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文檔簡介
第五章
計(jì)算機(jī)輔助工程CAE第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l計(jì)算機(jī)輔助工程的概念計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE,
Computer
Aided
Engineering)主要是指利用數(shù)值模擬分析技術(shù)對工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析,模擬其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺損,驗(yàn)證工程產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化。CAE包括的主要技術(shù)有:仿真技術(shù)、實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)、有限元分析技術(shù)、邊界元分析技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、可靠性設(shè)計(jì)等。最常用的方法:有限元分析法FEA第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用范圍
由于CAE技術(shù)的發(fā)展、普及,設(shè)計(jì)工作出現(xiàn)了革命性的變化,機(jī)械設(shè)計(jì)已逐漸由靜態(tài)、線性分析向動(dòng)態(tài)、非線性過渡,由經(jīng)驗(yàn)類比向最優(yōu)設(shè)計(jì)過渡,由人工計(jì)算向自動(dòng)計(jì)算、由近似計(jì)算向精確計(jì)算過渡。
結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場、流場和電磁場等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。例如分析高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)是否會發(fā)生破壞性事故;計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場,確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理;校核渦輪機(jī)葉片的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù),以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率;還有高速列車、戰(zhàn)斗機(jī)等。有限元分析方法為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成
有限元法(FEA,F(xiàn)inite
Element
Analysis)基于固體流動(dòng)變分原理,它把一個(gè)原來連續(xù)的物體分割成有限個(gè)數(shù)的單元體,單元體相互在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接,承受等效的節(jié)點(diǎn)載荷。計(jì)算求解是先按照平衡條件進(jìn)行分析,然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合起來,成為一個(gè)組合體,再綜合求解。由于剖分單元的個(gè)數(shù)有限,節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也有限,所以這種方法稱為有限元法。有限元方法解決問題是對物理模型的近似,數(shù)學(xué)上不做近似處理,概念清晰,通用性與靈活性兼?zhèn)?,能妥善處理各種復(fù)雜情況。改變單元的數(shù)目,就可改變解的精確度,得到與真實(shí)情況無限接近的結(jié)果。真實(shí)系統(tǒng)有限元模型
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成
有限元模型是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象節(jié)點(diǎn)和單元有限元模型由一些簡單形狀的單元組成,單元間通過節(jié)點(diǎn)連接,并承受一定載荷節(jié)點(diǎn):
空間中的坐標(biāo)位置,具有一定自由度和存在相互物理作用單元:單元有線、面或?qū)嶓w以及二維或三維的單元等種類載荷約束
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成
單元類型經(jīng)常采用的單元:
n
線單元
n
殼單元
n
二維實(shí)體單元
n
三維實(shí)體單元線單元:?
梁單元:用于螺栓,薄壁管件,C型
截面構(gòu)件,角鋼或細(xì)長薄膜構(gòu)件(只
需膜應(yīng)力和彎應(yīng)力的情況)等模型?
桿單元:用于彈簧、螺桿、預(yù)應(yīng)力螺
桿和薄膜桁架等模型?
彈簧單元:用于彈簧螺桿、或細(xì)長構(gòu)
件,或通過剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等
模型
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成經(jīng)常采用的單元:
n
線單元
n
殼單元
n
二維實(shí)體單元
n
三維實(shí)體單元?dú)卧糜诒“寤蚯婺P蜌卧治鰬?yīng)用基本原則:每塊面板的主尺寸不低于其厚度的十倍
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成經(jīng)常采用的單元:
n
線單元
n
殼單元
n
二維實(shí)體單元
n
三維實(shí)體單元二維實(shí)體單元用于模擬實(shí)體截面?需在整體笛卡爾X-Y平面內(nèi)建立模型?所有的荷載均作用在X-Y平面內(nèi),并
且其響應(yīng)(位移)也在X-Y平面內(nèi)
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)與組成經(jīng)常采用的單元:
n
線單元
n
殼單元
n
二維實(shí)體單元
n
三維實(shí)體單元?
由于幾何、材料、荷載或分析要求
考慮細(xì)節(jié)等原因造成無法采用更簡
單單元進(jìn)行建模的結(jié)構(gòu)分析?或從三維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過來的幾何
模型轉(zhuǎn)成二維或殼體需要花費(fèi)大量
的時(shí)間和精力的情況
第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成oooooo前置處理模塊有限元分析模塊后處理模塊模塊用戶界面模塊數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫模塊共享的基礎(chǔ)算法模塊第一節(jié)
計(jì)算機(jī)輔助工程概述l有限元法的基本解法o
分析對象o
建立幾何模型o
選擇單元類型o
定義材料特性o
劃分網(wǎng)格o
檢查模型o
定義邊界條件o
求解模型o
結(jié)果顯示分析
第二節(jié)典型的CAE軟件功能簡介lMSC/NASTRAN軟件分析功能簡介oo
MSC多年來在計(jì)算機(jī)輔助工程市場一直居于領(lǐng)導(dǎo)地位,收購頂尖高度非線性CAE軟件公司MARC等,更為其在MCAE(機(jī)械工程輔助分析)行業(yè)奠定了霸主地位
MSC的產(chǎn)品系列很多,不同的軟件模塊執(zhí)行不同的分析功能üüüüüüüüü
第二節(jié)典型的CAE軟件功能簡介MSC豐富的產(chǎn)品線包括:
世界上功能最全面、應(yīng)用最廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)
NASTRAN;
工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)PATRAN;
專用的耐久性疲勞壽命分析工具FATIGUE;
拓?fù)浼靶螤顑?yōu)化的概念化設(shè)計(jì)軟件工具Construct;
處理高度組合非線性結(jié)構(gòu)、熱及其它物理場和耦合場問題的有限元軟
件MARC;
求解高度非線性、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、流體及流-固耦合分析工具DYTRAN;
當(dāng)今世界唯一全面的商品化材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)MVISION;
成型過程仿真專用工具AutoForge;
最著名、最權(quán)威的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams;
……Ansys
內(nèi)部物理場的無縫耦合結(jié)構(gòu)、熱、流體與電磁仿真耦合耦合方式:直接耦合與間接耦合StructuralFluid
ThermalElectrostaticElectricalMagneticElectro-magnetic外部場CAE/CFD多物理場求解器構(gòu)建多產(chǎn)品/場的耦合平臺耦合ANSYS內(nèi)部物理場耦合外部CAE/CFD物理場多物理場求解器Multi-fieldSolverABAQUS:常用于處理高度非線性結(jié)構(gòu),熱,流場及其它物理場和多場合場問題公認(rèn)解決非線性問題最好的軟件,解決非線性問題精度最高缺點(diǎn)是經(jīng)常得不到解(不收斂)ABAQUS
ADINA
ADINA可進(jìn)行線性、非線性,靜力、動(dòng)力、屈曲、熱傳導(dǎo),壓縮、不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算,流-固耦合分析。
ADINA是美國ADINA公司研究開發(fā)的老牌通用有限元分析系統(tǒng),技術(shù)成熟,集成環(huán)境包括自動(dòng)建模、分析和可視化后處理。適于各種機(jī)械、土木建筑工程結(jié)構(gòu)、石油化工、航空、船舶和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、可靠性分析評定及科學(xué)前沿研究。紫瑞CAE
國內(nèi)首創(chuàng),面向一般機(jī)械設(shè)計(jì)人員,方便易用FEPG
第三節(jié)
CAE在工程中的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本概念和術(shù)語優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般步驟
優(yōu)化設(shè)計(jì)是在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下,尋求一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳的設(shè)計(jì)方案。
如飛行器和宇航結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足性能的前提下要求重量最輕,空間運(yùn)載工具的軌跡最優(yōu);連桿、凸輪、齒輪等機(jī)械零部件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)最佳;機(jī)械加工工藝過程設(shè)計(jì),限定設(shè)備條件下生產(chǎn)率最高等。1.優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念和術(shù)語優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問題:建立工程問題優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型即確定優(yōu)化設(shè)計(jì)三要素:
設(shè)計(jì)變量
目標(biāo)函數(shù)
約束條件選擇適用的優(yōu)化方法如:數(shù)值迭代計(jì)算方法設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)中,常用一組對設(shè)計(jì)性能指標(biāo)有影響的基本參數(shù)表示某個(gè)設(shè)計(jì)方案。有些基本參數(shù)可以根據(jù)工藝、安裝和使用要求預(yù)先確定,另一些則需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇
需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇的基本參數(shù)被稱為設(shè)計(jì)變量機(jī)械設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)變量:幾何外形尺寸(如長、寬、高等)、材料性質(zhì)、速度、加速度、效率、溫度…目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)特定目標(biāo)建立起來、以設(shè)計(jì)變量為自變量的可計(jì)算函數(shù)稱目標(biāo)函數(shù)。它是設(shè)計(jì)方案評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),也稱評價(jià)函數(shù)正確建立目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)中很重要的一步工作,既要反映用戶的要求,又要直接、敏感的反映設(shè)計(jì)變量的變化,對優(yōu)化的質(zhì)量和計(jì)算的難易都有一定影響。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程實(shí)際上是尋求目標(biāo)函數(shù)最小值或最大值的過程,如質(zhì)量最輕,體積最小。因?yàn)榍竽繕?biāo)函數(shù)的最大值可轉(zhuǎn)換為求負(fù)的最小值,故目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一描述為:
F(X)=F(x1,x2,…xn)min目標(biāo)函數(shù)作為評價(jià)方案的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),有時(shí)不一定有明顯的物理意義和量剛,它只是設(shè)計(jì)指標(biāo)的一個(gè)代表值約束條件在實(shí)際設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)變量不能任意選擇,必須滿足某些規(guī)定功能和其它要求。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)可接受的設(shè)計(jì)而對設(shè)計(jì)變量取值施加的種種限制稱為約束條件約束條件是對設(shè)計(jì)變量的一個(gè)有定義的函數(shù),并且各個(gè)約束條件之間不能彼此矛盾。數(shù)值迭代計(jì)算方法
計(jì)算機(jī)常用的計(jì)算方法,也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本數(shù)值分析方法
數(shù)值迭代是用某個(gè)固定公式代入初值后進(jìn)行反復(fù)計(jì)算,每次計(jì)算后,將計(jì)算結(jié)果代回公式,使之逐步逼近理論上的精確解,當(dāng)滿足精度要求時(shí),得出與理論解近似的計(jì)算結(jié)果搜索迭代過程迭代格式的一般式:x(k+1)=x(k)+a(k)d(k)迭代過程中,方向、步長的選擇與變化隨所采用的優(yōu)化方法而不同。各設(shè)計(jì)點(diǎn)是通過同樣的運(yùn)算步驟取得的,因而易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)式中:x(k+1)——從第k次設(shè)計(jì)點(diǎn)出發(fā),以a(k)步長、沿d(k)
方向進(jìn)行搜索所得的第k+1次設(shè)計(jì)點(diǎn),也就是第k+1步迭代點(diǎn)
x(k)——第k步迭代點(diǎn),即優(yōu)化
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