數值迭代方法解析法和數值迭代方法v解析法解析法利用數學解析方法（如微分等方法）利用數學解析方法（如微分等方法）v數值迭代方法數值迭代方法則是利用函數在某一局域區(qū)域則是利用函數在某一局域區(qū)域的某些性質和函數值，采用某種算法

25、逐步逼的某些性質和函數值，采用某種算法逐步逼近到函數極值點的方法。近到函數極值點的方法。優(yōu)化設計中大都采用優(yōu)化設計中大都采用數值迭代數值迭代方法。方法。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析優(yōu)化方法優(yōu)化方法無約束優(yōu)化方法無約束優(yōu)化方法一維搜索法一維搜索法0.618法法二次插植法二次插植法坐標輪換法坐標輪換法單純形法單純形法鮑威爾法鮑威爾法梯度法梯度法牛頓法牛頓法變尺度法變尺度法外點罰函數法外點罰函數法外點罰函數法外點罰函數法混合罰函數法混合罰函數法約束優(yōu)化方法約束優(yōu)化方法直接法直接法間接法間接法約束隨機法約束隨機法復合

26、形法復合形法罰函數法罰函數法常用優(yōu)化方法常用優(yōu)化方法第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析5.4 工程分析中的仿真技術工程分析中的仿真技術仿真的基本概念仿真的基本概念 仿真仿真就是采用模擬真實系統的模型，通過對模就是采用模擬真實系統的模型，通過對模型的分析和實驗去研究真實系統的工作行為。型的分析和實驗去研究真實系統的工作行為。v物理仿真物理仿真 采用與實際系統在物理上相似的實物模型進行采用與實際系統在物理上相似的實物模型進行分析。分析。v數學仿真（又稱計算機仿真）數學仿真（又稱計算機仿真） 就是在計算機內建立實際系統的計算模型，通就是在計算機內建立實際系統的計算模型，通過運行仿真軟

27、件代替實際系統運行工作，以便進過運行仿真軟件代替實際系統運行工作，以便進行觀察和考核實驗。行觀察和考核實驗。第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析仿真的一般過程v（1）建立數學模型）建立數學模型v（2）模型變換）模型變換v（3）編制仿真程序）編制仿真程序v（4）進行仿真實驗）進行仿真實驗v（5）仿真結果整理分析）仿真結果整理分析第五章第五章 計算機輔助工程分析計算機輔助工程分析仿真在仿真在CAD/CAM系統中的應用系統中的應用 產品形態(tài)仿真產品形態(tài)仿真 例如產品的結構狀態(tài)、外觀、色彩等形象化屬性。裝配關系仿真裝配關系仿真 例如零部件之間裝配關系與干涉檢查，車間布局與設備、管道安裝、電力、供暖、供氣、冷卻系統與機械設備布局