复合材料风机叶片CAE实施可行性报告

MIDAS Family Programs 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报 告 专业的 CAE 解决方案 北京迈达斯技术有限公司北京迈达斯技术有限公司 2010 12 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 目目 录录 一 CAE 及国内外复合材料风机叶片应用现状 1 二 复合材料风机叶片引入 CAE 的必要性 2 三 CAE 在复合材料风机叶片的应用 3 四 举例 CAE 在复合材料风机叶片设计中的具体应用 4 五 迈达斯 MIDAS CAE 解决方案介绍 6 6 1 Nastran FX 的组成 6 6 2 Nastran FX 求解特性 8 6 3 卓越特点 10 6 4 复合材料分析高级功能 13 六 NEI Nastran Nastran FX 成功客户 部分用户 15 七 推荐 MIDAS 公司的 CAE 项目实施方案计划书 16 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 1 复合材料风机叶片 CAE 实施 可行性报告 一 一 CAE 及国内外复合材料风机叶片应用现状及国内外复合材料风机叶片应用现状 CAE Computer Aided Engineering 即计算机辅助工程 技术 是指工程设计中 的分析计算与分析仿真 具体包括工程数值分析 结构与过程优化设计 强度与寿命评估 运动 动力学仿真 工程数值分析用来分析确定产品的性能 结构与过程优化设计用来保 证产品功能 工艺过程的基础上 使产品 工艺过程的性能最优 结构强度与寿命评估用 来评估产品的精度设计是否可行 可靠性如何以及使用寿命为多少 运动 动力学仿真用 来对 CAD Computer Aided Design 建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿 真 从过程化 实用化技术发展的角度看 CAE 的核心技术为有限单元技术与虚拟样机的 运动 动力学仿真技术 近年来 随着计算机技术和计算方法的发展 计算机辅助设计已经成为现代设计方法 的主要手段和工具 CAE 技术和软件更是关键的技术要素之一 CAE 作为一项跨学科的数 值模拟分析技术 越来越受到科技界和工程界的重视 许多大型的 CAE 分析软件已相当成 熟并已商品化 计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用 而且在工程上也已达到了实 用化阶段 目前 风能作为可再生能源的重要组成 部分 受到世界各国政府的重视 风电产业 正在逐步发展成为初具规模的新兴产业 目 前风电市场和技术主要集中在发达国家 亚 洲地区还处在逐步开发和发展阶段 国内外 已经有众多厂家生产风力发电设备 叶片作 为风电机组的核心部件之一 是风力捕捉风 能 转换能量的重要组成部分 国外生成厂 家在产品研发上投入大量研究资金 他们利用先进的 CAE 工具对叶片相关技术进行分析 不断提高强度 刚度和结构等方面的性能 并开发出自主知识产权的产品 然而国内生产 叶片的厂家以引进国外技术进行制造为主 对大型叶片的结构分析与研究还处于起步阶段 国内生产厂家基本上都采用了各种 CAD 软件进行叶片设计 相比之下 CAE 软件的作用 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 2 还没有被充分认识 大多数企业中的 CAE 技术只是配角或没有被采用 很多企业对有限元 仿真还只停留在表面认识 随着 风电产业的发展对叶片提出更高的要求 很多厂家 高 校和研究院也意识到风机叶片分析的重要性以及带来的价值 也逐步增加在叶片分析中的 资金和人员投入 并取得初步的效益 推动了自主知识产权的产品的开发进度 二 复合材料风机叶片引入二 复合材料风机叶片引入 CAE 的必要性的必要性 现代设计方法学表明 产品设计虽然只占产品整个成本的 5 但它却影响产品整个 成本的 70 在设计过程中 如果确定了产品结构 零件形状 材料及精度 则产品成 本的 70 80 将被确定 因此 产品设计在产品开发阶段需要重点予以考虑 风机叶 片设计也同样如此 风机叶片是风力发电设备的关键部件之一 随着世界风力发电设备向大功率方向发展 风机叶片的长度越来越长 目前世界最长的复合材料风机叶片是丹麦 LM 公司生产的 其 长度已达到 61 5m 单片重约 18t 从而对叶片结构的强度 刚度 重量等的设计提出了 前所未有的要求 复合材料具有比强度高 比刚度高 重量轻 可设计性强 承载性能好 等特点 因而在大型风机叶片中获得了广泛应用 复合材料在叶片的应用已经给生产厂家带来巨大的利益 同 时它也带来新的挑战 由于大型复合材料风机叶片的外形结构和 铺层结构复杂都非常复杂 其外形由不同翼型构建而成 属于超 长三维曲面壳体结构 且存在大量过渡层和夹心层结构 所以其 铺层结构也很复杂 此外 风机叶片的载荷分布也不规则 求取 复合材料风机叶片结构的解析解非常困难 所以寻求一种行之有 效的计算方法已成为复合材料叶片设计不可逾越的一个环节 CAE 技术能够给工业企业产品研发带来巨大的经济效益 这已成为不争的事实 以 Nastran 为代表的高端 CAE 软件早已活跃在全球各行各业中 将 基于物理样机试验的传 统设计方法 带入基于 虚拟样机仿真的现代设计方法 将大幅度缩短产品开发周期 降低 成本 提高企业竞争力 潜在的问题越早地得到发现和解决 设计的成本与周期的降低效 果越明显 因此 CAE 分析应该提前到概念设计阶段 在叶片铺层设计阶段就应该进行 CAE 分析 设计人员负责对自己设计的结构进行分析 已成为企业的迫切需求 应用 CAE 技术进行铺层的分析设计 将使叶片设计领域发生根本变革 推动叶片设计方法及设计技 术的进步 风机叶片的结构分析作为风机叶片结构设计的基础之一 开始在大功率风机叶 片结构的校核 优化和新产品开发设计中发挥着日益重要的作用 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 3 三 三 CAE 在复合材料风机叶片的应用在复合材料风机叶片的应用 在风力发电中 要获得较大的风力发电功率 其关键在于具有能轻快旋转的叶片 叶 片的设计除了要求有高效的接受风能的翼型 合理的安装角 科学的升阻比 尖速比和叶 片扭角 由于叶片直接迎风获得风能 所以还要求叶片具有合理的结构 优质的材料和先 进的材料工艺以使叶片可靠地承受风力 叶片自重 离心力等给予叶片的各种弯矩 拉力 而且还要要求叶片质量轻 结构强度高 抗疲劳强度高 运行安全可靠 易于安装 维修 方便 制造容易 制造成本和使用成本低 随着 CAE 技术的发展 所有这些要求均可通过 相应的 CAE 分析方法 如结构分析 流体分析 工艺分析等来解决 目前风机叶片的结构 分析是风机叶片结构设计的基础之一 主要设计目标 振动最小或不出现共振 质量 最小 保证结构的局部稳定或全局稳定 满足结构强度和刚度要求 因此复合材料风 机叶片结构分析主要涉及模态分析 优化分析 屈曲分析和强度和刚度分析 其中模态分 析和强度和刚度分析是目前复合材料风机叶片结构分析中最常使用的两种分析类型 在风机叶片结构分析中 首先要确定叶片载荷 根据风机设计标准 载荷工况 非正 常载荷工况和事故载荷工况 正常载荷工况是指风机正在运行 偏航 开机 停机等正常 运行期间叶片所受的载荷 须考虑气动力 重力和离心力作用 非正常载荷工况是指风机 在极端风载 安装运输 危险状况等非正常运行期间叶片所受的载荷 事故载荷工况是指 飞车 叶片损坏事故时叶片所承受的载荷 随着计算机技术的发展 有限元在结构分析中 得到广泛应用 有限元强大的建模和结构分析功能适应叶片的应力 变形 频率 屈曲 疲劳及叶根强度的分析 风机叶片有限元的特点 形状不规则 每个截面都不同 铺层复杂 过渡层很多 大量夹层结构 三明治 结构 大量粘结区域 载荷 分布不规则 NASTRAN FX 是一款著名的商业化大型通用有限元软件 广泛应用于航空航天 机械制造等 尤其在复合材料分析更具优势 可以对复合材料风机叶片进行建模 结构设 计 材料研究以及制造工艺提供完整的解决方案 总之 对复合材料风机叶片结构计算分 析 完全可以使用 NASTRAN FX 软件实现 并得到满足精度的结果 图 1 为某叶片的应力分 析结果 图 2 为某叶片的模态分析结果 通过分析结果 如所有铺层及层间的应力 应变 和失效等结果 可以知道叶片结构的刚度 强度情况以及是否进行重新的设计 包括材料 替换 变更铺层层数 更改铺层角度等 图图 1 某叶片的应力分析某叶片的应力分析 应力云图应力云图 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 4 图图 2 某叶片的模态分析 第某叶片的模态分析 第 1 5 阶 阶 四 举例 四 举例 CAE 在复合材料风机叶片设计中的具体应用在复合材料风机叶片设计中的具体应用 与常规的应力分析一样 复合材料叶片分析同样也需要建立几何模型 网格划分 建 立材料和特性 设置分析工况并提交分析 结果查看等步骤 不同之处在于复合材料是层 合板 建立特性需要进行铺层设计 以某复合材料风机叶片为例 简要说明各个步骤如下 1 导入翼型数据 翼型数据可以通过公式计算得到 一般也可从专用软件方便得到 导入 Nastran FX 后 如图 3 所示 图图 3 导入后的翼型数据导入后的翼型数据 2 建立几何模型 利用翼型数据使用 B 样条曲线建立曲线 再通过曲面功能建立叶片的外壳模型 如图 4 所示 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 5 图图 4 几何模型几何模型 3 建立复合层板 Nastran FX 提供了复合层板的建模功能 如图 5 可以方便建立复合材料层板 如设 置角度 方向 再设置了铺层后可以预览结果 以确保铺层准确性 图图 5 铺层工具及预览铺层工具及预览 4 网格划分 利用界面友好的网格划分工具对几何模型进行网格划分 良好的网格划分工具可以为 复合材料叶片建立高质量网格模型提供强有力的保证 图 6 显示了划分后的网格模型 图图 6 网格模型网格模型 5 查看相关结果 除了提供表格数据等查看方式外 Nastran FX 还提供了包括图形化等高级查看查专用 工具 图 7 同样保证分析结果查看的直观和可用性 无须进行结果的其他转化即可进 行设计校核 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 6 图图 7 图形化的结查看工具和接触信息显式图形化的结查看工具和接触信息显式 五 迈达斯 五 迈达斯 MIDAS CAE 解决方案介绍解决方案介绍 6 1 Nastran FX 的组成的组成 Nastran FX 简称 NFX 是基于 Windows 平台的 全球领先的高级有限元分析解决方 案 是由韩国的 株 MIDAS IT 公司和美国的 Noran Engineering Inc 共同开发的全方位结构 分析软件 NFX 基于数十年工程实践的应用 证明了其在接触分析 非线性分析 疲劳分 析 动力分析 优化设计等高级分析功能上的优秀性 其基于 Windows 操作系统的人性化 操作环境 不仅为工程分析人员提供了便利多样的前后处理功能 而且提供了快速 准确 稳定的分析功能 NFX 主要由 FX NeiNastran Editor 三部分组成 其中 FX 是由迈达斯技术有限公司 开发的前后处理软件 NeiNastran 是求解器 是软件的核心可以用于解决发生在工程领域 中的广泛问题 Editor 是 NeiNastran 通用的有限元分析应用编辑软件 可以编辑 NeiNastran 分析程序 进行更多的分析控制 并作为后处理器使用 做为前处理器 FX 可 以用于建立有限元模型 输入到 NEiNastran 求解器中 做为后处理器 FX 可以通过图表 显示已经生成的计算结果 NEiNastran Editor 只能做为 NEiNastran 求解器的前端模块或 做为 FX 和求解器间的交互界面 NFX 是唯一一款中文的有限元分析软件 具有良好的用户界面 亲切 清晰 易于使 用且方便记忆 其用户界面如图 1 所示 前后处理器 FX 主界面窗口包括主菜单 工具栏 工作目录树 关联菜单 特性窗口 信息窗口 任务流程面板 表格窗口和单位体系等 与市面其他有限元软件相比 NFX 软件的另外一个鲜明特点是全中文的帮助文档及技术资 料 在图 1 的树形菜单 FX 吸收了 CAD 软件模型树的概念 让用户可以有效管理 分析每 一个环节 同时吸收了 Microsoft Visual Studio 编辑器的优点 让用户不必打开对话框即可 修改模型的相关信息 如材料的物理属性 单元特性等 同时通过特性窗口可以查看工作 接触显示接触显示 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 7 目录树及模型窗口里的信息 良好的网格划分能力 优秀的自动清理模型功能和手动网格修改能力 优秀前处理器 的评价标准 FX 是一款优秀的开放式的前后处理器 支持 UG NX Pro E CATIA Solid Edge SolidWorks Autocad 等文件格式导入 同时 Femap 拥有强大的建模能力 具有良好 的曲面建模能力和几何修复能力 强大 方便的后处理功能 多种结果查看对比方式 对 有限元结果进行评估 图图 1 Nastran FX 操作界面特点操作界面特点 Nastran NASA Structural Analysis 是美国航空航天管理局 NASA 为了土星计划而编 制的软件 70 年代初开始民用 经过三四十年发展 已经成为有限元仿真领域事实上的标 准 NEI Nastran 是优质的计算机辅助工程 CAE 工具 是具有高度可靠性的结构有限 元分析软件 有着近 40 年的开发和演进历史 并通过 50000 多个用户的长期工程应用的验 证 NEI Nastran 因其广泛应用及准确性和计算结果的精确性 其输入输出格式及计算结果已经 成为当今 CAE 的工业标准 几乎所有的 CAD CAM 系统都相继开发与 NEI Nastran 的直接接 口 NEI Nastran 的计算结果通常被视为评估其他有限元分析软件精确度的参照标准 同时 也是处理大型工程项目和国际招标的首选有限元分析工具 全球主要的制造业者依靠它来满足严格的工程计算需要 在不断减少设计周期所耗时 间的同时 做到安全 可靠 并优化设计 在 30 多年的时间里 Nastran 已成为几乎所 有重要的工业领域分析解决方案的最佳选择 这些领域包括航空航天 国防 汽车 船舶 重型机械 医疗设备及零售业 Nastran 被公认为压力 振动 结构故障 热传导 噪音 声学 气动弹性等方面计算机辅助设计分析的工业标准 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 8 NEINastran 与 FX 的结合为用户提供了一个强大且可承受的解决方案 该解决方案独立 于 CAD 系统 可以读取所有主流 CAD 系统数据 其强大的功能涵盖线性分析 模态分析 失稳分析 热传递分析 非线性分析 动力学分析 优化 流体分析等 能够满足从最简 单到最复杂的有限元分析需求 6 2 Nastran FX 求解特性求解特性 静力分析有限元分析的基础 NEI Nastran 的静力分析功能 支持全范围的材料模式 包括 均质各向同性材料 正交各项 异性材料 各项异性材料和随温度变化的材料等 Nastran FX 提供的静力分析静力分析的主要类型有 具有惯性释放的静力分析 考虑结构的惯性作用 可计算无约 束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应 提 供各种便利的分析结果 如线性应力 位移 安全系数的计算以及网格引起的收敛误差 相对位移等 同时支持接触分析 可以自动 手动定义接触 具有 NASA 矢量稀疏求解器 VSS 和并行稀疏求解器 PSS 并配备世界上最先进的并行求解器算法 CASI PCGLSS 求 解器 非线性静力非线性静力分析 大变形几何非线性 塑性和蠕变等材料非线性 考虑接触状态的边界非线性等 模态和特征值分析是动力学分析的基础 是结构多种动态行为的判据 模态分析功能 同样支持全范围的材料模式 包括 均质各向同性材料 正交各项异性材料 各项异性材料 和随温度变化的材料等 Nastran FX 提供的模态分析模态分析的主要类型有 正则模态 包括滑动接触模态 复特征值 可用于转子动力学分析 非线性正则模态 膨胀 旋转或预应力结构 可以利用 LANCOS 求解器快速求解大规模模型的特征值 并且提供了可提高动力学分 析效率的输入 输出模态分析结果数据库 Nastran FX 提供的屈曲分析屈曲分析的主要类型有 线性屈曲 又称特征值屈曲 固定的预载荷 惯性释放 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 9 非线性屈曲 大变形等几何非线性失稳 材料非线性的弹塑性失稳 非线性后屈曲 snap through 分析 使用基于数值技术的分析分法 使得热问题的求解变得更加容易 包括 热传导分析 热辐射分析 热耦合分析 热对流 自然 强制对流 以及相位改变等 Nastran FX 领 先的求解技术的传热分析传热分析对于具有挑战性的工程问题快速提供了真实的 可靠的 精确的 结果 该功能也可和 NEINastran 结构分析结合使用 以执行热应力分析 如果产品中的温度变化以及热流可能影响其性能 在数字仿真过程传热应占据主要部 分 传热可能涵盖从全局能量平衡的系统级分析到与温度和热应力极限等级相关的详细分 析 用户可通过它研究线性或者非线性问题 稳态或者瞬态效应 以及三种类型的传热方 式 传导 对流和辐射 显示与每一个方面相关的特性 Nastran FX 提供的高级非线性分析高级非线性分析可用于分析具有几 何非线性 即大变形 具有材料非线性特性或者边界非 线性 接触非线性 的模型 对于几何非线性 考虑了大 位移 大转动等的影响并配备了更新 Lagrange 法的刚度计 算 同时考虑压力 集中力和力矩等类型的随动力 对于 材料非线性 提供了弹塑性 塑性 非线性弹性 热弹性 和超弹性材料模型 材料覆盖了各个行业 各个领域 对 于接触非线性 可以采用多种的接触类型 面面接触 面 线接触和点线接触等 同时程序提供的自动接触功能使得 在处理复杂装配体的分析变得简单 实用 Nastran FX 的动响应分析能计算出时域或者频域载荷 激励下的动态响应值 是作为基本分析模块的线性静态分 析能力的一个补充可选项 动响应分析在不同行业占有重 要的地位 例如用来评估飞机乘客以及驾驶状态下汽车乘 客的舒适程度 在汽车行业用来确定发动机频率或则来自 路面的激励是否会造成车身局部结构的响应震动 例如驾 驶杆 或则座位上的震动 评估消费品以及其它高科技电子 产品设备运行的震动影响 Nastran 算法算法高效率地进行复杂系统级大规模有限元模型分析 尽管现在的计算机运 算处理越来越强 然而有限元模型也比以前变得越来越大 这意味着有限元分析求解仍然 需要大量的计算 CPU 时间 NEI Nastran 使用的是最新求解决技术 目前使用求解器 主要有 4 个线性求解器 预处理共扼剃度线性系统求解器 PCGLSS 矢量稀疏求解器 VSS 和矢量跌代求解器 VIS 和 2 个特征值有求解器 LANCZOS 和子空间 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 10 SUBSPACE PCGLSS 是一个高级叠代求解器 被目前其他 CAE 产品广泛采用 PSS 是一 个极快的平行直接求解器 特别适合于多 CPU 和多核处理器 的计算机系统 VIS 和 VSS 求解器完全基于 NASA 开发技术 并得到极大的发展和改进的 因此具有高速计算特性和计算 现有的算法能够高效率的求解大型系统方程 然而 NEI Nastran 超级单元提供了更有效的方法 超单元模块是 NEI Nastran 基本模块的附加模块 它能有效地把规模很大且复杂的有限元模型分解成许多等 价的子结构 这些子结构就叫超级单元 NEI Nastran 超级单元能应用于所有的 NEI Nastran 分析类型 在大规模 系统级分析上特别有效 例如整架飞机 整车或者轮船 逐级运行和子装配求解 NEI Nastran 设计优化设计优化 用更具创新性 更可靠的产品更快地优化你的设计结果 每个制造商都希望设计制造的产品不光具有创新性 而且其性能也能达到要求 利用 优化技术 工程师能够优化设计 用最少的花费得到尽可能最好的结果 由于你的设计可 能有许多变量 且变量之间的关系也很复杂 要想通过手工的迭代来得到一个优化设计是 很盲目的 Nastran 优化模块能比较设计与目标性能的差异 通过自动迭代过程 将你从 优化产品设计的繁重任务中解脱出来 接触分析接触分析问题作为有限元分析中的一大难题 在 NASTRAN FX 中变得极其的简单 NASTRAN FX 拥有大量的接触类型 如面面接触 面线接触 一般接触 焊接接触 偏移接 触 双向滑动接触等 这些类型为模拟物体之间真实的接触情况提供可能 针对复杂的装 配体接触在建模时的效率低 工作量的问题 NASTRAN FX 自动的接触生成功能 同时在接 触手动定义时提供多种接触生成方式 如基于几何体 网格组的简便定义方式 所有这些 都是基于操作简便为最终目的而开发的 疲劳分析疲劳分析是 NFX 直接在后处理单独提供的分析模块 疲劳分析只要输入极少数的数据 在进行强度分析后就可以直接进行耐久性验算 在 NFX 中 可以进行时域疲劳分析和频率 域疲劳分析 并提供判断结果损伤度和疲劳周期 使用 Nastran 软件不需要单独购买第三 方疲劳分析模块即可进行疲劳寿命计算 最大化软件价值和最小化软件采购成本 更多高级功能请与迈达斯公司的技术工程师联系 我们专业的工程师会根据您的实际 问题推荐贵单位更完善的解决方案 我们将以多年的 CAE 仿真分析经验竭诚帮助贵单位解 决实际问题 6 3 卓越特点卓越特点 1 1 操作最简单 界面最友好 掌握最容易的通用有限元分析软件操作最简单 界面最友好 掌握最容易的通用有限元分析软件 NFX 将前后处理器和求解器无缝整合一体 拥有基于最新图形技术开发的窗口界面 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 11 为用户提供便捷的工作环境 全中文的在线帮助文档及技术资料 学习容易 使用方便 吸收 CAD 软件模型树概念管理和分析每一环节和 Microsoft Visual Studio 编 辑器的优点自由地修改材料 特性等 各种单位制自由转换 避免有些软件因为单位不同需要转换的麻烦 2 2 具有使初学者迅速掌握软件的独特功能具有使初学者迅速掌握软件的独特功能 分析助手分析助手 NFX 提供了分析助 手功能 以便设计者和 初学者可以快速 便捷 地学习和掌握软件并进 行实际项目分析 该功 能采用像软件安装向导 方式引导用户利用 NASTRAN FX 进行项目分 析 用户在分析助手的 帮助下进行 6 步操作即可完成分析并得到想要的分析结果 一切为了简便操作并为客户迅 速带来价值 3 3 缺陷几何体的修复 修补功能缺陷几何体的修复 修补功能 几何建模本身或者中性文件格式的问 题常常是用户面临的问题 也是对有限元 软件的挑战 NFX 的强大几何修复功能恰 恰解决这两大问题 几何修复功能主要有 曲面 曲线合并 曲面生成 裁剪 分割 析取 分割形状等 4 4 方便快捷的复杂装配体的接触设置 尤其在解决抽壳而遗留的缝隙问题更具优势方便快捷的复杂装配体的接触设置 尤其在解决抽壳而遗留的缝隙问题更具优势 软件利用自动面 线接触功能 AS ECG 使复杂装配体的接触定义便得相当的简单 仅 需定义一个含所有网格组的接触即可 针对薄壁结构 理想的单元是 2D 单元 因此常规 的抽取外表面或中性面会使各装配体产生缝隙而非紧密接触的问题 给后续网格划分 分 析工作带来很大的麻烦 利用偏移焊接 可以直接对有间隙的单元进行接触定义 省去了 其他软件需要补间隙的繁杂工作 通过偏移焊接接触 配合程序自动接触功能 可以节省 复杂装配体的 80 的前处理时间 操作的便利及程序的智能化水平无疑提高分析者的分析 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 12 速度 直接提高企业的产品开发速度 为企业创造更大的价值 5 5 更具全面的更具全面的 CADCAD 接口功能接口功能 部分软件由于未开放与其他 CAD 软件的接口 因此通过中性文件导入的 CAD 模型常常 出现线面丢失 有时甚至会丢失部分实体 这极大地阻碍了项目的分析进展 与所有 CAD 模型直接兼容是专业 CAE 软件追求的目标 同时也给用户直接带来便利 Nastran FX 配备 了市面上大部分 CAD 接口 不但能够可以直接导入 CAD 格式文件 还能够导入 CAD 建模 参数 与 CAD 直接兼容主要表现在以下几个方面和优点 可与 CATIA SolidWorks SolidEdge ProEngineer Autodesk Inentor 等软件的无缝联接 实现几何参数的共享 可在 NASTRAN FX 和 CAD 软件里修改几何建模的参数 避免了模型 修改后重复导入操作 同时也无须重复网格划分 加载和分析设置 作为更高级的应用 可与 ProEngineer 实现模型参数优化分析 进行优化分析 同时在 CAD 里生成优化后的几何模型 厚度 变大 了 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 13 6 Words6 Words 格式的中文报告书格式的中文报告书 自动生成内容丰富的报告书 可直接将生成的报告结果提 交领导或同事查看 这样可以节省大量的报告制作时间 使 客户从枯燥 烦琐的 费事费时间的报告编写中脱离出来 从而更专注于分析 报告书可编辑 可修改 可以根据用户 的分析类型定制 为了便于制作分析报告 提供了多种数据 和图形整合功能 7 7 有别于代理商的售后服务有别于代理商的售后服务 作为专业的 CAE 软件开发和专业工程咨询和电子商务解决方案提供商 MIDAS 建立并 运行一种完整的技术支持系统 以准确 快速为宗旨向客户提供技术支持 MIDAS 在中国 拥有中国总公司北京迈达斯技术有限公司和分布在全国的 5 家分公司 其中技术开发人员 40 人和专业的技术支持 20 余人 雄厚的技术开发和专业的技术支持团队能够在第一时间 为客户提供各种支持 包括软件底层开发 专业模块定制等其他公司难以完成的服务 这 一点是有别于其他代理商的售后服务 特色的技术支持有按照用户的要求对产品进行及时 合理的更新升级 免费培训系统 在线 离线的 定制 所感兴趣主题的免费技术教程以 及适用于初学者的技术支持 对实际模型的特定培训教程和后续培训支持 等 6 4 复合材料分析高级功能复合材料分析高级功能 复合材料具有各向异性 耦合效应 层间剪切等特殊性质 因此复合材料结构的精确 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 14 仿真 已成为现代风机叶片结构的迫切需求 许多 CAE 程序都可以进行复合材料的分析 但是大多程序并没有提供完备的功能 使复合材料的精确仿真难以完成 如有些程序不提 供非线性分析能力 有些不提供层间剪切应力的求解能力 有些不提供考虑材料失效破坏 继续计算能力等等 Nastran FX 作为一款著名的商业化大型通用有限元软件 广泛应用于 风电能源 航空航天等领域 已为叶片结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的 解决方案 1 复合材料的有限元模型建立 针对叶片结构中的复合材料层合板 梁 实体以及加筋板等结构类型 Nastran FX 提 供一种特殊的复合材料单元 层单元 以模拟各种复合材料 铺层角任意设定 并提供 一系列技术模拟各种复杂层合结构 复合材料层单元支持非线性 振动特性 热应力等各 种结构和热的分析功能和算法 2 复合材料的层合结构定义 铺层结构 Nastran FX 对于每一铺层可先定义材料性质 铺层角 铺层厚度 然后通 过由下到上的顺序逐层叠加组合为复合材料层合结构 也可以通过直接输入材料本构矩阵 来定义复合材料性质 板壳和梁单元截面形状 Nastran FX 利用截面形状工具可定义矩形 I 型 槽型等各 种形式 还可以定义各种函数曲线以模拟变厚度截面 3 特殊层合结构的模拟 变厚度板壳铺层切断 将切断的某铺层厚度定义为零 即可模拟铺层切断前后的板壳 实际形状 不同铺层板壳的节点协调 Nastran FX 板壳层单元的节点均可偏置到任意位置 使不 同铺层数板壳的节点在中面或顶面 底面对齐 蜂窝 泡沫夹层结构 Nastran FX 通过板壳层单元来模拟夹层结构的特性 夹层面板和 芯子可以是不同材料 板 梁 实体组合结构 Nastran FX 将实体 板壳与梁等不同类型单元通过 MPC 技术 相联系 各类单元的节点不需要重合并协调 便于叶片等复杂结构模型的处理 针对复杂 装配体 Nastran FX 还提供自动接触功能 完成复杂装配体的分析 自动接触功能使建模 时间减少 80 以上 4 复合材料有限元模型的检查 复合材料结构模型建立后 可以将板壳和梁单元显示为实际形状 还可以通过图形显 示和列表直观地观察铺层厚度 铺层角度和铺层组合形式 方便模型的检查及校对 5 复合材料层合结构分析 Nastran FX 层单元支持各种静强度刚度 非线性 稳定性和振动特性等结构分析 完 成分析后 可以图形显示或输出每个铺层及层间的应力和应变等结果 虽然一个单元包含 许多铺层 根据这些结果可以判断结构是否失效破坏和满足设计要求 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 15 6 复合材料失效准则 Nastran FX 已经预定义了多达 6 种种复合材料破坏准则来评价复合材料结构安全性 包括最大应变 应力失效准则 蔡 吴 Tsai Wu 准则 希尔 霍夫曼 NASA LaRCO2 Puck PCP 用户可以根据实际分析项目的不同选择不同的失效准则 7 复合材料结构层间剪切应力 复合材料层合结构的层间剪切应力 几乎完全依靠层间界面的树脂基体承载 很容易 导致层合结构的分层破坏 是整个结构的薄弱环节 通常的有限元分析依据经典的层合板 理论 各铺层按平面应力状态计算 不考虑层间应力 不够精确 Nastran FX 可以利用各 铺层单元在厚度方向上的叠加来模拟层合结构 弥补了经典理论的不足 可以精确地求解 层间应力 8 复合材料结构热应力分析 复合材料热膨胀系数的各向异性和铺层方向的不对称造成的耦合效应 使复合材料结 构即使均匀升温也会在结构内部产生热应力 复合材料这一特性与普通均匀材料大为不同 因此复合材料结构的热应力分析必须引起重视 Nastran FX 的结构 热耦合分析 可以对复合材料在热环境下的热膨胀应力 结构固 化成形过程中 100 200 的温差而引起的结构固化变形和残余应力进行分析 Nastran FX 程序中的材料性质 强度准则均可以定义为随温度变化 以此来引入温度 变化对结构物理性能的影响 六 六 NEI Nastran Nastran FX 成功客户 部分用户 成功客户 部分用户 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 16 七 推荐 七 推荐 MIDAS 公司的公司的 CAE 项目实施方案计划书项目实施方案计划书 实施数字化仿真的计划 1 1 实施原则 实施原则 项目实施时 将遵守 3 个原则 成立项目实施小组 项目经理负责 复合材料风机叶片 CAE 实施可行性报告 17 不影响设计任务 让工程师尽快掌握数字化仿真方法帮助及验证产品设计 2 2 实施计划 实施计划 方案应有计划 有步骤 循序渐进地实施 我们项目的第一阶段实施计划是进行大面 积针对专门的 CAE 工程师 或者个别的设计工程师 的数字化仿真基础应用培训 快速提 升整体应用数字化仿真软件的使用水平 第二阶段通过 E mail 电话 视频教程 电话会 议 等帮助 CAE 工程师快速熟练使用软件进行有限元