计算机辅助设计.docx
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计算机辅助设计
分析复杂工程和产品的结构力学性能,以及优化结构性能等。
而CAE软件可作静态结构分
析,动态分析;研究线性、非线性问题;分析结构(固体)、流体、电磁等。
另外,也指高
级英语证书(CAE),是英语使用人士的高级而权威的资格证明,英国多数大学都承认CAE符
合入学英语条件。
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目录简介基本概念基本结构
CAE分析的三个步骤
CAE软件的结构与功能
发展历史功能及用途矢键技术
CAE软件
常用CAE软件简介
CAE软件的应用分析
新版ansys简介
展幵
简介
基本概念基本结构
CAE分析的三个步骤
CAE软件的结构与功能发展历史
功能及用途尖键技术
CAE软件
常用CAE软件简介
CAE软件的应用分析
新版ansys简介
展开
编辑本段简介
CAE(ComputerAidedEngineering)是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、冈1|度、
屈曲稳定性、动
CAE
CAE
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。
CAE从60年代初在工程上开始应用到今天,已经历了50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
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/CAE/CAPP/CAM的重要
环节。
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。
其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域,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。
此时得到的基本方程是一个代数方程组,而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。
求解后
得到近似的数值解,其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。
根
据经验,CAE各阶段所用的时间为:
40%〜45%用于模型的建立和数据输入,50%〜55%用于
分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。
针对这种情况,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,表示应力、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。
我们称这一过程为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、
工厂的运动和运行状态。
CAE
计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering,CAE技术的提岀就是要把工程(生产)的各个环节有机地组织起来,其尖键就是将有矢的信息集成,使其产生并存在于工程(产品)的整个生命周期。
因此,CAE系统是一个包括了相矢人员、技术、经营管理及信息流和物流
的有机集成且优化运行的复杂的系统。
随着计算机技术及应用的迅速发展,特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的
出现'使计算机图形学(ComputerGraphics,CG)、计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)与计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)等新技术得以十分迅猛的发展。
CADCAM已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车等各个领域中得到了广泛的应用,成为最具有生产潜力的工具,展示了光明的前景,取得了巨大的经济效益。
计算机技术的迅速发展还推动了现代企业管理的发展,企业管理借助于管理信息系统的
支持与帮助,利用信息控制国民经济部门或企业的活动,做出科学的决策或调度,从而提高
管理水平与效益。
企业生产经营活动的各个环节,从工程的立项、签约、设计、施工(生产),一直
到交工(交货)
是一个连续的过程,有机的整体
编辑本段基本概念
从广义上说,计算机辅助工程包括很多,从字面上讲,它可以包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析,
对其未来的工作状态和运行行为进行模拟,及早发现设计缺陷,并证实未来工程、产品功能
和性能的可用性和可靠性。
这里主要是指CAE软件。
CAE软件可以分为两类:
针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测
和优化的软件,称之为专用CAE软件;可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进
行分析、模拟和预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件,称之为通用CAE软件。
CAE
CAE软件的主体是有限元分析(FEAFiniteElementAnalysis)软件。
有限元方法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。
由于单元的数目是有
限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法。
这种方法灵活性很大,只要改变单元的
数目,就可以使解的精确度改变,得到与真实情况无限接近的解。
基于有限元方法的CAE系统,其核心思想是结构的离散化。
根据经验,CAE各阶段所用的时间为:
40%〜45%用于模型的建立和数据输入,50%〜55%
用于分析结果的判读和评定,而真正的分析计算时间只占5%左右。
fKi**■•*■i«r
CAE
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。
我们称这一过程为:
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、工厂的运动和运行状态。
编辑本段基本结构
CAE分析的三个步骤
应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时'一般要经历以下三个过程:
前处理:
对工程或产品进行建模,建立合理的有限元分析模型。
有限元分析:
对有限元模型逬行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有
限元结果生成。
后处理:
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。
CAE
CAE软件的结构与功能
CAE软件的基本结构其中包含以下模块:
前处理模块…给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,载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入,节点载荷自动生成,有限元模型信息自动生成等。
有限元分析模块…有限单元库,材料库及相矢算法,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。
大型通用题的物理、力学和数学特征,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。
后处理模块…有限元分析结果的数据平滑,各种物理量的加工与显示,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。
用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。
CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力,主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度,单元库所包含的单元类型越多,材料库所包括的材料特性种类越全,其CAE软件对工
程或产品的分析、仿真能力越强。
一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度,主要决定于解法库。
先进高效的求解算法与常规的求解算法,在计算效率上可能有几倍、几十倍,甚至几百倍的差异。
前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分,它们是CAE软件满足用户需求,使通
用软件专业化、属地化,并实现CADCAM、CAPRPDM等软件无缝集成的尖键性软件成
分。
它们是通过增设CAD软件,例如Pro/Engineer,UG,Solidedge,CATIAMDT等软件的接口数据模块,实现了CAD/CAE的有效集成。
CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。
有限元分析可完成力学分析(线
性、非线性、静态、动态);场分析(热场、电场、磁场等);频率响应和结构优化等。
机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算,机构的运动模拟及机构参数的
优化。
CAE的作用a)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;
b)缩短设计和分析的循环周期;
CAE
c)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;
d)采用优化设计,找出产品设计最佳方案,降低材料的消耗或成本;
e)在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题;
f)模拟各种试验方案,减少试验时间和经费;
g)进行机械事故分析,查找事故原因。
编辑本段发展历史
国际上早20世纪在50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
其中最为著名的是由美国国家宇航局(NASA)在1965年委托美国计算
科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。
此后有德国的ASKA英国
的PAFEC法国的SYSTUS美国的ABQUSADINA、ANSYSBERSAFEBOSORCOSMOSELASMARC和STARDYN等公司的产品。
1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功,掀起了应用通用
有限元程序来分析计算工程问题的高潮。
在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)
的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95北京大学力学与科学工程系的
SAP84中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。
衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。
目前,ABAQUSANSYS
NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进中国,在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。
中国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节,严重地制约了CAE技术的发
展。
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15%
的速度递增。
相比之下,中国自己的CAE软件工业还非常弱小,仅占有很少量的市场份额。
编辑本段功能及用途
CAE技术是将工程的各个环节有机地组织起来,应用计算机技术、现代管理技术、信息科学技术等科学技术的成功结合,实现全过程的科学化、信息化管理,以取得良好的经济效
益和优良的工程质量。
CAE的功能结构应包含计算机辅助工程计划管理、计算机辅助工程设计、计算机辅助工
程施工管理及工程文档管理等项。
计算机辅助工程计划管理包括工程项目的可行性论证、标书、成本与报价、工程计划进
度、各子项工程计划与进度、预决算报告等。
CAE
计算机辅助工程设计包括工程的设计指标、工程设计的有矢参数及CAD系统,在CAD系统
中应强调设计人员的主导作用,同时注重计算机所提供的支撑与帮助,以在最短的时间内拿
出最优的设计方案来。
同时,还要注意设计数据的提取和保存,以使其有效地服务于工程的
整个生命周期。
计算机辅助施工管理包括工程进度、工程质量、施工安全、施工现场、施工人员、物料供给等方面的管理、控制和调度。
它涉及到工程管理学、运筹学、统计学、质量控制等科学技术。
当然,管理人员的自身素质是管理工作中的决定因素,必须十分重视管理人员在管理
环节中的作用。
CAE技术可广泛地应用于国民经济的许多领域,像各种工业建设项目,例如工厂的建设,公路、铁路、桥梁和隧道的建设;像大型工程项目,例如电站、水坝、水库、船台的建造,船舶及港口的建造和民用建筑等。
它还可应用于企业生产过程之中,及其它的企业经营、管
理控制过程中,例如工厂的生产过程、公司的商业活动等。
编辑本段矢键技术
CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术,其尖键技术有以下几个方面。
⑴计算机图形技术
CAE系统中表达信息的主要形式是图形,特别是工程图。
在CAE运行的过程中,用户与计算机之间的信息交流是非常重要的。
交流的主要手段之一是计算机图形。
所以,计算机图形技术是CAE系统的基础和主要组成部分。
⑵三维实体造型
工程设计项目和机械产品都是三维空间的形体。
在设计过程中,设计人员构思形成的也是三
维形体。
CAE技术中的三维实体造型就是在计算机内建立三维形体的几何模型,记录下该形
体的点、棱边、面的几何形状及尺寸,以及各点、边、面间的连接矢系。
(3)数据交换技术
CAE系统中的各个子系统,个个功能模块都是系统有机的组成部分,它们都应有统一的
几类数据表示格式,是不同的子系统间、不同模块间的数据交换顺利进行,充分发挥应用软
件的效益,而且应具有较强的系统可扩展性和软件的可再用性,以提高CAE系统的生产率。
各种不同的CAE系统之间为了信息交换及资源共享的目的,也应建立CAE系统软件均应遵
守的数据交换规范。
目前,国际上通用的标准有GKSIGESPDESSTEP等。
(4)工程数据管理技术
CAE系统中生成的几何与拓扑数据,工程机械,工具的性能、数量、状态,原材料的性能、数量、存放地点和价格,工艺数据和施工规范等数据必须通过计算机存储、读取、处理和传送。
这些数据的有效组织和管理是建造CAE系统的又一尖键技术,是CAE系统集成的
核心。
采用数据库管理系统(DBMS)对所产生的数据进行管理是最好的技术手段。
⑸管理信息系统
工程管理的成败,取决于能否做出有效的决策。
一定的管理方法和管理手段是一定社会生产力发展水平的产物。
市场经济环境中企业的竞争不仅是人才与技术的竞争,而且是管理水平、经营方针的竞争,是管理决策的竞争。
决策的依据和出发点取决于信息的质量。
所以,建立一个由人和计算机等组成的能进行信息收集、传输、加工、保存、维护和使用的管理信息系统,有效地利用信息控制企业活动是CAE系统具有战略意义、事矢全局的一环。
工程的整个过程归根结底是管理过程,工程的质量与效益在很大程度上取决于管理。
编辑本段CAE软件
常用CAE软件简介
CAE软件按研究对象分为:
静态结构分析,动态分析;按研究问题分为线性问题,非线性问题;按物理场分:
结构(固体)、流体、电磁等。
主要有:
Hyperworks,主要做前处理(分单元加载荷加约束)和后处理(看输岀结果和仿真)
I-DEAS同时也做CAD
SolidWorksSimulation(CAE仿真部分)
SolidWorksMotion
充分利用SolidWorks的强大功能
・自动使用SolidWorks装配体零部件和配合,而不必重新定义它们。
・包含多种运动工具(如SolidWorksMotion、物理模拟和SolidWorks
装配体运动)的单一工作环境,提供了解决运动问题的可扩展方法。
・自动传送SolidWorks中定义的材料属性。
•方便地复制或生成算例,研究多个可能的运动模拟算例。
通过将载荷无缝的传入SolidWorksSimulation,可以直观显示零部件在某个时间点或整个模拟周期内的应力和位移。
将物理模型与工程条件相尖联
•使用SolidWorks配合可生成各种复合运动副,用来代表较链、螺纹副、球面副、圆柱副、平面副和万向节副等各种条件。
•在设计驱动器时使用纯正向作用力来控制加速度和速度。
•将常数函数、振动数据点(样条曲线)函数和步进施力函数应用于马达和作用力。
•在机械装置的运动范围中切换马达开尖。
压缩并解除压缩配合,以强制在零件上定位。
•生成运动副耦合器(运动齿轮),以便实现各种类型齿轮之间的运动,从而逬行动力传送。
•定义在延展时缺乏扭转和柔性刚性的连接时使用的线性和非线性
弹簧。
•定义3D接触(具有静摩擦和动摩擦)来捕获两个或多个接触零件之间的相互作用。
•包括阻尼效果,以降低振动系统的振幅。
使用功能强大且直观的可视化工具来解释结果
•生成整个模拟周期的数值数据的XY坐标图。
•在同一图表中描绘多个XY坐标图。
・可以在运动副位置处显示位移、速度、加速度和力矢量。
・可以在模拟过程中显示实体上任意一点的轨迹并在SolidWorks零
件上直接生成参考曲线。
・装配体移动时检查碰撞的零件。
・使用SolidWorksMotionAW或eDrawings?
格式可捕获物理运动并与其他人分享这些物理运动。
•在任何坐标系中用数值数据生成Microsoft?
Excel格式的图表。
・使用另一坐标系(零件)导出图表。
SolidWorksSimulation轻松快速地比较备选设计方案
•研究零件和装配体的应力、应变和位移。
•使用参数定义分析输入值,例如材料、载荷和几何尺寸。
•使用自动化的设计情形工具运行和比较多种设计方案。
•使用简单的拖放功能生成并复制分析研究算例。
•借助近200种材料的内嵌库,或使用自己的材料自定义该库。
研究不同装配体零部件之间的交互作用
・自动为大型装配体和多实体零件生成网格。
•接合具有间隙或缝隙的零部件,无需修改用于分析的装配体。
•模拟装配体连接(如销钉、弹簧、螺栓、轴承和点焊)。
•研究因压入配合(过盈配合)而产生的应力。
•识别在操作过程中可能互相接触的零件的接触力、应力和摩擦力模拟现实运行环境
・应用力、压力、力矩。
・自动应用轴承载荷。
•将力和约束从远程位置传输到零件或装配体。
•模拟重力或因旋转而产生的力(离心力)的效果。
・应用固定约束或定向约束。
・应用已知位移,而非力。
•模拟柔性支撑。
使用功能强大且直观的可视化工具来解释分析结果・使用3D轮廓图研究结果数值的分布情况(包括应力、应变、变形形状、位移、能量、误差、应变能、密度和反作用力)。
•使用预定义的传感器或探测工具测量任何位置的结果。
•绘制沿路径变化的应力。
•使用剖面图显示沿模型深度的结果,而且可以动态移动这些剖面。
•列出分析结果并自动将数据输出至Microsoft?
Excel和Word。
•导入特定位置的物理测试结果并与分析结果进行比较,或导出尖键位置的分析数据进行物理测试。
•使用设计检查向导确定安全系数。
SolidWorksSimulation模态分析频率算例可帮助您避免共振和设计振动孤立系统。
它们也构成估算线性动态系统的响应的基础;在该系统中动态环境的系统响应设想为与在分析中考虑到的模型的模式分布之和相等。
扭曲分析帮助分析细长杆结构在受压时发生失稳的最低载荷热分析
•机械零件及结构遇到温度变化可对产品性能造成极大的影响。
・研究传导、对流及辐射热传递。
・支持各向同性、正交各向异性及热敏材料属性。
支持稳态和瞬态的热分析
跌落分析模拟在各种地面上的虚拟掉落测试;在零件或装配体可能掉落的情况下,了解掉落后它们是否仍能保持完好无损;查看撞击后装配体中各个零件间的相互作用。
优化分析
•设计优化功能可以根据您指定的标准自动确定最佳设计方案。
•有尖静态分析、热分析、频率分析或扭曲分析的基本约束标准。
•有矢质量或体积的基本客观标准。
疲劳分析
了解疲劳对零件或装配体的影响,确定它会持续多长时间以及对设计进行哪些方面的更改可延长其工作寿命。
•雨流图表有助于确定载荷历史中小应力周期的效果以及无限寿命的可能效果。
•导入从真实物理测试获得的载荷历史数据,从而定义载荷事件。
压力容器
结合静态载荷事件、热载荷事件和地震载荷事件响应,确定压力容器是否符合必要标
准。
•根据应用程序要求,对各种载荷进行线性组合。
•从不同方向对地震载荷执行SRSS计算。
•线性化任何横截面上的应力,检查是否遵守ASME
压力容器规范。
SolidWorksSimulation
Premium
非线性分析
•快速解决因较大变形及边界条件变化导致的非线性问题。
•从线性分析轻松转换到非线性分析。
•研究非线性扭曲和翘曲事件。
•利用橡胶、硅树脂及其他人造橡胶等超弹性材料优化设计。
•进行弹塑性分析,以研究设计中的屈曲和后屈曲分
析。
•包括不同温度下的蠕变效果及材料变化。
动态分析研究SolidWorksSimulation环境中因时间历史激励产生的动态响应分析。
•使用匀速运行系统和多点运动系统,允许您对具有不均匀支撑激励的结构进行建模。
•输入随机振动分析中力激励曲线的功率频谱密度
(PSD)。
•研究随时间变化的应力、位移、速度及加速度,以
及应力、位移、速度及加速度的RMS及PSD值。
组合分析
从简单的日用品到先进的航空结构材料,越来越多的
产品开始采用复合材料。
•研究具有膜片和折弯性能的三层、四层以及实心多
层外壳要素。
每一层均具有自己的各向同性或正交各
向异性材料属性、厚度及方向。
•使用夹层和石墨或碳素纤维复合材料(例如蜂窝型
材料、多孔泡沫和碳素纤维)。
[1]Pro/ENGINEERMechanica综合的CAE软件,Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能
Ansys,很经典的CAE屆内应用最广,客户成熟度最高,尤其是在高校科研领域吃006年收购了Fluent,2008年收购了AN-SOFTFluent是应用最广的流体分析软件,AN-SOFT是应用最广的电磁分析软件。
在收购整合的过程中,Ansys的多物理场耦合成为一大特色。
ADINA,强大的非线性功能、能做直接流固耦合。
Abaqus,强大的非线性复杂动态问题求解器,专门汽车分析模块,
LS-DYNA强大的动态问题求解器,专门汽车分析模块,
Nastran,线性问题求解器
Pamcrash,专门的碰撞研究软件
Moldflow,模流分析软件
AutoForm,钗金冲压,特别是拉深分析软件
Madymo,汽车安全系统,如气囊,安全带整车碰撞性能分析软件
相对欧美国家,由于技术及仿真软件的价格限制,国内CAE技术要落后一些,虽然这个技术得到了普遍的认可,但是普及程度不高。
主要是因为CAE技术使用门槛较高,需要
专业的CAE研发人员。
此外安世亚太与CADFEM在中国合资的安世中德可以提供CAE项目
的咨询服务。
CAE软件的应用分析
一、引言
CAE(计算机辅助工程分析)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。
由于目前在国内有限元法应用最为广泛,故此在这里
主要介绍有限元类软件在国内的应用,其他一些软件不做过多的阐述。
作为20世纪中期兴起的
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- 关 键 词:
- 计算机辅助设计