机械CAE技术课件

机械CAE技术本课程内容（基于Solidworks）一、机械CAE技术认知二、工程力学相关知识三、机械产品设计（建模与装配）四、典型零件的有限元分析(Simulation2018)五、运动仿真(Motion2018)一、机械CAE技术认知什么是CAE？CAE(ComputerAidedEngineering）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。主要是以有限元法、有限差分法、有限体积以及无网格法为数学基础发展起来的一个软件行业。在国内有限元法应用最为广泛。与CAD(Design)，CAM(Manufacture)对应。核心思想：CAE系统的核心思想是结构的离散化，即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。功能作用：1.增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；2.缩短设计和分析的循环周期；3.CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；4.采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料消耗或成本；5.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；6.模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；7.进行机械事故分析，查找事故原因。

应用领域：

电子、造船、建筑、航空、航天、机械、汽车等领域。

CAE软件分类专用CAE软件——针对特定类型的工程/产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化计算的软件。通用CAE软件——可以对多种类型的工程/产品的工程行为进行计算分析，模拟仿真，性能预测、评价与优化的软件。

ADAMS多体动力学分析Ansys

多物理场耦合ADINA非线性功能、做流固耦合Abaqus非线性复杂动态问题LS-DYNA专门汽车分析模块Nastran线性问题Solidworks

simulaition有限元分析Moldflow模流分析常用CAE软件有限元分析的基本概念无限元法有限差分法有限体积法边界元法有限元法CAE

有限元方法的实质是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构性问题。选取尺度越小，计算所得数据越精确，计算量成几何级数增大。有限元分析流程明确分析问题的类型：1.研究对象分为：静态结构分析，动态分析。2.研究问题分为线性问题，非线性问题3.按物理场分：结构（固体）、流体、电磁、温度场等分析类型介绍1.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。2.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。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。3.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。非线性包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析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。5.热分析6.电磁场分析7.流体动力学分析8.声场分析。CAE分析工作的要求CAE工作并不一定要拥有大量的专业知识才能够开展，但工作能力的提高与专业知识的掌握程度是息息相关的。一个合格的有限元分析工程师应具备三方面的技能和经验①理论基础，包括力学理论和有限元理论②必要的程序使用经验，对常用商业有限元分析程序能熟练应用③工程实践的经验，对于不同的工程问题能够准确做出判断并确定分析方案。CAE角色及总结数值计算工程经验CAE试验修正二、工程力学相关知识1.应力的概念2.应变的概念3.强度理论(1)作用在金属表面上的力，称为面力或者接触力，它可以是集中力，一般情况下是分布力。面力可以分为作用力、反作用力和摩擦力。作用力是由塑性加工设备提供的，用于使金属坯料发生塑性变形。反作用力是工具反作用于金属坯料的力。一般情况下，作用力与反作用力互相平行，并组成平衡力系。摩擦力是金属在外力作用下产生塑性变形时，在金属与工具的接触面上产生阻止金属流动的力。该力的存在往往引起变形力的增加，对金属的塑性成形往往是有害的。(2)作用在金属物体每个质点上的力，称为体积力。体积力是与变形力内各质点的质量成正比的力，如重力、磁力和惯性力等。作用于金属的外力可分为两类应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力。应变：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变有正应变（线应变），切应变（角应变）及体应变。正应变公式为

，式中l是变形的前长度，Δl是其变形后的伸长量。应变(以单向均匀拉伸为例)(1)工程应变(相对应变、条件应变)

ε--每单位原长的伸长量(2)对数应变(自然应变、真空应变)

ε*--代表一尺寸的无限小增量与该变形瞬时尺寸的比值的积分工程应变的无限小增量表示直线单元长度的变化与它原来长度l0之比，即分析(1)工程应变—不能表示变形的真实情况，变形程度越大，误差越大。当变形程度小于10%时，ε与ε*的数值比较接近；反之，误差逐渐增加。(2)对数应变为可加应变，工程应变为不可加应变。(3)对数应变为可比应变，工程应变为不可比应变。如某物体拉长一倍后ε拉=1=100%；缩短一倍后ε压=-0.5=-50%。拉长一倍与压缩一倍，物体的变形程度应该是一样的(体积不变)。然而，如用工程应变表示拉压的变形程度，则数值相差悬殊，失去可以比较的性质。但用对数应变表示拉压两种不同性质的变形程度，并不失去可以比较的性质。如某物体拉长一倍后ε*拉=ln2=69%；缩短一倍后ε*压=ln1/2=-69%。四个强度理论及其相当应力在常温、静载荷下，常用的四个强度理论分两类包括：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论

第二类强度理论——以出现屈服现象作为破坏的标志包括：最大剪应力理论和形状改变比能理论第一类强度理论——以脆断作为破坏的标志

根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材

料就会沿最大拉应力所在截面发生脆性断裂。

注意：无拉应力时，该理论无法应用。第一类强度理论

最大拉应力理论（第一强度理论）

基本假说：最大拉应力

1是引起材料脆断破坏的因素。脆断破坏的条件：1=u（材料极限应力值）强度条件为：

r1=1[

(9-2-1)最大伸长线应变理论（第二强度理论）基本假说：最大伸长线应变

1是引起材料脆断破坏的因素。脆断破坏的条件：根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿垂直于最大伸长线应变方向的平面发生脆断破坏。（材料极限应变值）即若材料符合胡克定律,则最大伸长线应变为强度条件为:(9-2-2)第二类强度理论屈服条件：

最大剪应力理论(第三强度理论)基本假说：最大剪应力

max是引起材料屈服的因素。根据：当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最大剪应力所在截面滑移而发生屈服失效。

在复杂应力状态下一点处的最大剪应力为即强度条件为：

r3=1-3

[(9-2-3)

形状改变比能理论（第四强度理论）

基本假说：形状改变比能uf

是引起材料屈服的因素。屈服条件：uf=ufu代入上式，可得材料的极限值单轴受拉时:

强度条件为：

(9-2-4)强度条件的统一形式其中:r称为相当应力第4强度理论—形状改变比能理论

第1强度理论—最大拉应力理论第2强度理论—最大伸长线应变理论第3强度理论—最大剪应力理论第一类强度理论（脆断破坏的理论）第二类强度理论（屈服失效的理论）强度理论的分类及名称相当应力表达式1.所用强度理论与在这种应力状态下发生的破坏形式相对应;2.用以确定许用应力[

的,也必须是相应于该破坏形式的极限应力。注意：按某种强度理论进行强度校核时，要保证满足如下两个条件:三、机械产品设计(建模与装配)1.Solidworks概述1)文件的新建、打开、保存、退出2)用户截面菜单栏、功能区、工具栏、状态栏、FeatureManager设计树、属性编辑器标题栏3)工作环境设置设置工具栏、设置工具栏命令按钮、设置快捷键、设置背景、设置实体颜色、设置单位Solidworks用户界面2.草图绘制1)创建草图平面2)草图的创建与约束3)草图CAGD的功能4)利用AutoCAD现有功能练习（一）练习（二）零件造型与特征

一、定位特征1.基准面2.基准轴3.坐标系4.参考点二、基于草图的特征1.拉伸2.旋转3.扫描4.放样三、基于特征的特征1.倒角、圆角2.抽壳、筋3.拔模、圆顶4.比例缩放、镜像

四、孔特征1.简单直孔2.沉头孔3.螺纹孔4.基准面上生成孔

五、特征阵列1.线性特征2.圆周阵列3.草图驱动的阵列4.曲线驱动的阵列5.表格驱动的阵列有限元法与SolidworksSimulationXpressSolidworksSimulationXpress：--是Solidworks公司为用户提供的初步应力分析工具。--是SolidworksSimulation的产品的一部分。--利用设计分析向导为用户提供了一个易用的、一步一步的设计分析方法。有限元法分析步骤SolidworksSimulationXpress分析步骤；选项设置—设置通