（机械制造及其自动化专业论文）硬态切削过程的有限元仿真.pdf

：一些些些坠鲨些些堂尘垒一 硬态切削过程的有限元仿真 摘要 硬态切削是指把淬硬钢的切削加， 作为半精加工或精加工的工艺方法。 这种工艺方法可改变传统切削一淬硬磨削制造工序，能有效地提高生产 率、降低能量消耗及提高加工零件的疲劳强度。硬态于式切削技术还是一种 有利于环境保护的清洁生产工艺和绿色制造技术。有限元分析法是工程实际 中强有力的数值分析方法之一，与试验研究相比，它具有节省时问，节省人 力财力等优点。本文以有限元理论为基础，针对硬念切削的特点，建立了硬 念切削的有限元模型。 对于切削过程的有限元模拟分析，正确的简化模型不仅可以提高计算结 果的精度，并且可以大大的减少计算的时间。本文采用平面应变问题来处理 二维硬态切削问题，极大的简化了模型；通过把材料的机械物理性能看成温 度的函数来模拟材料的非线性问题：采用网格重划分来解决接触穿透问题， 模拟切屑的形成；为了处理硬态切削过程中的几何非线性问题，采用了更新 的l a g r a n g e 格式的增量有限元法；编制用户子程序来实现有限元模型网格 的局部细分，即保证了计算的精度，又节省了计算的资源；根据硬态切削的 特点，采用修正的库仑摩擦模型来模拟硬态切削过程中的摩擦问题。这些建 模方法对于研究硬态切削的机理有着重要的参考价值。 有限元模拟分析得到了硬态切削过程的应力分布、温度分布以及切屑的 形成过程，通过对剪切区的测量得到了剪切角的大小。对不同速度、不同切 削厚度的硬态切削过程进行了模拟分析，结果表明：随着切削速度的增大， 切削的最高温度值增大，当切削速度大于2 2 0 m m i n 时，由于金属的软化效 应，温度升高趋势随速度的增加而变缓：随着切削厚度的增大，切削的最高 温度值增大，并且切削厚度对温度的影响没有切削速度的影响大。在相同的 切削条件下，负倒棱切削的温度大于圆弧刃切削的温度，因此用圆弧刃代替 负倒棱切削，町以改善刀具上的温度分布情况。本文模拟方法可以部分的取 代实验研究，拓展了有限元理论的应用范围，促进了硬态切削机理的研究。 关键词硬态切削；有限元仿真：切屑形状：p c b n 刀具 f i n l t ee l e m e n ts i m u l a t i n g0 f h a r dc u t t i n gc o u r s e a b s t r a c t h a r dc u t t i n gi sat e c h n o l o g yt h a tt a k e sc u t t i n gh a r d e n e ds t e e l sa sam e t h o d o fs e n t i f i n i s hm a c h i n i n go rf i n i s hm a c h i n i n g t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r eo r d e r s u c ha sc u t t i n g - h a r d e n g r i n d i n gm a yb ec h a n g e db yu s i n gt h i st e c h n o l o g y ，a n d t h ew e a r i n e s ss t r e n g t ha n dp r o d u c t i v i t yo fw o r k p i e c ei s i m p r o v e d ，a n dt h e c o n s u m e dp o w e ri sr e d u c e d t h eh a r d d r yc u t t i n gi sa l s oat e c h n o l o g yt h a ti s p r o p i t i o u s t o p r o t e c te n v i r o n m e n ta n dc a r r yo u tg r e e n m a n u f a c t u r e f i n i t e e l e m e n tm e t h o di so n eo ft h ep o w e r f u ln u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d sa p p l yt o e n g i n e e r i n g i th a sm a n ym e r i t sc o m p a r et ot e s t i n gr e s e a r c h ，s u c ha ss a v et i m e ， s a v em a n p o w e r , s a v er e s o u r c ea n ds oo n t h i sp a p e rb a s e do nf i n i t ee l e m e n t t h e o r y ，w a sd e a da g a i n s tt h ec h a r a c t e r i s t i co fh a r dc u t t i n g ，f o u n daf i n i t ee l e m e n t m o d e lf o rh a r dc u t t i n g i nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fc u t t i n gc o u r s e ，c o r r e c tp r e d i g e s t e dm o d e ln o t o n l ym a yi m p r o v ep r e c i s i o no fc a l c u l a t e dr e s u l t ，b u ta l s oc a l ls m a r t l yr e d u c e c a l c u l a t i n gt i m e t h ep a p e ra d o p t sp l a n es t r a i nm o d e lt od e a lw i t hp l a n a rh a r d c u t t i n g ，s m a r t l yp r e d i g e s t sc a l c u l a t e dm o d e l ；i n t r o d u c e saf u n c t i o na b o u t t e m p e r a t u r et om a t e r i a lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t ys i m u l a t i n gm a t e r i a l n o n l i n e a r i t y ；u s i n ge l e m e n tr e z o n et or e s o l v i n gc o n t a c tp e n e t r a t ep r o b l e ma n d s i m u l a t i n gc h i ps h a p e ；i m p o r t su p d a t e dl a g r a n g ei n c r e m e n tf i n i t ee l e m e n t m e t h o df o rd i s p o s i n g g e o m e t r yn o n l i n e a r i t yp r o b l e mi nt h eh a r d c u t t i n g c o u r s i n g ；a n dp r o g r a m sa nu s e rs u b p r o g r a mt or e a l i z i n gf i n i t ee l e m e n t s l o c a l s u b d i v i s i o n ，n o to n l ye n s u r i n gc a l c u l a t e dp r e c i s e ，b u ta l s os a v i n gc o m p u t e r s r e s o u r c e ；a n da d o p t sa m e n d e dc o u l o m bf r i c t i o nm o d e lt o s o l v i n gf r i c t i o n p r o b l e mi nh a r dc u t t i n g a l lt h e s em o d e l i n gm e t h o d sh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c e w o r t hf o rr e s e a r c h i n gh a r dc u t t i n gt h e o r i e s d u r i n gf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i n g ，t h ep a p e rg a i n e dh a r d c u a i n gc o u r s e s i i - 哈尔滨理t 大学工学硕i 。学位论文 s t r e s sd i s t r i b u t i n g ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n g ，a n dc h i ps h a p e ，a n dg a i n e ds h e a r i n g a n g l ed u r i n gm e a s u r et h es h e a r i n gs e c t i o n t h ep a p e rs i m u l a t e dd i f f e rs p e e da n d d i f f e rc u t t i n gt h i c k n e s s h a r dc u t t i n gc o u r s e t h er e s u l to fs i m u l a t i o n si n d i c a t e d t h a tc u t t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc u t t i n gt e m p e r a t u r ea n d c u t t i n gt h i c k n e s s w h e nc u t t i n gs p e e di sh i g h e rt h a n2 2 0m e t e rp e rm i n u t e ，t h e t r e n do fc u t t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dw o u l ds l o wd o w nd u et om e t a ls o f t e n c u t t i n gs p e e dh a sm o r ee f f e c to nc u t t i n gt e m p e r a t u r et h a nc u t t i n gt h i c k n e s s a n d i ns a m ec u t t i n gc o n d i t i o n s ，t h ec u t t i n gt o o lw i t hr o u n dc u t t i n ge d g eh a sh i g h e r c u t t i n gt e m p e r a t u r et h a nt h ec u r i n gt o o lw i t ht h ef i r s tf a c e s ou s i n gr o u n d c a t t i n ge d g ei n s t e a do ft h ef i r s tf a c ew o u l di m p r o v ec u t t i n gt o o l s t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t e dm e t h o d si nt h i s p a p e r c a n p a r t i a l l yr e p l a c e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a n de x t e n d e dt h ea p p l i e df i e l d so ff i n i t ee l e m e n tt h e o r y , a n da c c e l e r a t e dt h er e s e a r c ho fh a r dc u t t i n gt h e o r i e s k e y w o r d s h a r dc u r i n g ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；c h i ps h a p e ；p c b n t o o l s ； 一1 1 i 第1 章绪论 随着社会的发展，环境问题已经成为制约人类社会发展的因素之一。制造 业是人类创造财富的支柱产业，同时又是产生环境污染的主要行业之一l l - 3 1 。制 造过程引起的环境污染问题已经引起了世界各国的重视。国际生产工程学会一 直对生态平衡、环境保护、可持续发展给予充分重视，提倡运用有利于保护环 境的绿色制造技术。硬态干式切削技术就是一种具有环保性质的切削加工技 术。 硬态切削是指采用超硬刀具对硬度大于h r c 5 0 的淬硬钢进行精密切削的 加工工艺，是现代最富有生气的切削技术之一。与磨削相比，其刀具费用低、 加工工时短、容易实现干切削加工i “”。硬态切削具有良好的加工柔性、经济性 和环保性能，在精磨工序中采用硬态切削是加工淬硬钢的最佳选择【6 - ”。硬态切 削加工的机械技术条件主要有：系统刚度高。基础稳定，热对称稳定性好，运 动驱动系统结构合理并实现无振动传动，工作轴的运动精度高等。然而，目前 硬态切削加丁技术仍然未被广泛采用，其主要原因不仅是由于企业对硬态切削 加工机理及刀具的使用技术未完全了解和掌握，同时也因为硬态切削工艺中一 些不稳定的因素制约了它的推广应用。硬态切削加工技术已引起世界范围内制 造业和科研机构的高度重视和极大兴趣，推广硬态切削加工技术仍存在一定障 碍，主要有：如何使已加工表面保持稳定的表两粗糙度和尺寸精度；加工表面 质量能否满足零件的工况需要并具有一定的寿命；如何进行硬态切削加工刀具 的选择、使用、成本控制等。 立方氮化硼( c b n ) 是氮化硼b n 的同素异构体之一，其结构与金刚石相 似。立方氮化硼的硬度略次于金刚石，但却远远高于其他高硬度材料。聚晶立 方氮化硼( p c b n ) 刀具非常适合于硬态材料的高速切削、干式切削，并能加 t 会刚石刀具所不能加工的黑色金属材料，特别适合数控设备及自动化生产线的 使用。p c b n 刀具有很高的耐磨性，其使用寿命远远高于硬质合金，可加工大 部分高硬度材料，在许多场合可以以车、镗、铣等代磨加工工艺，能使被力u 1 零件获得高的精度和良好的表面质量，并大大提高生产效率。p c b n 刀具的切 削性能主要体现在以_ f 几个方面1 9 i ： 啃尔滨理 ：人学下学坝l 学位论义 1 ) 具有较高的硬度和耐磨性，c b n 的| f 纣热性可达l4 0 0 15 0 0 ，p c b n 在8 0 0 时的硬度还高于陶瓷和硬质合金的常温硬度。 2 ) 具有很高的热稳定性，c b n 晶体结构与金刚石相似，化学键类型相 同，品格常数相近，因此具有与金刚石相近的硬度和强度。c b n 微粉的显微硬 度为h v 80 0 0 90 0 0 ，其烧结体p c b n 的硬度一般为h v 30 0 0 50 0 0 。 3 ) 具有优良的化学稳定性，c b n 的化学惰性特别大，在l2 0 0 13 0 0 时 也不与铁系材料发生化学反应，与碳在20 0 0 时才发生反应；在中性、还原性 的气体中，对酸碱都是稳定的，对各种材料的粘结、扩散作用比硬质合金小得 多。 4 ) 具有较好的导热性，在各类刀具材料中c b n 的导热性仅次于金刚石， 导热系数为13 0 0 w ( m ) ，是紫铜的3 2 倍，是硬质合金的2 0 倍，而且随着 温度的升高，p c b n 导热系数是增加的。 5 ) 具有较低的摩擦系数，与不同材料f n j 的摩擦系数c b n 为0 t o 3 、硬 质合金为0 ，4 o 6 ，随着切削速度的提高，摩擦系数是减小的。 6 1p c b n 刀具切削淬硬钢时的金属软化效应。p c b n 刀具的重要用途之一 是加工硬质材料，由于它的高温硬度和热稳定性，因此可以进干亍高速切削，切 削热使被切削层金属软化、硬度降低而易于切削加工，刀具仍然保持高硬度。 p c b n 刀具的这一特性被称为金属软化效应。产生会属软化效应的决定性因素 是切削温度。实验证明，对轴承钢g c r l 5 材料，h r c 5 0 是切削机理产生变化的 临界点，产生金属软化效应的条件是硬度要大于h r c 5 0 。另外，h r c 5 0 也是区 分其普通切削与硬态切削的硬度临界值。 可见，p c b n 刀具具有优良的切削性能，具有广阔的运用前景。在国外， p c b n 刀具已广泛用来加工淬硬钢、高硬度铸铁和抗磨零件，并带来了巨大的 经济效益。例如荷兰的h em b r u g 公司在m i k r o t u r nc n c 系列的超精车床上采 用p c b n 刀具精车淬硬后的e n 2 1 轴承钢( h r c 6 2 ) 、美国国家标准工艺研究 院y k e v i nc h o u 和c h r i sj e v a n s 采用s u m i t o m ob n 系列的p c b n 刀具加工 a i s im 5 0 钢( h r c 6 2 6 4 ) 、英国d eb e e r s 工业金刚石公司m a f l e m i n g 博士 在d e l t at u r n 4 0 车床上采用a m b o r l t ed b n 4 5 刀具车削e n 3l 轴承钢等都实 现了p c b n 刀具加工淬硬钢的纳米切削【l o l 。国内p c b n 刀具的使用还不够广 泛，主要是由于对p c b n 刀具的认识不够，技术支持不够。随着国内对p c b n 刀具的不断研究，刀具性价比的不断提高p c b n 刀具必将广泛运用于制造工 业，推动中图制造业的发展。 ：墼尘鋈些三叁兰三兰垒：! ；兰些篁塞： = 1 2 有限元理论和有限元软件 1 2 1 有限元的基本思想 有限元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。这种方法首先 是将连续的求解区域离散为一组有限个单元( e l e m e n t ) 的组合体，而且认为 单元之间只通过有限个点连接起来，这些连接点称为节点( n o d e ) 。单元与节 点是有限元法中最基本的西个术语。有限元法利用在每一个单元内假定的近似 函数分片的表示全求解域上待求的未知场函数( 如位移场、应力场) 。单元内 的近似函数通常由未知场函数( 或者包括其导数) 在单元内各个节点的数值通 过函数插值柬表示。这样，未知场函数( 或者包括其导数) 在单元内各个节点 的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变 成离散的有限自由度问题。经求解出这些未知量，就可以通过函数插值计算 出各个单元内场函数的近似值。显然，随着单元数量的增加，也即单元尺寸的 减小，解的近似程度将不甑改进。但是，并不是单元越多，网格越密，解答就 越接近于精确解。所以对假定的未知场函数进行收敛性分析，是有限元法必须 研究的一个问题。 出于单元本身可以有不同的形状，所以对几何形状复杂的问题都可以方便 的离散化，因此，有限元法可以处理各种复杂因素，如复杂的几何形状、任意 的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等，它们都能用 有限元法灵活的求解。在工程中，有限元法也得到了广泛的运用。 典型的有限元法的分析步骤主要有： 1 ) 连续体的离散化。也就是将给定的物理系统分割成等价的有限元系 统。 2 ) 选择位移模型。通过假设的位移函数或模型来近似的表示单元内真实 位移分布。通常假设位移函数为多项式。 3 ) 用变分原理推导单元刚度矩阵。单元刚度矩阵是根据最小位能原理， 由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点和节 点力联系起柬，将物质受到的分布力变换为节点处的等价集中力。其平衡关系 为如下的线性代数方程组： g q = f( 1 - 1 ) 式中：单元刚度矩阵；g 一节点位移矢量；产一节点力矢量。 呛尔演理t 人学t 学坝l ：学位论文 4 1 集叶1 整个离散化连续体的代数方程。也就是把各个单元的刚度矩阵集 合成整个连续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载衙矢 量。其方程为： 魍= f ( 1 - 23 式中：k 一总刚度矩阵；q 一整个物体的节点位移矢量； f 一总载荷矢量。 这样在得出物理系统的基本方程后，还需要考虑其边界条件和初始条件，才能 得 h 整个方程的解。 5 ) 求解位移矢量。既求解上述代数方程，对于非线性问题，在求解的每 一步都要修正刚度矩阵和载荷矢量。 6 ) 由节点位移计算出单元的应变和应力。根据具体要求，还可计算出其 它一些导出量。 1 2 2 有限元法的发展概况 有限元法基本思想的提出，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作，他第一 次尝试应用定义在三角形区域的分片连续函数和最小势能原理求解圣维南 ( s t v e n a n t ) 扭转问题。但由于当时没有计算机这一工具，没能用来分析工程 实际问题，因而未得到重视和发展。 现代有限元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平 面问题，这是t u r n e r 、c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。 他们第一次给出了用三角形单元求平面问题的正确解答，他们的研究打丌了利 用计算机求解复杂问题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 将这种方法命名为有限元 法。 1 9 6 3 至1 9 6 4 年，b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等人证明了有限元法是基于 变分原理的呈兹( r i t z ) 法的另一种形式，从而使里兹分析的所有理论基础都 适用于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用 变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是，有限元法假设的近似函 数不是在全求解域上规定的，而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何 边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。有限元法在工程中应 用取得了巨大成功，引起了数学界的关注。2 0 世纪6 0 至7 0 年代数学工作者对 有限元法的误差、解的收敛性和稳定性等方面进行了卓有成效的研究，从而巩 固了有限元法的数学基础。 喻尔滨理下人学丁学倾i 学位论文 四1 多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板 壳问题，由静力问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹 性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力 学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到 优化设计，并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，随着现代力学、计算 数学和计算机技术等学科的发展，有限元法作为一个具有巩固理论基础和一泛 应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的 作用，其自身亦得到进一步的发展和完善。 1 2 3 有限元法的函数选择和收敛性 有限元法的分析过程都依赖于假定的单元位移函数或位移模式。因此，为 了满意的解答，必须使假定的位移场尽可能逼近弹性体的真实位移形态。如果 假定的单元位移场与弹性体的真实位移场完全一致，有限元解便是精确解。在 连续体弹性力学有限元法中，一般找不到真实位移场，所以只能得到近似解 答。单元的位移函数一般采用以包含若干待定参数的多项式作为近似函数，称 为位移多项式。有限项多项式选取的原则考虑以下几点： 1 ) 待定参数是由节点场变量确定的，因此待定参数的个数与单元的自由 度数相同。 2 ) 对于应变由位移的一阶导数确定的场问题，选取多项式时，常数项和 坐标的一次项必须完备。位移函数中常数项和坐标的次项分别反映了单元刚 度位移和常应变的特性，当划分的单元数趋于无穷时，单元趋于无穷小，此时 单元应变趋于常应变。而当节点位移是由某个刚体位移引起时，弹性体内不应 该有应变，这些特性必须在选择的位移多项式中予以体现。同理，对于应变由 位移的二阶导数定义的场问题，常数项、次项和二次项必须完备。 3 ) 多项式的选取应由低阶到高阶，尽量选取完整性阶数高的多项式以提 商单元精度( 称为单元的完备性) 。若由于项数限制不能选取完整多项式，选 取的多项式应尽可能具有坐标的对称性( 称为几何不变性) 。 收敛性对于有限元法很重要。有限元法的收敛性是指当网格逐渐加密时， 有限元解答的序列收敛到精确解；或者。当单元尺寸固定时，每个单元的自由 度数越多，有限元的解答就越趋近于精确解。有限元法的收敛条件包括以下几 个方面： 1 ) 单元内，位移函数必须连续。多项式是单值连续函数，因此选择多项 ： ! ! 垒堡些三叁兰三兰尘! ! 兰竺篁兰 式作为位移函数，在单元内的连续性能够保证。 2 ) 在单元内，位移函数必须包括常应变项。每个单元的应变状态总可以 分解为不依赖于单元内各点位置的常应变和山各点位置决定的变量应变。当单 元的尺寸足够小时，单元中各点的应变趋于相等，单元的变形比较均匀，因而 常应变就成为应变的主要部分。为反映单元的应变状态，单元位移函数必须包 括常应变项。 3 1 在单元内，位移函数必须包括刚体位移项。一般情况下，单元内任 点的位移包括形变位移和刚体位移两部分。形变位移与物体形状及体积的改变 相联系，因而产生应变；刚体位移只改变物体位嚣，一i 改变物体的形状和体 积，即刚体位移是不产生变形的位移。 4 ) 位移函数在相邻单元的公共边界上必须协调。对一般单元而言，协调 性是指相邻单元在公共点处有相同的位移，而且沿单元边晃也有棍同的位移， 也就是说，要保证不发生单元的相互脱离开裂年啪互侵入重叠。要做到这一 点，就要求位移函数在公共边界上能由公共节点的函数值唯一确定。 以上前三条又叫完备条件，满足完备性条件的单元叫做完备单元，第四条 是协调性要求，满足第四条的单元叫做协调单元。完备性要求是收敛的必要条 件，四条件全部满足，构成收敛的充分必要条件。 需要指出的是，有时非协调单元比它对应的协调单元还要好，其原因在。r 近似解的性质。假定位移函数就相当于给单元旄加了约束条件，使单元变形服 从所加的约束，这样的替代结构比真实结构更刚一些。但是，这种近似结构由 于允许单元分离、重叠，使单元的刚度变软了，或者形成了铰。对于非掷调单 元，上述两种影响有误差相消的可能，因此利用非协调单元有时也会得到很好 的结果。在工程实践中，非协调单元必须通过“小片试验”后d 能使用。 1 2 4 通用有限元软件的特点 有限元法的高度通用性与实用性导致了有限元通用程序的发展。四十多年 来，有限元通用软件的发展在数量和规模上是惊人的。国际上通用的有限元商 用软件有a b a q u s ，a d i n a ，a n s y s ，m a r c ，n a s t r a n ，s a p 等。这些 通用有限元软件具有一些共同的特点，体现在以下几方面： 1 ) 功能强大。一般都可以进行多种物理场分析，如会属、温度场分析、 电磁场分析、流场分析、多场耦合分析等。 2 ) 具有丰富的材料库。可以处理多种材料，如金属、土壤、岩石、塑 ： ! 塞尘鎏些三查兰三兰丝! ：兰篓：篁兰 料、橡胶、木材、陶瓷、混凝士、复合材料等。 3 ) 具有多种自动网格划分技术，自动进行单元形态、求解精度检查及修 萨。 4 ) 具有强大的后处理及图象显示功能。 5 ) 具有与多种c a d 系统直接连接的接口。 6 1 具有良好的用户开发环境。 7 ) 具有良好的培训和维护能力。 8 、技术成熟，已推向市场多年，版本不断更新。 但是，每种有限元软件又有各自的特点。了解他们各自的功能和优缺点， 有利于我们根据自己所要解决的问题选取合适的软件。 1 ) n a s t r a n 及m s c 公司系列软件 1 9 6 6 年美国国家航空航天局c n a s a ) 为了满足当时航空航天工业对结构分 析的迫切需求，主持开发了大型应用有限元程序，1 9 6 9 年n a s a 推出了第一 个n a s t r a n 版本稍a s t r a nl e v e l1 2 ，而后有多家公司对n a s t r a n 进行 维护改进，推出了多个不尽相同的版本，如m s c n a s t i 认n 、c s a n a s t r a n 、u a i n a s t r a n 、m e n a s t r a n 、s a s n a s t r a n 、c o s m i c n a s i ：r a n 、n e n a s t r a n 和v r n a s t r a n 等。其中，m s c 公司对原 始的n a s t r a n 做了大量改进，采用全新的单元库，增强了程序的功能，改进 了用户界面，提高了运算精度和效率。发展至今，m s c n a b t r a n 溶入了许 多f e m 领域的最新研究成果。同时，m s c 公司经过开发、并购和代理销售， 提供完整行业产品生命周期管理求解方案，其主要产品包括： m s c p a l r a n ：是 二业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统 之一，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用 户化和交互图形界面集于身，构成一个完整c a e 集成环境。 m s c g s - - m e s h e r ：快速、高效、便捷、一键即成的复杂几何模型网格生 成器，可直接读入u g 、c a t i a 、p r o e 、p a r a s o l i d 核心等各种c a d 几何模型， 并自动识别和修复模型中存在的缺陷，快速产生高质量的有限元网格，对大规 模复杂模型尤为有效。 m s c n a s t r a n ：是目前在美国联邦航空管理局( f a a ) 的工业标准的原代 码程序，其分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模 块化功能选项，m s c n a s t r a n 的主要功能模块有：基本分析模块( 含静力模 态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等) 、动力学分析模块、热传导模 块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单7 i 分析模块、气动弹 竺垒堡些! ：叁兰! ；兰堡! ；i 鳖：篁釜：= ： = ： 分析模块、d m a p 用- j i ：发工具模块及高级对称分析模块。m s cm a r c ：当 时在b r o w n 大学任教的p e d r om a r c a l ，为了第一个非线性商用有限元程序进入 市场，于t 9 6 9 年建立了个公司，程序命名为m a r c 。目前它仍然是主要软 件，使用隐式时日j 积分的非线性动态响应分析。m a r c 独立发展了2 0 多年， 在2 0 世纪9 0 年代未合并于m s c 公司，成为m s c m a r c 。它是功能齐全的高 级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。可以处理各种线一性和非线性 结构分析。为满足：亡业界和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、 能够在多种硬件平台上运行的系列产品。m s c m a r c 包括如下模块： m s c m a r c m e n t a t ，m s c m a r c 是高级非线性有限元分析模块，m e n t a t 是m a r c 的前后处理图形对话界面。两者严密整合的m s c m a r c m e n t a t 成 为解决复杂工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。 m s c d y t r a n ：是一个有着通用目的和广泛用途的非线性动态三维有限元分 析软件包，它集合了l s d 1 n q a 和p i s c e s 两种软件的功能。它采用高效的 显式时间积分技术，能模拟多种材料和几何的高度非线性问题。尤其在模拟高 速碰撞、结构和零部件的大变形、液气体流动、流固耦合等方面。 m s c d y t r a n 具有很强的功能。 m s c f a t i g u e ：是进行结构疲劳寿命分析的模块。可进行仝寿命分析、初 始裂纹分析、裂纹扩展分析、基于频域或时域的振动疲劳分析、点焊和缝焊的 疲劳分析、旋转件疲劳分析、虚拟应变片测量和应变花分析，以及多轴初始裂 纹和安全因子分析等。 2 1d e f o r m 3 d ( 三维) 适用于各种常见的u n i x 工作站平台( h p ，s g i ，s l f n ，d e c ，i b m ) 和 w i n d o w s n t 微机平台。可以分析复杂的三维材料流动模型。用它来分析那些 不能简化为二维模型的问题尤为理想。 d e f o r m 用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作 用，各种现象之间相互耦合。拥有相应的模块以后，这些耦合效应将包括：由 于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、 相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等。 3 ) a b a q u s d a v i dh i b b i r t 博士是a b a q u s 软件的奠基入，也是有有限元软件的杰出 贡献者之一。h i b b i t t 与p e d r om a r c a l 教授合作到了1 9 7 2 年后来与其他人合 作建意了h k s 公司，使a b a q u s 商用软件进入市场。由于该程序是能够引导 研究人员增加用户单元和材料模型的早期有限元程序之一，它对软件行业带来 ：坠尘堡竺：! ：叁耋! ；兰竺! ；耋竺里兰： ： 了实质性的冲击，a b a q u s 软件包括下列程序： a b a q u s c a e ：这是用于建立a b a q u s 模型的交互式前后处理程序， 用以建模和监视分析，以及评估结果。a b a q u s c a e 包括具有特征参数的建 模和强大的划分网格的能力，以及支持广泛的a b a q u s 求解器功能。 a b a q u s h e w e r 作为一个后处理模块包含在a b a q u s c a e 之中，它提供 变形图、等值线图和x y 陶，能轻而易举地生成动画。a b a q u s v i e w e r 支 持所有a b a q u s 功能。 a d a q u s s t a n d a r d ：这是通用有限元分析程序，具有几乎所有的线性和 非线性分析功能，如静力、动力、热力耦合、刚体动力学、力电耦合以及使用 隐式时间积分的非线性动态响应分析。a b a q u s d e s i g n 是a b a q u s s t a n d a r d 附加的分析能力，允许用户进行设计灵敏度分析( d s a ) 计算特定设 计参数相关的输出变量及其导数。 a b a q u s e x p l i c i t ：这一程序提供了固体及使用显式时间积分的结构非 线性、瞬念动力响应分析。它的强大的接触能力、可靠性以及对特别大的模型 的高计算效率也使它非常有效地应用于包含不连续非线性响应的准静态分析。 a b a q u s a q u a ：这是一组波浪载荷、拖动和浮力计算功能的程序，与 a b a q u s s t a n d a r d 模块组合以模拟海洋石油平台管道和电缆系统。 a b a q u s s a f e ：这一产品计算有限元模型的疲劳寿命和疲劳强度储备园 予以确定部件的疲劳寿命。 在交互产品中还有：a b a q u s a d a m s ：这一产品允许a b a q u s 有限元 模型作为柔性部件加入m d ia d a m s 产品家族中。a b a q u s c a t ：这一产品 是a b a q u s 和c a t i a 之问直接的、双向的交互界面，c a t j a 是d a s s a u l t s y s t e m s 的c a d 产品。a b a q u s c - - m o l d ：这一产品从塑性填充分析程序 c - - m o l d 转换有限元网格、材料性能和初始应力数据到a b a q u s 输入文 件。a b a q u s m o l d f l o w ：这一产品从聚合物加工过程仿真程序 m o l d f l o w 转换有限元网格、材料性质和初始应力数据到a b a q u s 输入文 件。 4 ) a n s y s 2 0 世纪6 0 年代末期，j o h ns w a n s o n 为了核能应用在w e s t i 咖e 发展了 一个大型线性和非线性有限元程序，后命名为a n s y s 。其多场耦合分析功能 ( 压电、交变磁场、热、流体、声) 和灵活方便的用户界面博得了用户的钟爱。 因其率先丌i 发出微机版本，发展了大批的有限元用户群。a n s y s 软件系统主 要包括： ：! ! 尘鎏竺三查茎三兰竺：! i 耋竺篁兰 a n s y s m u l t l p h y s i c s ：多物理场仿真分析工具，融结构、热、流体、电 磁及多场耦合分析为一体，模拟求解复杂、规模巨大的工程问题。 l s d y n a ：显式瞬态动力分析工具，是显式为主、隐式为辅的非线性瞬 态动力分析程序，其独特的算法非常适用于求解碰撞、爆炸、金属成型等高速 高度非线性问题。并在此基础上开发了汽车虚拟试验场专用软件v p g 、跌落仿 真专用软件d r o pf e s t 、板成形专用软件d y n a f o r m 等。 d e s i g ns p a c e ：这是专门为设计人员定制的设计前期c a e 工具，它可集成 于各类主流的c a d 系统，与c a d 软件进行双向参数传递，同时具有与p d m 系统的接口，管理和比较多种设计方案。 d e s i g nx p l o e r e ：这是多目标快速优化工具，其优化参数可以来自c a d 系 统、a n s y s 或d e s i g ns p a c e ，优化后的参数可返回c a d 系统，修改几何模 型。另外还有高频电磁f e m 法专用软件a n s y se m a x ，高频电磁m o m p o u t d 混合法专用软件f e k o 和m e m s 设计工具m e m s p r o 等。 5 ) d y n a 直到2 0 世纪9 0 年代，商用有限元程序集中在静态解答和隐式方法的动态 解答。当代非线性软件的另一分支是显式有限元程序。显式有限元程序发展的 里程碑来自于l a w r e n c el i v e r m o r e 实验室的j o h nh a l l q u i s t 的工作。1 9 7 5 年 j o h n 开始工作，1 9 7 6 年首先发布d y n a 程序。他吸取了许多前入的成果，并 且与b e r k e l e y 的研究人员紧密交流合作，包括j e r r yg o u d r e a u 、b o bt a y l o r 、 t o mh u g h e s 和j u a ns i m o 。他成功的关键因素是与d a v eb e n s o n 合作发展了接 触碰撞相互作用和令人敬畏的编程效率以及计算程序d y n a 一2 d 和d y n a 一 3 d 的广泛传播。 在2 0 世纪8 0 年代，d y n a 程序首先被法国e s i 公司商品化，命名为 p a m c r a s h ，它与w h a m s 也有许多相关的予程序。1 9 8 9 年，j o h nh a l l q u i s t 扩展了l s d y n a 一商业版的d y n a 程序。 显式有限元软件还有a b a q u s 公司的e x p l i c i t 和m s c 公司的 d y t r a n ，后者集合了l s d y n a 和p i s c e s 两种软件的功能。这些程序使用 显式时间积分计算结构非线性，分析瞬态动力响应，其强大的接触能力、可靠 性以及对特别大型模型的高效率计算也使它们非常有效地应用于包含不连续非 线性响应的准静态分析。 6 1s a p 在b e r k e l e y 开发的第二代线性程序称之为s a p ( s t r u c t u r a la r i a l v s i s p r o g r a m ) 。由b e r k e l e y 的工作发展起来的第一个非线性程序是n o n s a p ，乏具 晴尔滨删丁人学t 学坝l ：学位论义 有隐式积分进行平衡求解和瞬时问题求解的功能。j u r g e nb a t h e 是在e dw i l s o n 的指导下在b e r k e l e y 获得博士学位的，不久之后外始在m i t 任教，这期间他 发枢他的程序。这是n o n s a p 软件的派生产品，称为a d i n a 。s a p 软件经过 了s a p 4 、s a p 5 等版本的发展并实现了微机化( 如北大的s a p 5 p ) ，后来主要由 a l g o r 公司进行维护和功能扩展，推出了基于d o s 和w i n d o w s 平台的 s u p e r s a p 系列软件，除原有的弹性静动力分析功能外，增加了具有进行几 何、材料和接触等非线性分析功能的模块和图形方式的前后处理模块。a d i n a 则山j u r g e nb a t h