数字化仿真概述课件

1、Computer-Aided Engineering：Technologies & Applications 授课人：王清辉计算机辅助工程（CAE）技术及其应用2010-9-7华南理工大学 机械与汽车工程学院Email: 数字化分析数字化设计数字化制造数字化生产准备授课目标 了解CAE技术及应用领域计算机辅助工程（CAE）技术及其应用一、计算机辅助工程（CAE）的概念二、CAE技术应用若干案例计算机辅助工程（CAE）技术及其应用加工仿真技术数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。直接实体造型法基于图像空间的

2、方法离散矢量求交法 CAM涉及的一些仿真概念试切，切蜡/木 =在试切环境的模型化、仿真计算和图形显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到制造的时间，降低生产成本。切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参数，从而达到优化

3、切削过程的目的。加工仿真技术CAM涉及的一些仿真概念Definition of CAE CAE is the analysis and evaluation of the engineering design by using computer-based techniques to calculate product operational, functional, and manufacturing parameter too complex for classic manual methods.-Computer-Integrated Manufacturingby James A. R

4、ehg and Henry W. Kraebber1960年，美国克拉夫(R.W.Clough)首先提出“有限元法(Finite Element Method)”概念，形成了计算机辅助工程分析的理论基础和核心算法。该方法不仅可以用于计算静力学模型，而且也可用于动力学模型求解；既可计算稳态温度场的物体热力学响应，也可用于非稳态热源下的时间响应，还可以用于电磁场的力学分析；既可用于刚性结构的受载变形分析，也可用于轮胎等非刚性物体结构设计分析。总之，有限元法已经成为工程结构设计阶段不可缺少的方法和工具。CAE的基础理论与方法边界元法（BEM）：积分方程格式有限差分法（FDM）：微分方程格式CAE的应

5、用有限元法的基本流程前置处理方程组求解后置处理结构分析力学特性分析单元类型选择单元划分与编码建立单元刚度矩阵组装总体刚度矩阵载荷列阵边界条件处理求解刚度矩阵可视化处理建模可靠性检查计算可靠性检查分析报告目的：生成包含结点、单元类型、材料、边界条件、载荷等内容的网格。方式: （1）人机交互的FEM网格建模； （2）CAD系统中的自动或半自动网格生成单元类型：一维的杆单元；二维的梁单元和板单元（三角形和四边形）；三维的多面体单元（四面体和六面体）。有限元分析的前置处理PP有限元分析的前置处理结构化网格生成方法有限元分析的前置处理非结构化网格生成方法Delaunay网格四叉树法间接法CAE技术的发展

6、90年代，CAE公司一方面致力于CAE系统功能的补充与完善，另一方面积极发展与各大CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。80年代，推出了流固耦合、热、噪声等分析软件。1978年HKS公司推出结构非线形分析软件ABAQUS。1977年MDI公司成立，后推出用于机械系统运动学/动力学仿真分析软件ADAMS1970年ANSYS公司推出ANSYS分析软件。1968年SDRC公司动力学测试及模态分析软件。1963年MSC公司推出SADSAM结构分析软件，1965年更名为MSC/NastranMSC.DYTRANMSC.FATIGUEMSC.THERMALMSC.MARC & MSC.ADVAN

7、CED FEAMSC.NASTRANMSC.PatranMSC.LAMINATE MODELERABAQUS ANSYSandIn-house codesMSC.SUPERMODELPro/ENGINEERCATIAUNIGRAPHICSPTC/CADDS 5Integrating CADwith aComplete Analysis SolutionSTEPACISIGESSolver ANSYSLS-DYNAABAQUSNASTRANCAE前后置处理专用接口CAD模型Pro/EUGCATIAI-DEASMDT零件/装配参数参数FEM 结果FEM 模型CAE与CAD系统的集成CAD与CAE集

8、成-示例工字梁三维应力分析三维造型软件：Solidworks应力分析软件：MSC/Patran/NastranFtotal Y-Force distributed over RHS x-sectionINPUT DATA: Force/Area = 11.36 N/mm2LHS endFixed TX,TY,TZSteel:E=200 x103 MPav = 0.29CAD与CAE集成-示例3D Model工字梁X截面草图Z向拉伸工字梁X截面另存为IGES文件CAD与CAE集成-示例存为IGES文件CAD与CAE集成-示例导入IGES文件CAD与CAE集成-示例导入IGES文件Generate

9、 mesh from solid,Select tetra elementGlobal edge length = 35ApplyCAD与CAE集成-示例网格剖分（四面体）3d solid elementSelect elements by solid (geometry)AddApplyCAD与CAE集成-示例定义元素属性Change view to iso 1Apply with surface/face geometrySelect surface (solid1:13) AddApply CAD与CAE集成-示例固定端定义CAD与CAE集成-示例固定端定义Select RHS surf

10、aceAddApplyForce in y directionCAD与CAE集成-示例自由端定义End y-displacement. = 3.87 mmBending stress (z-stress)Max. tension = 299 MPaMax. compression = 271 MpaNOTE: mech. of mats bending stress = 206.7 MPa CAD与CAE集成-示例确定最大位移和最大应力Trans. shear stress (yz-stress)=31.4 MPa in mid-section on NA of beamNOTE: Agree

11、s with mechanics of mats.CAD与CAE集成-示例确定最大位移和最大应力关于CAE的杂谈CAD着重考虑零件或产品的几何设计；CAE着重考虑零件或产品的性能分析。CAD与CAE服务于产品设计过程的不同阶段，两者集成才是设计的最小完整过程。分析模型的建立是应用CAE取得成效的关键。创建一个好的计算分析模型需要正确的CAD模型和更多的经验和数据。再好的有限元软件，再高档的计算机，只能辅助用户提高建模的效率而不决定质量。有限元技术本身并不直接创造价值，只有用于设计过程，有限元技术才会转化为生产力。从CAE到VP（虚拟样机）以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，

12、实现虚拟验证、虚拟测试、虚拟试验与仿真，减少物理试验次数，缩短试验周期，提高产品质量。控制设计师共享模型虚拟样机概念物理样机验证与测试设计设计机械设计师虚拟样机（Virtual Prototyping）多领域建模与仿真虚拟样机（Virtual Prototyping）一、计算机辅助工程（CAE）的概念二、仿真技术应用若干案例计算机辅助工程（CAE）技术及其应用示例1：发动机结构参数化设计 气动设计基本外形数 据零件的参数化建模与修改温度分析设计结束流场分析强度分析是否满足要求输出三维数字化模型、以及分析部分的数据接口文件目的：将发动机结构设计与分析结合，快速修改结构尺寸示例2： 飞机装配过程仿

13、真目的：利用三维模型进行工艺过程设计 ，将产品模型和工艺技术要求直观地在装配过程中展现出来。 飞机设计数模工装模型产品技术要求面向工艺的虚拟装配生产实际操作装配顺序，定位基准，连接方法，干涉检查，工具选用，相关技术条件 等 数字化表示安装定位钻铰锪铆修整检验装配环境构建装配制造资源配置工艺环境布局虚拟工厂组成元素 示例3：数控加工过程仿真目的：检查数控代码的正确性及工艺性分析零件数字模型零件毛坯材料加工仿真系统机床加工自定义刀具库、加工参数经验库、机床运动仿真、碰撞干涉仿真、刀轨仿真、加工精度分析、加工参数优化、刀轨优化、加工变形分析等数控代码 数控加工过程仿真示意图 机床、刀具、零件和夹具干涉检查 加工干涉碰撞（collision）检查 加工过程过切（gouge）检查 模拟、显示刀具轨迹 动态显示、模拟整个加工过程示例4：复杂薄板件模具CAD/CAE/CAM 目的：优化加工工艺