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-有限元应用基础-第 10 页1、CAE技术CAE(计算机辅助工程)是一个很广的概念，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与可靠性。工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要的技术保障，就是采用先进可靠的CAD/CAE软件。目前，在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟的、国际知名的CAE软件有:ADINA,ABAQUS,NASTRAN,ANSYS, MARCASKA等。现代CAE软件的基本结构和所包含的算法和软件模块分类如下：(1) 前处理模块 直接实体建模和参数化建模，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，荷载与材料参数直接输入与公式参数化导入，节点荷载自动生成，有限元模型信息自动生成等。(2) 有限元分析模块 有限单元库，材料库及相关算法，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CAE软件，在实施有限元分析时，大都根据工程问题的物理、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。(3) 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。(4) 用户界面模块 交互式图形界面，弹出式下拉菜单，数据导入与导出宏命令，以及相关的GUI图符等。(5) 数据管理系统与数据库 不同的CAE软件所采用的数据管理技术差异较大，有文件管理系统，关系型数据库管理系统及面向对象的工程数据库管理系统:其数据库应该包括构件与模型的图形和特性数据库，标准、规范及有关知识库等。(6) 共享的基础算法模块 例如图形算法、数据平滑算法等。值得指出 ，近10年国际上知名的CAE软件在单元库、材料库、前后处理，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。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，材料库所包含的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力就越强。知名的CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使得其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的分析模拟能力。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。如果解法库包含了多种不同类型的高性能求解算法，那它就会对不同类型、不同规模的困难问题，以较快的速度和较高的精度给出计算结果。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，特别是在并行计算机环境下运行。随着CAE软件开发商对单元库、材料库和求解器的改造、扩充和完善，目前国际上先进的CAE软件，己经可以对工程和产品进行如下的性能分析、预报及运行行为模拟：(1) 静力和拟静力的线性与非线性分析。包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。(2) 线性与非线性动力分析。包括交变载荷、爆炸冲击载荷、随机地震载荷以及各种运动载荷作用下的动力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析等。(3) 稳态与瞬态热分析。包括传导、对流和辐射状态下的热分析，相变分析，以及热/结构藕合分析。(4) 静态和交变态的电磁场和电流分析。包括电磁场分析、电流分析、压电行为分析以及电磁/结构祸合分析。(5) 流体计算。包括常规的管内和外场的层流、端流、热/流祸合以及流/固藕合分析。(6) 声场与波的传波计算。包括静态和动态声场及噪声计算，固体、流体和空气中波的传播分析等。前后处理是近十年来发展最快的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，并实现与CAD, CAM, CAPP,PDM等软件无缝集成的关键性软件成分:它们是通过增设与CAD软件，例如PRO/Engineer, Unigraphic, Solidedge, Solidworks, MDT等软件的接口数据模块，实现了CAD, CAE的有效集成;通过增加面向行业的数据处理和优化算法实现了特定行业的有效应用，既给用户提供了方便，又提高了经营效益。伴随着计算机图形用户界面(GUI)和联机共享的图形与数据库软件的发展，CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP正在改变要求用户适应软件的状况，积极朝着适应用户要求，为用户提供方便的方向发展。有些CAE软件不仅具有常见的弹出式下拉式菜单，对话框、工具杆和多种数据导入的宏命令，还开发了若干专用的智能用户界面，帮助用户选择单元形状，分析流程，判断分析结果等。2， ADINA有限元软件ADINA软件是美国ADINA R&D公司的产品，是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台，其广泛应用涉及到各个工业领域、研究机构和教育机构。公司致力于开发全球领先技术的多物理场工程仿真分析系统，ADINA的很多求解技术持有专利，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能一直处在全球领先地位。ADINA程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析软件，同时它还具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准ADINA版本上进行功能扩充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的ADINA程序。ADINA是一个全集成有限元分析系统，所有分析模块使用统一的前后处理用户界面ADINA User Interface(AUI)，易学易用，采用友好Windows图标风格创建几何模型，实现所有建模和前后处理功能。其命令流文件Jobname.in自动记录跟踪用户的所有输入数据，用户可以根据需要随意查看、编辑Jobname.in文件达到重建或修改整个模型的目的。 2.1 ADINA组成模块ADINA有限元软件主要包括以下模块:ADINA-AUI(前后处理模块)ADINA用户界面程序为所有ADINA子程序提供了完整的预处理和后处理功能，它为建模和后处理的所有任务提供了一个完全交互式的图形用户界面。ADINA-F(流体分析模块)ADINA-F程序为可压缩和不可压缩的流体提供了世界一流的有限元和控制流量的解决能力，流体可包含自由表面和流体间以及流体与结构间的流动界面。程序运用一个任意拉格朗日欧拉(ALE)公式。ADINA(结构分析模块)ADINA程序提供了世界领先的，用于2D和3D固体应力分析以及静力学和动力学中结构分析的功能。分析对象可以是线性的或者非线性的，譬如:材料非线性特性的影响、巨大变形和接触条件。ADINA-FSI(流固耦合分析模块)ADINA-FSI程序是用于带有结构相互作用的流体流动完全耦合分析(多物理场)的主要工具。它把ADINA与ADINA-F的所有功能全部整合成一个程序模块，结构和流体流动理想化可使用截然不同的网格。它包含自由表面，使用任意拉格朗日欧拉公式(ALE)。ADINA-FSI(Fluid-Structure Interaction)模块是全球领先的流固藕合求解器，能将ADINA结构和ADINA流体的功能完全融合在一起，而且计算速度很快。在AD1NA的流固耦合分析中，流体和结构的网格独立划分，界面上的网格不需要一致;可考虑自由液面运动、移动壁面问题，当流场区域发生变化时可考虑网格重划分。强大而快速的FSI求解能力使ADINA在土木行业中具有相当广泛的应用，例如:分析桥梁的风振抖颤问题;桥墩与河水相互作用问题；地震作用下水坝与水体的相互作用问题；超大型渡槽结构在地震作用下水体与结构相互作用问题;轻型建筑物(大跨度悬索结构屋盖、薄膜结构等)风振问题；高层、超高层、高耸结构的水箱、水塔在地震、风荷载的作用下水体与结构的相互作用问题以及利用水箱作为高层结构减震器的研究分析；海洋平台结构与水体的相互作用问题；埋地输油或水管道、架空输水输油管道在地震作用下流固耦合分析问题等等。ADINA-T(热分析模块)ADINA-T用来解决固体和结构中的热传递问题。它具有强大的特点，譬如:任意几何图形表面间的辐射、单元生死选项和高度非线性材料特性的功能。ADINA-TMC(热结构耦合分析模块)ADINA-TMC主要用于解决完全耦合的热机械问题。在这类问题中，热溶解影响结构溶解，反之结构溶解也影响热溶解。2.2 ADINA有限元程序近年来，有限元法己经成为复杂结构系统的很有效的应力场和位移场的分析工具，并且研究工作已指向发展分析场问题的有限元技术。ADINA共有71104条FORTRAN语句，415个模块，能解决结构的线性静力、动力问题，非线性的静力、动力问题，线性和非线性的稳态、瞬态温度场问题，以及磁场、电场、流体及耦合场、渗流分析等多种类型的工程问题。自ADINA推出后，在机械、航空、土建、地质、动力及核能等结构分析中发挥了巨大的作用。2.3 ADINA程序的主要特点 采用Parasolid为核心的实体建模技术，这是许多大型CAD软件采用的一种几何建模技术，因此可以方便地创建各种复杂的几何模型。同时，ADINA提供各种数据接口，可以与当前的各种主流CAD软件实行无缝集成(如Unigraphics, SolidWork, SolidEge, Pro/ENGINEER, I-DEAS, AutoCAD等等)，直接利用CAD软件生成的几何模型进行有限元分析计算。ADINA提供了多种网格划分工具，能对复杂模型进行全自动六面体网格划分，单元大小易于调整。另外，ADINA不但可以与CAD软件实现无缝连接，而且还可以与Nastran等软件交换有限元模型数据。2.3.1前处理功能1）Windows图标风格；2）用户可以根据需要添加和减少图标，任意组织界面；3）可对常用功能操作自定义快捷键；4）具有Undo和Redo功能；5）模型动态旋转、缩放和平移；6）各种加载方式，载荷可以随时间和空间位置而变化；7）多种网格划分功能，可对复杂模型进行自动六面体网格划分。2.3.2后处理功能1）支持各种结果变量可视化处理方法，具有网格变形图、彩色云图、等值线图、矢量图、曲线图及其它绘图功能；2）同一窗口可以显示不同的结果图形；3）可对模型图进行隐藏、透明显示；4）屏幕或文件变量数据列表；5）方便的绘制出模型的任意点任一计算结果参量随时间或其他参量的变化曲线，例如应力-应变曲线、位移-时间曲线、应力-时间曲线等等；6）可以进行变量运算，从输出变量中定义导出变量.可以对相对结果进行图形显示(如最终时刻相对于某一时刻的变形情况-相对位移)；ADINA的材料模式十分丰富，除了通用的线弹性、弹塑性、粘弹、粘塑、蠕变等材料模式外，还提供了7种专用于土木方面的材料模式:曲线描述的粘土材料、Drucker-Prager材料、Cam-clay材料、Mohr-coulomb材料、混凝土材料、LUBBY2徐变模型、多孔介质属性(骨架可以是任何材料模型或用户自定义的材料本构)。在ADINA中用户可以根据需要施加各种载荷:力、力矩、位移、线压力、面压力、离心力、重力、电磁力等场力、管的内压力、温度、温度梯度、孔流、孔压力、热流密度、速度以及各种初始条件。这些载荷既可以是恒定载荷，也可以是随时间和空间位置的变化而发生变化，即载荷可以是时间和空间位置的函数。其特点主要有:（1）载荷可以是时间和空间位置的函数，即定义时间函数和空间函数；（2）既可以模拟方向不变的力也可以模拟跟随力，在大变形问题中这将产生截然不同的两种结果，并且力的方向可以是任意的；（3）既可以模拟方向不变的压力也可以模拟结构表面跟随压力；（4）边界条件具有生死功能，可以随时间而变化，这在混凝土的浇筑等应用中具有重要意义；（5）可以方便的给定任意方向的约束，如约束一条任意曲线的切向位移；2.4 ADINA基本分析过程ADINA的工程分析过程基本类似，其基本步骤是:(1)使用前处理系统ADINA-AUI定义有限元模型；(2)应用ADINA, ADINA-T, ADINA-F, ADINA-FSI, ADINA-TMC或这些求解器的组合来对模型实施数值计算；(3)最后用ADINA-AUI进行计算结果的列表、绘图显示等后处理。2.5 ADINA建模的基本内容2.5.1几何模型的建立ADINA-AUI支持使用两种通用技术定义几何模型:ADINA Native ( Simple )几何建模方式:使用本方法，可以定义几何点、几何线段、几何曲面、几何体等。每个线段、曲面和体形状比较简单，能够独立进行网格剖分。组合有公共边界的简单几何对象可以建立具有复杂几何模型。也可以从CAD系统中通过 IGES文件接口读入AUI几何模型。ADINA Parasolid（B-Rep)几何建模方式:使用此方法，使用边界曲面表达法描述每个实体网格划分。每个实体都典型地描述了一个要进行网格划分的完整几何结构。2.5.2单元类型的选取ADINA软件支持12大类单元类型:杆单元、2-D固体单元、3-D固体单元、梁单元、等参梁单元、板单元、壳单元、管单元、弹簧单元、通用单元、2-D流体单元、3-D流体单元。每一类都包括低阶或高阶单元，并可能有不同的算法。ADINA单元的重要特点是单元算法与材料本构相互独立，因此选择单元的主要依据为模型的几何形态及其具备的功能。同时ADiNA中需要定义单元组。单元组是单元类型的定义，对几何元素划分单元时必须指定一个单元组。单元组包含的信息有单元类型、材料类型(由给定材料号确定)、求解过程中的公式和单元组的其他控制信息。划分的单元除具有相同的单元类型外，还具有其它相同的单元组规定的特性，如:材料特性、几何非线性、单元积分点个数、节点自由度、结果输出控制以及不同单元的独特性质。2.5.3材料模型的定义ADINA采用材料表(Material Table)方式管理模型中的材料定义，每种材料具有唯一的材料标号，将在单元组(Element Group )定义中引用。ADINA系统中包括有大量的材料本构，这些本构中大多数材料可用于固体分析。其中包括:弹性材料:各向同性线弹性;正交各向异性线弹性;非线性弹性单轴材料模型;塑性材料;温度相关材料;蠕变效应材料；橡胶类材料:使用Mooney-Rivlin常数的非线性弹性材料:使用Ogden常数的非线性弹性材料;超弹性材料;岩土材料;其他材料:混凝土Concrete material:非线性模式包括开裂和压碎效应，主要用于混凝土；粘弹性Viscoelastic:粘弹性材料；Potential-based fluid:势流体材料；用户定义材料User-supplied material。2.5.4接触定义接触界面的定义过程:1)选择接触算法(Contact Control)ADINA接触分析基于拉格朗日乘子(Lagrangian Multiplyer)算法，在接触界面建立运动方程和动力方程，动力方程中增加一个附加自由度(接触压力)，通过多次迭代以满足不侵入条件。2)接触组定义(Contact Group)定义接触面前，应先定义包含接触面的接触组。接触组规定接触类型(2-D或3-D)和其它控制信息。打开菜单Model/Contact/Contact Group定义接触面组。当定义接触面组时，赋予一个组标号。新生成的接触组自动变成当前的接触组，当然可以特意设定某一接触组为当前接触组。每个接触组或为面-面，或为节点-节点。如果接触组为面面接触类型，那么接触组就由组中的一对或多对接触面组成。如果接触组为节点-节点类型，那么组将由在接触组中的接触点和接触面构成。接触组是接触定义中必不可少的。3)定义至少两个接触面(Contact SurfaceBody)定义接触面可以在几何体上，或者依据单元或节点。使用几何元素定义的接触面:依据几何体定义接触面，选择Model/Contact/Contact Surface菜单，添加接触面标号，并设定Defined on字段为Geometry。然后在表格中输入构造接触面的几何元素号。4)定义接触对(contact Pair)，所有已经定义的接触面应属于某个接触对一个接触对中包含一个接触面(Contactor)，另一个为目标面(Target)；对于段接触，定义一个由目标曲面和接触子曲面组成的接触对，可以考虑计入摩擦系数。对每一个接触对，都必须定义一个接触对标号(如果想要删除修改接触对信息，可以使用该标号)。对于节点一对一节点类型接触，接触对是由某一个目标接触面或接触点，和某一个接触子接触面或接触点构成。一个目标接触面和接触子接触点，对于节点一对一节点类型接触是允许的，反之亦然。5)从2至4步骤反复执行，直到定义完所有接触界面2.5.5网格划分ADINA的网格密度三种主要划分方式:1)指定端点尺寸(End-Point Sizes):根据给定的端点尺寸对几何线、边指定划分密度，划分的单元长度沿着线或边变化，当选择该选项时，必须指定几何线、边的端点划分密度。2)指定划分份数(Divisions):指定沿着线或边的划分份数，可以是等长度划分，也可以按一定比率变长度划分，是指定几何体(volume)、面(surface),线(line)划分密度的最简单的方法，尤其是对面、体进行映射网格划分更加有效。3)指定单元长度(Length):指定单元长度，等长度划分，是指定几何体(body)、面(face)、线(edge)划分密度的最简单的方法。2.5.6载荷定义ADINA载荷定义可以分为两类:一种是标量，一种是矢量。对于矢量载荷，具有方向性，如集中力force，不但要定义大小，而且需要确定其方向；施加载荷前，首先要定义载荷(及其方向)，载荷的大小称为Magnitudeo然后选择加载几何元素以及时间函数等参数。缺省的时间函数为时间函数1；加载主要加载在几何元素上，也可以加载在节点和单元上。加载在几何元素上的载荷不受网格划分的影响；ADINA把各种物理条件施加在几何元素上，如约束、约束方程、载荷、接触等等，这样往往使物理条件的定义简单明了；同时不受单元网格的影响。也可直接将其定义在节点和单元上，此时删除或修改网格时，物理条件定义随之消失。2.5.7有限元模型的建立ADINA对各种问题的工程分析过程基本类似，其基本步骤是:1)建立待分析问题的几何模型a)选定问题类型，选定总体控制参数；b)定义几何模型尺寸，可以通过其他系统输入和域使用ADINA-AUI定义几何模型定义。ADINA-AUI支持使用两种通用技术定义几何模型：1、 AUI几何：使用本方法，可以定义几何点(Point )、几何线段( line )、几何曲面( Surface )、几何体(Volume)等。每个线段、曲面和体形状比较简单，能够独立进行网格剖分。组合有公共边界的简单几何对象可以建立具有复杂几何模型的模型。2、也可以从CAD系统中通过IGES文件接口读入AUI几何模型。2)在几何模型上定义有限元模型a)定义模型所有使用到的单元类型(Element Group ) ；b)划分单元的各种控制参数；c)对几何模型进行网格剖分。3)生成求解器输入的数据文件