计算机辅助工程大作业.doc

CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形式简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组，得到的是近似的数值解，求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。CAE从20世纪60年代初开始在工程上应用到今天，已经历了40多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，CAE系统的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的CAE系统应运而生，并已成为结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAPP/CAM/CAE）的重要环节。CAE系统的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以用通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图，通常称此过程为CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置（整机）乃至生产线、工厂的运动或运行状态，在CAE的应用过程中，前、后置处理是最重要的工作。计算机辅助工程（CAE）是一种迅速发展的信息技术，是实现重大工程和工业产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计的最重要工具和手段。CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解StVenant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。实用的CAE软件诞生于20世纪70 年代初期。从20 世纪的1970年到1985年，是CAE 软件功能和算法的扩充和完善期。到了20世纪80年代中期，逐步形成了数十个商品化的通用和专用CAE 软件。近20 年来，CAE 软件发展得很快。目前，市场上的CAE 软件，在功能、性能、可用性和可靠性方面，基本上满足了用户的当前需求，它们可以运行在超级并行机，大、中、小、微等各类计算机系统上。伴随着计算机技术的飞速发展，CAE技术还在迅速更新发展中。现代CAE 软件有两类： 针对特定类型的工程/ 产品所开发，用于产品性能分析、预测和优化计算的软件，称为专用C A E软件。 可以对多种类型的工程/ 产品的性能和运行行为，进行预测、计算分析、模拟仿真、评价与优化的软件，称为通用C A E 软件。通用CAE 软件主要由有限元软件、优化设计软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最优控制软件和其它专业性的计算软件组成。从20 世纪1970年到1985年的15 年间，是CAE 软件功能和算法的扩充和完善期，到20世纪的80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用C A E 软件。在此期间，德国和法国分别研发出了M O D U L E F、A S K A 等C A E 软件。它们都是建立在有限元算法基础上，采用结构化软件设计方法、F O R T R A N 语言和数据文件管理技术，开发的结构化的C A E 软件。崔俊芝院士说：“也就是在这个时期，有了C A E这个名字。它与C A D、C A M 紧密相连，同时诞生。”在20 世纪70 年代后期和80 年代初期，在发达国家，特别是在美国，在政府专项资金的支持下，一批大学和科研机构里的专家、教授走出学校，专门从事C A E 软件开发和推广应用，C A E 软件开始商品化。在C A E 软件商品化期间，C A E技术的应用逐步走出科研领域，C A E 技术不仅是高科技人员使用，工程师们也使用，去快速地解决更多更广的工程和产品设计问题。到了20世纪80年代中期，国外知名的C A E 软件有N A S T R A N、M A R C、A N S Y S、 A B A Q U S、A D I N A 、D Y N - 3 D、A S K A、M O D U L E F 等目前，80/ 软件已在国外广泛应用于核工业、铁道、石油化工、机械制造、汽车交通、电子、土木工程、生物医学、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。例如在汽车设计行业，在发动机方面可进行其性能的计算机估计，燃烧过程的计算机模拟，冷却、传热的9/B 分析、缸体等结构的9/B 强度分析；在车身方面，可进行车身结构动态静态有限元分析，车身外型空气动力学计算机模拟，车身噪声分析；在底盘方面，可进行车架有限元分析，悬架机构有限元分析，变速器、传动轴及车桥等结构强度的9/B 分析；在整车方面，可进行汽车平顺性，操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。通过采用80/ 技术，极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。例如国外著名轿车在豪华轿车的产品设计中，以前通过经验设计时需要制造! 多辆样车才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有Y 多辆就足够了，大部分的设计内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实现的，这样可以节约! D 4 的资金和大量研制时间。在飞机制造行业，以前通过做风洞实验检测飞机的各项能，如今许多实验都是通过电脑实现的。在国外的日用消费品设计中，80/ 软件应用也很广泛。著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中，就是采用有限元分析技术在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。随着软件的应用领域越来越宽，其使用者也从绝大多数为分析专家转变到目前的设计者和设计工程师占多数，软件也变的更加易于使用，界面更加友好和智能化，朝着适应用户要求的方向发展。4 CAE软件 ANSYS的应用体系ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析件。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS软件是第一个通过IS09o01质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。41 ANSYS软件的主要结构 ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块，分析求解模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、电压分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。42 ANSYS软件主要的分析功能ANSYS的主要功能以结构分析为基础：42I 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。422 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。423 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态菲线性问题包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。 一424 动力学分析 ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。425 热分析程序可处理热传递的3种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的3种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。此外还有：电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析。43 ANSYS软件的后处理功能 ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程响应后处理模块POST26。通过用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表2种。2 C,ME技术的发展现状与趋势口CAE的理论基础起源于20世纪40年代，自1943年数学家Courant第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解StVenant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。自从19631964 年Besseling、melosh和Jones等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式，从而使得里兹分析的所有理论基础都适应于有限元法，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。以此为理论指导，有限元法的应用已由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、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；分析对象从弹性材料扩展到塑性、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。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现在CAE技术的框架。21 有限元技术的发展 经过60多年的发展，有限元技术已趋于成熟，普遍为工程界所接受。并开发了相应的有限元分析软件。这些软件在功能、性能 使用上均达到了比较高的水平。在功能上，影响软件的前处理器可以调用CAD 中的几何模型，可以便捷地实现网格划分及自动划分，灵活地施加各类便捷条件，定义材料特性，设置不同的计算工况，对特殊问题实现用户子程序的调用等；求解器带有适合不同问题的求解算法(线性方程组、非线性方程组、特征值等)；后处理器可给出所需要的可视化的技术结果(等值线、等值面、云图、动画等)。性能上，可完成线性于非线性问题、静力与动力问题、多材料、各类边界条件、类工程(机械、电磁、土木等)问题的求解22 结构优化技术的发展 结构优化方法中早期采用的是基于直觉的准则法，如满应力准则法、满应变准则法等。20世纪60年代数学规划法引入结构优化设计中，标志着现代优化设计的开始，数学规划法中的复合形法、可行方向法、惩罚函数法等在结构优化设计中得到了广泛的应用。7O年代出现了优化准则法，其思想是将设计问题的力学特性与数值方法中的各种近似手段相结合，把高度非线性问题转化为一系列近似的带显示约束问题，然后借助于数学规划法进行求解。80年代以后，结构优化设计开始应用于工程优化设计中，并形成了专门研制的工程优化设计软件。随着计算机技术的发展，工程优化设计软件规模不断扩大，从最初的十几个变量发展上万个变量，从最初的结构尺寸参数优化，到现今的结构形状优化等。目前具有结构优化功能的软件有十多种；如专用的结构优化设计软件SAPOP、ASTROS、OASIS等，其中拥有我国自主版权的DDDU；而在有限元分析软件中带有优化设计功能的软件有ANASYS、MSCNASTRAN等，还有与CAD相集成的优化设计软件MSCVisualNastran等。23 结构强度与寿命评估的发展 由于结构的速度、经济性、耐久性、可靠性的不断提高，以及不断地减轻结构的重量，结构强度与寿命评估变得越来越复杂，越来越重要。用复杂机电产品的选型时，要了解的已不仅是设备的强度指标，还包含设备的使用寿命指标，生产厂家必须向用户回答在什么情况下厂家提供的设备可靠工作多少年。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业上的规范以及材料的数据，这些理论、方法、数据大都是经过大量实验、工程实践总结归纳出来的，国外将这方面的科研成果编制成软件。如MSCFATIGUE软件、MSCMARC软件中的失效与破坏分析模块。由于我国国情不同，尤其是评估的数据库内容的不同，需要有适合我国国情的评估体系我国在结构强度与寿命评估的理论、方法、规范及其数据库方面也取得了一定进展，但还有很大的差距，目前还没有成熟的软件可供使用，但在CAE系统中有关结构强度与寿命评估的内容是必不可少的。24 工程结构动态仿真的发展 在CAD造型设计的基础上形成了工程结构的动态仿真，在这方面已推出的软件有ADAMS和WorkingModel等，它们是通用的机械结构仿真软件。ADAMS提供了模拟实际系统运动和动力过程的仿真环境，可以全面地仿真实际制造活动中的结构、信息及制造过程，该软件包括十几个分析模块，其主要功能包括动态模拟与动态分析。动态模拟包括速度、加速度、力响应、效率能量等，动态分析包括动态信号的处理、频谱分析、数字滤波、传递函数的取得等。智能化、人性化作为设计