（材料加工工程专业论文）Thesis_Y566232.pdf

昆 明理工大学硕士研究生学 位论文 摘要 随着全球市场竞争的日 趋激烈，不断开发新产品快速响应市场已 成为制造业 市场竞争的核心。如何在尽可能短的时间内，用尽可能低的成本，生产出 质量尽 可能高的产品，己 成为企业生存和发展的重要条件。 应用现代信息技术与制造业 的结合， 大幅度提升产品的技术含量， 尽可能减少物理样机的制造，降低测试成 本，己 成为国内 机电行业的广泛共识。 在这种背景下， c a e 技术的研究与应用的 迫切性成为继c a d , c a m后的一个新热点。开展此类研究具有重要的理论意义 和广阔的应用前景。 本文论述了基于大型有限元分析软件 a n s y s 平台下，运用命令流及 a p d l 参数化设计语言编程求解、 分析问题时所涉及的一些带有共性的墓础性问题， 如 参数化建模、 材料属性的设置、网 格的划分、 边界条件及物性系数的引 入、计 算 结果的后处理等:并将其运用于焊接、工件淬火、线性静力分析等实际问 题。 利 用 a n s y s离级分析技术，如单元生与死、a p d l语言中的* g e t , * d i m, i f - t h e n - e l s e , d o 循环等语句， 解决了 材料加工数值模拟中的一些具体问 题。 应用 a n s y s命令流及 a p d l语言对具体研究问 题进行二次开发，是应用 a n s y s 分析软件的高级形式， 其优点在于研究者可以 充分应用已掌握的材料学、 计算力学等知识，按照自己的思路进行编程，然后将该程序交由a n s y s执行， 以获得对具体研究问题的模拟结果， 而且在以后研究相同 类型问题的过程中，只 需改变程序中相应的参数即 可。 所以， 对a n s y s 命令流以 及a p d l语言在其前 后处理中若干问 题的应用进行基础性研究，对于更好的使用a n s y s 软件分析与 解决工程实际问 题以 及进行高级技术开发均有很重要的指导意义。 关键词: c a e : 有 限 元 分 析 : a n s y s ; a p d l 参 数 化 设 计 语 言 ; 二 次 开 发 足明理工大学硕士研究生李往论文 abs tract wi t h t h e g r a d u a l l y d r a s ti c c o m p e t i t i o n i n t h e i n t e rn a t i o n a l m a r k e t , c o n t i n u o u s l y d e v e l o p i n g t h e n e w p r o d u c t t o q u i c k l y r e s p o n d t o t h e m a r k e t h a s b e c o m e t h e c o r e o f m a r k e t c o m p e ti t i o n i n t h e m a n u f a c t u r i n g i n d u s t ry. h o w t o u s e l e s s c o s t a n d h o w t o p r o d u c t t h e p r o d u c t w h o s e q u a n ti t y i s h i g h e r a t s h o r t t i m e h a s b e c o m e t h e i m p o r t a n t t e r m o f t h e b u s i n e s s e n t e r p r i s e t o e x i s t a n d d e v e l o p . t h e c o m b i n a t i o n o f m o d e r n i n f o r m a t i o n t e c h n i q u e a n d m a n u f a c t u r i n g i n d u s try , r e m a r k a b l y p r o m o t e t h e p r o d u c t s t e c h n i c a l c o n t e n t , p o s s i b l y r e d u c e t o p r o d u c e p h y s i c s m a c h i n e , a n d d e c r e a s e t h e c o s t o f t e x t . i t h a s b e c o m e e x t e n s i v e c o m m o n g r o u n d o f m a c h i n e a n d e l e c t r i c i n d u s t r y i n c h i n a . u n d e r t h i s k i n d o f b a c k g r o u n d , t h e u r g e n c y o f r e s e a r c h a n d a p p l i c a ti o n o f t h e c a e t e c h n i q u e b e c o m e a n e w h o t p o i n t a ft e r t h e c a d , c a m t e c h n i q u e . d e v e l o p i n g t h i s k i n d o f r e s e a r c h h a s t h e i m p o r t a n t t h e o r i e s m e a n i n g a n d e x p a n s i v e a p p l i e d f o r e g r o u n d . b a s e d o n f e a a n a l y s i s s o ft w a r e - a n s y s , t h i s t e x t d i s c u s s e d t h e a p p li c a ti o n o f t h e c o m m a n d f l u i d a n d a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e t o s o l v e , a n d s o m e f o u n d a ti o n a l p r o b l e m s w i t h c o m m o n n e s s i n a n a l y s i s , f o r e x a m p l e , p a r a m e t ri c m o d e l i n g , s e t t i n g m a t e ri a l p r o p e r t y , c a r v i n g u p m e s h , i m p o r t i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n a n d p h y s i c s p r o p e r t y , a n d p o s t d i s p o s a l o f t h e r e s u l t a n d s o o n ; a n d a p p l y t h i s t o t h e a c t u a l p r o b l e m s i n w e l d , q u e n c h i n g a n d s t a t i c l i n e a r a n a l y s i s . ma k i n g u s e o f t h e a n s y s h i g h - c l a s s a n a l y s i s t e c h n i q u e , f o r e x a m p l e , t h e l i f e a n d d e a t h o # e l e m e n t , t h e“* g e t , * d i m, i f - th e n - e l s e , d o s e n t e n c e s i n a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e , c a n r e s o l v e s o m e c o n c r e t e p r o b l e m s o f n u m b e r s i m u l a ti o n in m a t e r i a l p r o c e s s . u s i n g a n s y s c o m m a n d f l u i d a n d a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e t o t o w t i m e s d e v e l o p m e n t i n c o n c r e t e p r o b l e m i s t h e a d v a n c e d f o r m i n u s i n g a n s y s . i t s a d v a n t a g e c o n s i s t i n r e s e a r c h e r c a n a d e q u a t e l y u s e t h e k n o w l e d g e i n m a t e ri a l a n d c o m p u t a ti o n a l d y n a m i c s e t c . t h a t h e h a s a lr e a d y t e a m. h e c a n p r o g r a m a c c o r d i n g t o h i s o w n w a y o f t h i n k i n g , a n d t h e n h a n d o v e r t h a t p r o c e d u r e t o b e c a r r i e d o u t b y 飞 昆明 理工大学硕士研究生学 位论文 a n s y s i n o r d e r t o o b t a i n t h e s i m u l a t i v e r e s u l t a i me d t o c o n c r e t e p r o b l e ms . l i k e t h i s , i n t h e p r o c e s s o f r e s e a r c h i n g t h e s a m e t y p e p r o b l e m s o n s o m e d a y , h e o n l y n e e d c h a n g e p a r a m e t e r . t h e r e f o r e , p r o c e e d i n g f o u n d a t i o n a l r e s e a r c h o n a p p l y a n s y s c o m m a n d fl u i d a n d a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e t o r e s o l v e s o m e p r o b l e m in p r e p a n d p o s t d i s p o s a l o f a n s y s i s v e ry i m p o rt a n t . i t h a s t h e l e a d i n g m e a n i n g t o b e t t e r u s e a n s y s s o ft w a r e t o a n a l y s i s a n d r e s o l v e a c t u a l p r o b l e m o f e n g i n e e r i n g , a n d t o c a r ry t h r o u g h h i g h c l a s s t e c h n i q u e d e v e l o p m e n t . k e y w o r d s : c a e ; f e a ; a n s y s ; a p d l -a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e ; s e c o n d d e v e l o p m e n t v5 6 6 2 3 2 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。 除文中已 经注明引用的内 容外， 本论文不含 任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由 本人承担。 * ir il )z fl 4 t- z : 苏森 日 期: 2n 弓年 犷月 2日 昆明理工大学 硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着全球市场竞争的日趋激烈，不断开发新产品快速响应市场已成为制造业 市场竞争的核心。如何在尽可能短的时间内，用尽可能低的成本，生产出质量尽 可能高的产品，已 成为企业生存和发展的重要条件 ， 。应用现代信息技术与制造 业的结合，大幅度提升产品的技术含量，尽可能减少物理样机的制造，降低测试 成本【 2一 3 ， ， 己 成为国内外制造业的广泛共识。 虚拟产品开发技术就是在这样的时代 背景下产生的，它属于当今最新的产品开发技术。 虚拟产品开发是建立在利用计算机完成产品开发过程构想的基础之上的， c a d , c a e , c a m及虚拟现实是虚拟产品开发技术的主要支撑技术。虚拟产品开发 技术以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并 行工程、网络技术、多媒体技术等技术为一体，在虚拟的条件下，对产品进行构 思、 设计、 制造、 测试和分析4 - 5 1 。 它的显著特点之一是利用存储在计算机内 部的 数字化模型电子样机来代替实物模型进行仿真、 分析， 从而提高产品在时间、 质量、成本、服务和环境等多目 标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成 功的目的。 c a d 技术发展到现在的三维数字化特征建模， 在我国已得到广泛应用。 而 c a m 技术是继c a d 技术之后，随着数控加工技术的发展和广泛应用而引入的计算机辅 助制造技术，在一些大型机电行业得到应用，特别是在传统产品的生产及仿制或 仿求国外产品的生产中6 。而c a e 技术则是最近才引起国内 机电 行业重视的计算 机辅助技术，它是指在零件或整机的数字化特征建模完成之后，运用有限元及边 界元等数值分析方法，对零件或整机进行结构、动力、运动等一系列分析的计算 机辅助分析方法，它是 c a t( 计算机辅助测试) 、c a d( 计算机辅助设计)等技术 的综合和高级应用形式。c a e与c a d 和 c a m技术构成了当今计算机技术在机械设 计及制造领域最重要的三大支撑技术。 传统的机电产品开发是在产品零件的设计过程中，运用传统的材料力学、机 械零件设计或类比的方法对一些重要零件进行强度校核，一般只注重于单个零件 和力的作用，但在现实生产中，需要对产品进行复杂工况下全局的分析及优化。 许多机电产品往往工作在一些复杂的物理环境中，如高温、磁场、流场等。对零 昆明理工大学硕士研究生学位论文 部件强度、寿命的影响己不仅仅是力的作用，而是热、力、磁等的祸合作用。而 制作零件的材料在高温、强磁作用下，其物理、力学性能将发生巨大的变化，而 且这种变化往往是非线性的。在理论上，这些问题的研究和解决，己属于非线性 弹性力学或弹塑性力学的范畴。因此， c a e 技术的研究和应用应该是机械、力学、 ( 包括固体力学、流体力学)传热学、电磁学和材料学等学科的交叉和结合。而 这一点恰恰是机电行业产品开发人员所欠缺的。采用c a e 技术以后，对于大型复 杂结构产品的设计和制造，能够通过计算机模拟产品的加工过程和工作过程，以 产品的寿命设计为目标，进行强度校核、缺陷预测、提出改进方案，再重新进行 模拟， 直至产生最佳的设计和工艺方案7 - 9 。 这就减少了传统产品设计制造中试验 和修正的次数，大大缩短了产品的开发周期，提高了产品的质量。 c a e技术通常建立在有限元和边界元分析的基础上，目前国际上知名的 c a e 软件有 n a s t r a n , a n s y s , a s k a , m a r c , a d i n a , a b a q u s , m o d u l e f , d y n - 3 d 等。在 国外， c a e 技术的发展十分迅猛，一些发达国家己经将c a e 仿真分析作为产品设 计与制造流程中不可逾越的工艺规范加以实施， 而且对工业界产生了巨大的影响。 比较成功的例子是在波音7 7 7 和欧洲空中客车制造中的应用，通过c a e 技术模拟 其风洞实验及由发动机引起的结构温度分布等，其开发周期分别从原来所需的 8 年和4 年降至如今的5 年和2 . 5 年。另一个例子是世界各著名的汽车厂商在开发 新型汽车时，将物理样车的碰撞实验通过c a e 技术改为在计算机上电子样车的模 拟碰撞实验，大大提高了新产品开发的速度。 我国c a e 技术的开发和应用仍处于起步阶段， 与 c a d , c a m 技术相比，国内对 c a e 技术的应用尚未引起足够的重视， 主要原因: ( 1 ) 自主开发新产品的能力不足， 多采用仿求、仿制的方法;( 2 ) 由于 c a e运用涉及多学科的交叉，企业产品开发 人员在数学、力学、 材料学等方面的知识以 及综合能力不够，因而造成c a e 技术 的运用落后于c a d , c a m 技术的状况。 我国航天、 核工业、军事等领域是最近开始 引入该技术的行业。近年来，随着企业自 主开发产品能力的增强以及国内外市场 竞争的压力，该技术己 进入汽车、机械制造、材料加工、建筑等行业。我省昆明 船舶设备集团有限公司、云内动力股份有限公司己着手与高校合作，准备引入这 项技术。因此，利用高校学科门类齐全的明显优势，开展c a e 技术的应用研究， 培养掌握该技术的高级专门人才，对加强我省机电行业新产品的研发能力、开发 具有独立自主知识产权的机电产品以及提高产品和企业的竞争能力，无疑是十分 重要的。 c a e技术是开发具有自 主知识产权机电产品过程中必不可少的关键技术，随 昆明理工大学 硕士研究生学 位论文 着计算机技术、 有限元理论及计算机图形学等有关学科的发展， c a e 这门 基于 现代计算力学有限单元法 ( 简称有限元法)分析技术、依赖于数值计算、解决工 程问题的学科将步入飞速发展时期;随着知识产权保护工作的加强、产品更换周 期的缩短以及客户需求日 趋个性化，各厂家加大了自主开发新产品的力度，特别 是我国加入w t o以后，开发具有独立自 主知识产权产品，参加国际竞争的重要性 已成为国内 机电 行业的广泛共识。在这种背景下， c a e技术的研究与应用的迫切 性成为继c a d , c a m 后的一个新热点。 此类研究的选取具有重要的理论意义和广阔 的应用前景。 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第二章c a e 技术的发展历程及应用现状 2 . 1 c a 技术的发展历程 近2 0 年， 在市场需求的推动下， c a e 技术有了长足的发展， 有限元理论的逐 步成熟及计算机硬件的迅速发展使得c a e 技术应用经历了从上世纪6 0 年代的探索 发展时期， 7 0 年代至8 0 年代的独立发展专家应用时期， 直到9 0 年代与c a d 相辅 相成的共同 发展、 推广使用时期u o 由于6 0 - 7 0 年代，有限元的理论尚处在发展阶段，这个时期c a e 技术主要针 对结构分析问题进行发展，同时在商业需求的推动下，先后研制出了 s a d s a m ( s t r u c t u r a l a n a l y s i s b y d i g i t a l s i m u l a t i o n o f a n a l o g m e t h o d s ) 结构 分析软件、 m s c / n a s t r a n , s d r c动力学侧试及模态分析软件、s u p e r t a b( 后并入 i - d e a s ) , a n s y s . 7 0 - 8 。 年代是c a e 技术的蓬勃发展时期， 在此期间，先后推出了一系列有限 元分析软件， 如m a r c , a d a m s , a b a q u s , c s a / n a s t r a n , f i d a p , p o l y f e m , l s - d y n a 及l s - n i k e 3 0 , f 1 o t h r m ; 这个时期， c a e 的发展有如下特点:( 1 ) 使用领域多集中 在航空、 航天、 核工业、 军事等几个方面;( 2 ) 有限元分析技术在结构分析和场分 析领域获得了很大的成功，从力学模型开始拓展到各类物理场 如温度场、电 磁 场、声波场等)的分析:从线性分析向 非线性分析 ( 如材料为非线性、几何大变 形导致的非线性、 接触行为引起的边界条件非线性等)发展;从单一场的分析向 几个场的祸合分析发展。 时至上世纪9 0 年代，上述c a e 软件在逐步完善自 身的功能之外，一些 c a d 软件c a t i a , c a d d s , u g 都增加了 基本的c a e 前后处理及一般线性、 模态分析功能. 2 . 2 c a e 技术的应用现状 计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计 算机仿真分析。一方面，c a e技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复 杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答:另一方面，计算机辅助分析使大 量复杂的工程分析问题科学化， 使复杂的过程层次化， 节省了 大量的时间， 避免 昆明理工大学硕士研究生学位论文 了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品 的开发等方面发挥了重要作用，同时c a e 这一新兴的数值模拟分析技术在国外得 到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。 2 . 2 . 1 国外c a e 技术概况 在影响计算机辅助工程技术发展的诸多因素中， 人才、计算机硬件和分析软 件是三个最主要的方面。现代计算机技术的飞速发展，己经为c a e 技术奠定了良 好的硬件基础。 多年来， 重视c a e 技术人才的培养和分析软件的开发和推广应用， 发达国家不仅在科技界而且在工程界已经具有一支较强的掌握c a e 技术的人才队 伍，同时在分析软件的开发和应用方面也达到了 较高水平。 美国 于 1 9 9 8 年成立了 工程计算机模拟和仿真学会( c o m p u t e r m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n i n e n g i n e e r i n g ) ， 其它国 家也 成立了 类似的 学术 组织 fi ll . 各国 都 在 投入大盈的人力和物力，加快人才的培养。正是各行业中大批掌握c a e 技术的科 技队伍推动了c a e 技术的研究和工业化应用，c a e 技术在国外已经广泛应用于不 同 领域的科学研究，并普遍应用于实际工程问 题， 在解决许多复杂的工程分析方 面发挥了重要作用. 国外对 c a e技术的开发和应用真正得到高速的发展和普遮应用则是近年来 的 事。这一方面主要得益于计算机在高速化和小型化方面取得的 成就，另一方面 则有赖于通用分析软件的推出和完善。早期的c a e 分析软件一般都是基于大型计 算机和工作站开发的， 近年来p c 机性能的提高， 使采用p c 机进行分析成为可能， 促使许多c a e 软件被移植到p c 机上应用。 这显然对c a e 技术的推广应用极为有利. 衡童c a e 技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目 前， 一些发 达国家在这方面已 达到了 较高的水平，仅以有限元分析软件为例，国际上不少先 进的大型通用有限元计算分析软件的开发已达到较成熟的阶段并已商品化。如 a n s y s , n a s t r a n 等. 这些软 件具有良 好的 前后处理界面， 静态和动态过程分 析以 及线性和非线性分析等多种强大的功能，都通过了 各种不同 行业的大量实际算例 的反复验证，其解决复杂问 题的能力和效率，已 得到学术界和工程界的公认。 在 发达国家的机械、化工、土木、水利、材料、航空、船舶、冶金、汽车、电气工 业设计等许多领域中得到了广泛的应用。 就c a e 技术的工业化应用而言， 发达国家目 前已经达到了实用化阶段。 通过 c a e 与c a d , c a m 等技术的结合， 使企业能对现代市场产品的多样性、 复杂性、 可 靠性、经济性等做出 迅速反应，增强了 企业的市场竞争能力。在许多行业中，计 品明理工大学 硕士研究生学位论丈 算机辅助分析已经作为产品设计与制造过程中不可逾越的一种强制性的工艺规范 加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经 过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生 产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已 作为必备工具普通应用. 2 . 2 . 2 国内c a e 技术应用现状 随着我国科学技术现代化水平的提高， 计算机辅助工程技术也在我国蓬勃发 展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到计算机辅助工程技术对提高我国科 技水平， 增强我国企业的市场竞争能力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。 近年来，我国的c a e 技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已 取得了一定的 成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很商，某些方面与发达国家相 比仍存在不小的差距。从行业和地区分布方面来看，发展也还不平衡。 目 前， a n s y s , n a s t r a n , m a r c等大型通用有限元分析软件已 经引进我国， 在军事、航空、机械、汽车、材料加工等许多行业得到了应用，而且我们在某些 领域的应用水平并不低，不少大型工程项目 也采用了这类软件进行分析。我国已 经拥有一批科技人员在从事c a e 技术的研究和应用， 取得了不少研究成果和应用 经验， 使我们在c a e 技术方面紧跟住现代科学技术的发展。 但是，这些研究和应 用的领域以 及分布的行业和地区还很有限， 现在还主要局限于少数具有较强经济 实力的大型企业、部分大学和研究机构。 我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了 以e技术的发 展。在c a e 分析软件开发方面， 我国目 前至少落后于美国等发达国家十年。计算 机软件是高技术和高附加值的商品，目 前的国际市场为美国等发达国家所垄断。 仅以有限元计算分析软件为例，目 前的世界年市场份额达5 亿美元，并且以每年 巧% 的速度递增。 相比之下， 我国自己民族的软件工业还非常弱小， 仅占有很少量 的市场份额.作为一个国家，一个民族不能长期依棘于引进外国的技术和产品， 因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件， 只有这样才能改变在技术上 和经济上受制于人的局面。 我国的工业界在c a e 技术的应用方面与发达国家相比水平还比较低， 大多数 的工业企业对c a e 技术还处于初步的认同阶段，c a e 技术的工业化应用还有相当 的难度.这是因为，一方面我们缺少自己开发的具有自 主知识产权的计算机分析 软件，另一方面大童缺乏掌握c a e 技术的科技人员。对于计算机分析软件问 题， 死明理工大学 硕士研究生学 位论文 目 前虽然可以 通过技术引进以 解燃眉之急， 但是，国外的这类分析软件的价格一 般都相当贵，国内不可能有很多企业购买这类软件来使用。而人才的培养则需要 一个长期的过程，这将是对我国c a e 技术的推广应用产生严重影响的一个制约因 素， 而且很难在短期内 有明显的改观。 提高我国工业企业的科学技术水平， 将c a e 技术广泛应用于设计与制造过程还是一项相当艰巨的工作。 2 . 2 . 3 c a e 技术的发展趋势 随着科学技术的迅速发展，知识经济的到来，互联网技术的普及和全球信息 化， c a e软件必然有一个全新的发展。 采用最先进的信息技术，吸纳最新的科学 知识和方法，扩充c a e 软件的功能，提高其性能，是c a e 软件求得生存和发展的 根本。其主要发展变化会体现在如下几个方面: 1 . 真三维图形处理与虚拟现实随着三维虚拟现实技术的日 趋成熟，c a e 软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图 形处理技 术方面有新的发展，例如复杂的三维实体建模及相应的自 适应网格划分，复杂的 动态物理场的虚拟显示与实时提示等。 及 夏 向 犷 象 的 工 稗 娜 辑 库 及 其 耸 理 声 统 一 高 性 能 / 价 格 jp m m f 存 储 器 及 其 慈 电 澎 鳍 然 悉 曳 彝 鸿 券 犀 ， 缎缮葱 腆笋 性 梦 辑 岁 孕 s 翔睁 m a * 0 发展。 3 . 多相多态介质祸合、多物理场辐合以 及多尺度辐合分析对于多物理场 的强拐合问题、多相多态介质祸合问 题、特别是多尺度模型的拐合问 题，目 前尚 没有 成熟 可靠的 理 论，尚 处于 基础性前沿研究阶段u = 4 . 适应于超级并行计算 机和 机群的高性能c a e 求解技术 新型的高 精度和 高效率并行算法将被做成c a e 的软件模块，使其在对复杂的工程或产品仿真时， 能够充分发挥超级并行计算系统的 硬、软件资源，高效率和高精度地获得计算结 果。 5 . 并行的c a d / c a e / c a m 系统 现在的c a d / c a e / c a m 系统， 沿纵向的集成已 经得到了发展，从早期的c a d / c a m 再增加 c a e ,以即，已 经从设计到模拟分析到 制造进行了集成.但对于横向的集成还有待于发展。为推动集成化过程，国际标 准化组织( i s o ) 正在推行新的国际标准 s t e p ( s t a n d a r d f o r t h e e x c h a n g e o f p r o d u c t m o d e l 产品 模型数据交换标准) 13 1 . 这一标准的 特点是不 仅包括图 形 数 据，而且还包括从初步设计、详细设计到生产设备、产品制造，直到生产出 产品 全过程的所有数据的交流方法。 昆明理工大学硕士研究生学位论文 2 . 2 . 4 c a e 软件通常的求解步骤 尽管目前商品化的c a e 软件有许多， 但对工程或产品进行性能分析和模拟时 一般要经历如图2 - 1 所示的步骤: 圈2 - 1 c a e 一般步砚 1 . 前处理模块用图形软件首先对工程或产品进行实体建模，进而建立有 限元分析模型。包括:直接实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自 动 剖分，节点自 动编号与节点参数自 动生成，荷载与材料参数直接输入与公式参数 化导入，节点荷载自 动生成，有限元模型信息自 动生成等。 2 . 有限元分析模块一-针对有限元模型进行单元分析，有限元系统组装，有 限元系统求解以及有限元结果生成。包括:有限单元库，材料库及相关算法，约 束处理算法，有限元系统组装模块，静力、 动力、振动、线性与非线性解法库。 大型通用c a e 软件， 在实施 有限 元分析时， 大都根据所研究问 题的 物理、 力学和 本构关系特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有 如下子系统: 线性静力分析子系统、动力分析子系统、 振动模态分析子系统、热 分析子系统等。 3 .后处理模块 根据工程或产品模型与设计要求， 对有限元分析结果进行 用户所要求的加工、 检查，并以图 形方式提供给用户， 辅助用户判定计算结果与 设计方案的合理性。包括:有限元分析结果的数据平滑，各种物理t的加工与显 示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改 等。 2 . 3 大型有限元分析软件a n s y s 简介 2 . 3 . 1 综述 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、 美国匹兹堡大学力学系教授j o h n s w a n s o n 博士于 1 9 7 0年创建发展起来的， 总 部设 在美国 宾夕法尼亚 州的匹 兹堡 n ) ，目 前 是世界c a e 行业最大的公司。 近3 0 年来， a n s y s 公司一直致力于分析设计软件的 开发、维护及售后服务，不断吸取当 今世界最新的计算方法和计算机技术， 领导 昆明理工大学硕士研究生学位论文 着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受， 拥有全球最大的用户群。 a n s y s软件是融结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析 软件，可广泛应用于核工业、 铁道、石油化工、 航空航天、机械制造、能源、 汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日 用家电 等一般工业及科学 研究u 6 a n s y s程序是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。该软件可浮 动运行于从p c 机、n t 工作站、 u n i x 工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统 中， 数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。 其多物理场祸合的功能， 允许在同一模型上进行各式各样的辐合计算，如:热一结构祸合、磁一结构祸合 以及电一磁一流体一热祸合。 在p c 机上生成的模型同样可运行于巨型机上， 这样 就保证了 所有的a n s y s 用户的多领域多变工程问题的求解。同时， a n s y s 软件拥 有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器， 保证了它能高效地求解各类结构 的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析及热一结构祸合问 题， 压 缩 和 不 可 压 缩的 流 体问 题。 其 友 好 的图 形 界 面 和 程 序 结 构， 交 互 式的 前 后 处理和图形软件，大大地减轻了用户在实际工程问 题中 创建模型、有限元求解以 及结果分析和评价的工作量。它的统一集中式的数据库保证了各模块之间的有效 可靠的集成，并实现了与多个c a d / c a e 软件的友好连接。 在中国， a n s y s软件经过几年的经营， 用户数a迅速增长， 遍及工业的各个 领域，应用也越来越深入。为更好地拓展a n s y s 软件的中国市场， 给中国 用户以 更好的就近支持和服务，1 9 9 6 年初， a n s y s 公司在中国成立了北京办事处，1 9 9 7 年初， 又相继成立了成都办事处和上海办事处。由此， a n s y s 公司的三大办事处、 各代理商及十大a n s y s 技术支持中心构成了a n s y s 完整的市场、销售及售后服务 体系li e 使用有限元分析软件a n s y s 解决工程实际问题，有如下的优点: ( 1 ) 能显著减少设计和制造费用 利用a n s y s 程序， 工程师们可以 构造结构、产品、零部件或系统的计算机模 型，或将它们的c a d 模型进行转换，对它们施加载荷或其他设计性能条件;还可 以研究它们诸如应力水平、 温度分布或电磁场的冲击等物理响应。在设计过程初 期，工程师们也可利用该程序进行优化设计，以降低生产成本。这些过程使制造 商们大大缩短了“ 样机制造一测试一再制造” 这一研制周期，同时也避免了 使用 昂贵的产品余量设计n n ( 2 ) 具有多物理场藕合的功能 昆明理工大学 硕士研究生学位论文 a n s y s有限元分析软件是融结构、 热、流体、电磁、声学等于一体的大型通 用有限元分析软件，它允许在同一模型上进行各式各样的祸合计算，如:热一结 构祸合、 磁一结构藕合以 及电一 磁一流体一热祸合， 在p c 机上生成的模型同 样可 运行于巨型机上，这样就确保了a n s y s 对多领域多变工程问题的求解。 ( 3 ) 能解决一些特殊性质的工程问题 在某些环境中，样机试验是不方便的或是不可能的，而利用a n s y s 软件，已 解决了一些这类问题，包括在生物医学中的应用，如徽部移植、人工晶体等。其 他代表性的应用包括重型设备零件、集成电路芯片以及连续挖煤设备的钻头固定 系统的设计。 ( 4 ) 能减轻设计工作量， 提高产品设计效率 以往若要对某些工程问题进行有限元分析，一般要由工程设计人员自己编写 程序， 这给非计算机或数学专业的设计人员带来了 较大的麻烦。 a n s y s有限 元分 析软件的出 现， 使得设计人员不再受工程数学解题技巧和计算机编程水平的限制， 可以将更多的精力集中在具体产品的设计上来，从而可以保证产品设计质量和设 计效率的提高g e l ( 5 )留有二次开发的接口，供使用者根据需要进行二次开发 任何一个计算机软件都不可能解决客户的所有问题，因为许多问题是非常个 性化的.软件开发者必须给使用着留有足够的开发空间和开发手段. a n s y s除提 供菜单操作方式外，还提供了命令流操作方式，此外，还提供了一种脚本语言 a p d l ，让使用者可根据实际需要，自己编程，交由a n s y s 执行。 2 . 3 . 2 a n s y s 参数化设计语言a p d l 简介 a p d l 指a n s y s 参数化设计语言( a n s y s p a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e ) ，它是 一种解释性语言， 是用来自 动完成某些功能或建模的一种脚本语言 19 1 . 它包含了 三个方面的内容:( 1 ) 工具条( 2 ) 参量( 3 ) 宏。 a p d l 语言是a n s y s 高级应用的基础， 它扩展了a n s y s 在传统有限元分析范围 之外的能力， 并扩充了更高级运算 . a p d l 语言包含许多特性， 诸如命令的复制、 参数、 函 数、 i f - t h e n - e l s e 分 支、 d o 循 环、 宏以 及标量、 矢 量和 矩阵 的 操作 等. 使用这些特性，用户可以创建一控制方案，使程序在特定的应用范围内发挥最大 效率。 a p d l 语言典型语句介绍: 1 . 从数据库提取数据 并赋值给参数 :* g e t , p a r , e n t i t y , e n t n u m , 昆明理工大学 硕士研究生学位论文 i t e m l , i t i n u m , i t e m 2 , i t 2 n u m p a r :参数名; e n t i t y :实体名 ( 如n o d e , e l e m , k p , l i n e , a r e a 或v o l u ) ; e n t n u m :实体编号; i t e m l :项目 编号。 例:* g e t , m t , e l e m , 1 2 , a t t r , m a t 一 一 - m t =单元1 2 的材料号. * g e t , n s x , n o d e , 1 0 , s , x - n s x =节点1 0 的x 方向 应力. 2 . 定义数组参数:* d i m , p a r , t y p e , i m a x , 侧a x , k m a x , v a r l , v a r 2 , v a r 3 例:* d i m , x y z , a r r a y , 1 0 , 3 定义a r r a y 数组x y z ，维数l o x 3 xl o 3 . d o 循环:* d o , p a r , i v a l , f v a l , i n c * e n d d o 在a n s y s 中， 通过使用d o 循环， 可按指定的循环次数执行一系列命令. 使用 * d o 和* e n d d o 命令作为循环的开始和结束点的标志，最多允许嵌套2 0 层的d o 循 环。这与f o r t r a n 语言中的d o s , 工 二 e , , e , , e , 语句以及c 语言中的d o - w h i l e 语句具有相同的功能。 例: * d o , i , 1 , 9 , 2 -i = 1 到9 ，增a为2 * e n d d o - 一 一 循环体结束标志 4 . 条件分支: ( 1 ) 通过比 较两个数的 值建立条件，根据条件执行程序体: 命令:* i f , v a l 1 , o p e r , v a l 2 , t h e n l2以 vava * e l s e i f , v a l 1 , o p e r , * e l s e i f , v a l 1 , o p e r , * e l s e * e n d i f 这与f o r t r a n 语言中的i f - t h e n - e l s e - e n d i f语句以 及c 语言中的i f - e l s e i f - e l s e 语句具有相同的功能。 昆明 理工大学硕士研究生学 位论文 ( 2 ) 根据条件跳转到l a b l e : 命令:* i f , v a l i , o p e r , v a l 2 , : l a b l e ( 3 ) 根据条件推出a n s y s : 命令:* i f , v a l 1 , o p e r , v a l 2 , s t o p 2 . 4 本课题的选题依据及意义 材料加工过程数值模拟是材料加工学科的重要内容之一，其目的是利用材料 学与力学的结合，