第六章计算机辅助工程分析

1延边大学工学院第六章计算机辅助工程分析’学习目标’学习重点：有限元法、仿真技术的概念◆了解工程分析在设计/制造中的重要性◆学习和理解有限元法的基本概念和步骤◆学习仿真的概念，了解计算机仿真的一般过程。为使用计算机辅助工程分析（CAE）软件进行工程分析奠定基础。2延边大学工学院学习内容3延边大学工学院计算机辅助工程分析◆现代产品日益向着高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，产品的结构日趋复杂。而对产品的要求越来越高，如良好的静、动态特性，必须在预定的寿命内安全和可靠地工作。◆产品设计制造的角度，人们希望能够不断缩短产品的研制周期、降低研制成本、提高产品工作质量，努力做到一次成功。◆工程计算和分析是产品设计工作的一个重要方面，主要目的是在产品的设计阶段，在产品三维实体模型的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照产品的实际使用条件对产品结构和性能的静、动态特性进行计算、仿真和结构分析，按照产品性能要求和分析结果来评价某个设计方案的可行性或几个设计方案的优劣，试图找到满足给定约束条件的最佳设计方案。4延边大学工学院计算机辅助工程分析◆CAE(ComputerAidedEngineering)◆由于涉及到产品样机的试制和基于实物模型的各种试验，在传统的产品设计和工作中，研究开发过程的成本和时间开销占产品总成本和市场响应周期的比例通常都在60%以上甚至更高。h随着高性能计算机和图形显示设备的不断发展，人们以先进的计算机软硬件为物质基础，综合运用各种先进的优化设计技术、产品动态分析技术和计算技术来进行各种复杂的工程计算和分析活动。h研究产品性能的优化、模拟工程产品的未来工作状态和运动行为、及早发现各种设计缺陷、验证工程产品功能与性能的可用性和可靠性、进行产品性能的预测、评估和产品结构的分析与模拟仿真等。5延边大学工学院计算机辅助工程分析◆CAE技术的不断发展和普及，使传统的基于手工的设计工作发生了一系列革命性的变化：◆CAE在产品开发研制中所显示出来的无与伦比的优越性，使其成为现代企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的一个重要条件，因而越来越受到科技界和工程界的广泛重视。◆方法：有限元法、优化设计、仿真技术、试验模态分析h产品设计逐渐实现了由静态、线性分析向动态、非线性分析的过渡。h由经验类比向最优设计的过渡h由人工计算向自动计算的过渡h由近似计算向精确计算的过渡6延边大学工学院’有限元法简介♦从数学的观点看，它的基础是变分原理和部分插值。h有限元法（FEM:FiniteElementMethod)是求解复杂工程问题的一种近似数值分析方法。♦将一个复杂结构的连续体离散化为容易分析的简单的有限个单元，且这些单元通过有限个节点连接，承受等效的节点载荷。X概念有限元法X原理♦在计算求解时先按照平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来进行综合求解。♦由于连续体剖分成的单元个数是有限的，节点的数目也是有限的，所以将这种分析方法称为有限元法7延边大学工学院有限元法X有限元法的发展历史h有限元思想可追溯到1943年数学家Courant的工作，他利用三角形单元和最小势能原理研究了St.Venant扭转问题。由于当时计算机尚未出现，他的思想没有引起足够重视。h直到1956年计算机开始应用于工程分析和计算领域，美国工程师Turner才将这一思想发展成矩阵位移法。h1960年加利福尼亚大学伯克利分校的教授Clough将这一新的工程计算法由航空结构工程扩展到土木工程，并正式命名为FEM.h七十年代以后，随着计算机技术的不断发展，国外推出了许多大型的通用有限元分析程序。有限元的应用也从结构分析领域逐步扩展到了其他工程技术领域，包括固体力学、流体力学、传热学和电磁学。8延边大学工学院有限元法X有限元法的特点h有限元法利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变成有限单元节点参数的计算，这种方法概念清晰，通用性和灵活性兼备，能妥善处理各种复杂情况，虽然它的解是近似的，但通过适当选择单元的形状和大小，可使近似解无限接近理论解。h有限元引入边界条件的办法简单，并且通常采用矩阵形式来描述，因此非常便于计算机编程后自动求解。9延边大学工学院有限元法X有限元法的应用领域与对象h有限元法已成为连续介质问题解法中最活跃的分支，它能解决的工程问题已由弹性力学中的平面问题扩展到空间问题和板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题，由线性问题扩展到非线性问题。h分析对象已从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料问题，其应用范围也由传统的结构分析领域扩展到结构优化和设计自动化领域，从固体力学扩展到流体力学、传热学和电磁学等诸多工程领域。10延边大学工学院有限元法X有限元法的机械工程领域中的应用h通常将有限元法作为一种结构分析工具，通过对产品多种结构方案进行分析计算和对比分析，按强度、刚度和稳定性等要求对设计方案进行反复修改和优选，得到应力和应变分布较合理及经济性较好的结构设计方案。◆产品的分析、诊断◆产品的优化设计◆广泛应用于齿轮、轴、滚动轴承、活塞、压力容器和箱体等零部件的应力和变形计算，滑动轴承润滑分析、焊接残余应力及材料的变形等问题。h当一个实际产品结构件在使用和工作过程中发生断裂、出现裂纹或磨损等现象时，可以用有限元法对造成这些现象的原因进行精确分析，以便寻找相应的改进方法或找出危险区域和部位.11延边大学工学院有限元法12延边大学工学院’有限元法结构分析过程有限元法X前置处理X后置处理X有限元分析计算13延边大学工学院有限元法有限元分析系统结构14延边大学工学院有限元法X前置处理h采用手工方法建立有限元分析模型不仅费时费力，还容易出错，而且模型的复杂程度将受到很大的限制，有些复杂的模型很难用手工建立。h克服上述问题应用计算机和交互式图形显示技术来建立有限元模型并完成数据输入，此过程称有限元的前置处理。采用这种方法将显著减少建立有限元模型和数据输入所需的人力和时间。h用有限元法进行结构分析之前，要按照所使用的单元类型对结构进行剖分、根据要求对节点进行顺序编号、输入单元特征及节点坐标、生成网格图像并显示在屏幕上，为了决定是否使用或修改，显示的图像应带有节点和单元标号以及边界条件等信息。15延边大学工学院有限元法h前置处理程序：♦生成节点坐标♦生成网格单元♦修改和控制网格单元♦引进边界条件♦单元物理几何属性编辑♦单元分布载荷编辑h目前市面上各种有限元分析软件大都功能强大、人机交互性好、自动化程度高、使用方便等诸多优点、几万个单元的工程结构的有限元分析问题已不是什么难事。h人们甚至在进一步研究和实现CAD系统与有限元分析的集成，最终实现两者的无缝连接和“傻瓜式有限元”的设想。16延边大学工学院有限元法网格单位的密度17延边大学工学院有限元法X后置处理h有限元分析的后置处理主要用于对分析结果进行综合归纳，并进行可视化处理。h有限元分析之后，由于节点的数目非常多，所以需要输出的应变、应力和位移数量也相当大。如果靠人工来分析和处理，不仅工作量大，不直观，而且容易出错。h通过后置处理自动分析和处理，还可以更加直观地显示出应变、应力或位移的分布图，以便观察和分析计算的结果，并从数据中提炼出设计者最为关心的结果，检验和校核产品设计的合理性。18延边大学工学院有限元法X后置处理的主要功能h对应力和位移排序、求极值点，检查应力和位移是否超出规定值并以不同的颜色等适当的方法表示出来。h显示各单元和节点的应力分布情况，为结构优化提供直观的信息。h以动画方式模拟结构体的变形过程，从而可以更加直观地显示零件在载荷的作用下的变形情况。h生成应力、应变和位移的彩色浓淡图、等值线、等位面、剖切面和矢量图，绘制应力-应变曲线等。19延边大学工学院有限元法齿轮轮齿变形图齿轮轮齿应力等值线图20延边大学工学院有限元法21延边大学工学院有限元法22延边大学工学院有限元法23延边大学工学院有限元法24延边大学工学院有限元分析软件简介h有限元分析软件有通用和专用之分。h专用的有限元分析程序是为了解决某个工程学领域或某类产品的分析和计算而专门编制的程序。如机械工程应用领域中的滚动轴承分析设计系统、车辆车架分析系统等。由于专用程序的问题针对性强，因而系统的规模较小，但其求解的效率和精度较高。h通用的有限元分析程序作为一种强有力的工程分析工具和技术商品，具有功能强大，通用性和适应性强的特点。h目前市场上的商品化有限元程序的分析功能几乎覆盖了机械电子、土木建筑、航空航天和交通等所有工程领域，它们的可操作性和用户界面也相当友好，具有相关工程背景知识的工程师通过培训可以在较短的时间内掌握并用于实际的工程应用。25延边大学工学院有限元分析软件简介’ANSYShANSYS是美国ANSYS公司开发的融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型有限元分析软件，它与各种主流CAD软件有数据接口，以便实现数据的共享和交换。h该软件主要包括三个部分：前置处理模块、有限元分析计算模块、后置处理模块。hANSYS最独特的功能是其多物理场分析技术，所谓多物理场（也称耦合场）是指热场、流场和结构应力场等多场耦合，其支持的耦合类型包括：热-应力、磁-热、磁-结构；流体-结构、热-电；电-磁-热-流体-应力。26延边大学工学院有限元分析软件简介’NASTRANh1966年美国航空航天局NASA为了满足航空航天工业领域对结构分析的软件要求，委托MSC公司研制了NASTRAN有限元分析软件。hNASTRAN的计算结果经常被用作评估其他有限元分析软件精度的参照标准，而目前市场上的主流CAD/CAM软件都提供了与NASTRAN的数据接口。h经过多年的发展，使NATRAN软件的功能更加完善和强大，逐步成为有限元分析领域的行业标准，在计算机辅助工程软件市场一直居于领导地位。27延边大学工学院有限元分析软件简介hNASTRAN产品作为目前功能最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析系统，它不仅包括静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合等基本分析模块，还包括：h尤其是气动弹性分析功能包括各种静态和动态的气动弹性相应分析和颤振分析，在飞机、导弹、斜拉桥、电视发射塔等结构设计中有着十分广泛的应用。♦动力学分析模块♦热传导分析模块♦非线性分析模块♦气动弹性分析模块28延边大学工学院’仿真的基本概念h要先后经历产品的概念设计和方案论证、产品设计与工程绘图、产品物理样机制造、性能测试与分析、设计改进、实物样机重新制造、性能测试与分析，。。。，如此反复迭代直到获得满意的产品性能为止。h实际工程应用中，有些产品的性能试验是十分危险，如航天飞机、火箭、卫星等。因此新产品的研制过程中过多的物理样机制造和测试将需要投入大量的人力和物力。仿真技术h仿真是指通过对模拟系统的实验去研究一个存在或设计中的系统。X常规产品开发过程29延边大学工学院仿真技术X仿真的类型h物理仿真h数学仿真（计算机仿真）♦物理模型与实际之间具有相似的物理属性，物理模型多采用已试制出的样机或与实际近似等效的代用品。♦建立系统的可以计算的数学模型，并据此编制成仿真程序存入计算机进行仿真试验，掌握实际系统在各种内外因素变化下性能的变化规律。30延边大学工学院仿真技术X计算机仿真的应用：X计算机仿真意义：h替代许多难以或无法实施的实验h系统分析h制成训练用的仿真器h解决一般方法难以求解的大型系统问题h降低投资风险、节省研究开发费用h避免实际实验对生命、财产的危害h缩短实验时间、不受时空限制31延边大学工学院仿真技术’计算机仿真的一般过程h计算机仿真的基本方法：’仿真在CAD/CAM系统中的应用►产品形态仿真►装配关系仿真►运动学仿真►动力学仿真►零件工艺过程几何仿真►加工过程仿真►生产过程♦将实际系统抽象描述为数学模型，再转化成计算机求解的仿真模型，然后编制程序，上机运行，进行仿真实验并显示结果。32延边大学工学院’计算机仿真软件简介X机械系统动力学自动分析软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)仿真技术h最初是由美国M