计算机辅助工程分析.doc
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1、. .日期:2021年11月20日计算机辅助工程分析摘要:计算机辅助工程,即 CAEputer AidedEngineering,是一个涉及面广、集多学科与工程技术于一体的综合性、知识密集型技术。在产品开发阶段,企业应用 CAE 能有效地对零件和产品进展仿真检测,确定产品和零件的相关技术参数,发现产品缺陷、优化产品设计,并极大降低产品开发本钱。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因,分析质量因素等。目前,CAE 主要应用于汽车、航空、电子、土木工程、通用机械、兵器、核能、油和化工等行业。关键词: CAE 有限元前处理后处理1、计算机辅助工程1.1 CAE的由来CAEputer Aided Eng
2、ineering英文翻译是计算机辅助工程,泛指包括分析、计算和仿真在的一切研发活动。传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真,其核心是基于计算力学的有限元分析技术。制造工程协会SAESociety of Manufacturing Engineering将计算机辅助工程CAE作为 CIMputer Integrated Manufacturing技术构成进展如下定义:分析设计和进展运行仿真,以决定它的性能特征和对设计规那么的遵循程度。CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术,CAE软件是由计算力学、计算数学、构造动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合,而形
3、成一种综合性、知识密集型信息产品。在近20年来市场需求的推动下,CAE技术有了长足的开展,它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。21 世纪,是信息时代,随着计算机技术向更高速和更小型化的开展,分析软件的不断开发和完善以及网络通讯的普及,CAE技术的应用将愈来愈广泛并成为衡量一个科学技术水平和工业现代化程度的重要标志。1.2 CAE的开展CAE 是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学根底开展起来的。其中有限元分析在 CAE 中运用最广,基于有限元技术的 CAE 软件,在数量及应用围上都处于主要地位。有限单元法的根本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合,用这些单
4、元的集合来模拟或逼近原来的物体,从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后,通过对其中各个单元进展单元分析,最终得到对整个物体的分析构造。随着单元数目的增加,解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。CAE 技术开展大致可分为4个阶段与计算机硬件开展密切相关:第一阶段是上世纪五六十年代,主要开发根本的构造分析程序,基于力法和简单的二维和三维位移有限元法;第二阶段是上世纪七十年代,主要开发通用有限元程序,如 NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP 等,也产生了混合元和杂交元理论,形成高效数值求解器,线性静力问题求解根本成熟;第三阶段是上世纪八十年代,主要完善及扩大通
5、用有限元软件,产生了构造优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统,出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值法联合求解技术;第四阶段从上世纪九十年代中期至今,是微机、网络和仿真时代,一面,计算构造技术软件适应新的计算机环境;另一面,计算构造技术与其他学科的综合技术开展迅速,迎来了构造仿真和虚拟验证时代的到来。国的开展从70年代末开场起步,与国际开展对应,可分为两个开展阶段。第一阶段,80年代至90年代中期,是一个快速开展期,开发了大量构造分析软件和 CAE 软件。经过几十年的开展,CAE 软件分析的对象逐渐由线性系统开展到非线性系统,由单一的物理场开展到多场耦合系统,并在
6、航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术、CAD 技术、CAPP 技术、CAM 技术、PDM 技术和 ERP 技术的开展,CAE 技术逐渐与它们相互渗透,向多种信息技术的集成向开展。1.3 CAE 的应用1.3.1汽车制造业中的应用CAE在汽车设计行业中应用是最多的。发动机面可进展其性能的计算机估计,燃烧过程的计算机模拟,冷却、传热的有限元分析、缸体等构造的有限元强度分析;车身面,可进展车身构造动态、静态有限元分析,车身外型空气动力学计算机模拟,车身噪声分析;在底盘面,可进展车架有限元分析,悬架机构有限元分析,变速器、传动轴及车桥等构造强度的有限元分析;整
7、车面,可进展汽车平顺性,操纵稳定性的计算机模拟及撞车的有限元模拟。通过采用CAE 技术,极大地缩短了产品的研制期,减少了开发费用,而且也有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。1.3.2飞机制造业中的应用传统的飞机手工设计法在构造设计面几乎都是应用CAD 系统直接进展平面图的绘制,在工程力学分析中根本都是采用简化的构造和力学模型。由于设计过程不直观,很难在设计阶段就发现设计中存在的问题。在投入最后的研制生产之前,还需要通过样件实验进展校验,如进展风洞试验。采用CAE 技术以后,可以在设计阶段就通过仿真系统模拟飞机的性能,从而在设计阶段就可以对案进展优化,其计算数据也可以用来指
8、导试验,大大节约了研发的期和本钱。1.3.3板材加工成型中的应用板料成形从力学角度而言,是一个包括几、材料、边界等强非线性问题的、非常复杂的力学过程,以往人们求解多以解析法实现其误差甚大。近年来,随着计算机的应用和开展以及有限元技术的成熟,使板料成形的计算机模拟和分析在产品设计制造中发挥着越来越重要的作用。其中主要涉及单元技术及网格划分、算法的选择、本构关系、接触缺陷处理等关键技术以及仿真与集成等应用法。1.3.4模具制造行业中的应用在模具设计工序中进展CAE是为了寻求在冲压加工中常常发生的不良变形、开裂、起皱等的解决对策同时通过CAE的有限元法,分析模具工作面围的构造,减轻模具构造的总重量,
9、增加刚性分析冲压过程中模具各部的发热情况以便于模架构造设计时合理分布冷却水管,延长模具耐用度。分析注塑模的注塑过程的材料流动情况使材料流动更合理,更好解决材料收缩的问题分析三维图形数据是否正确,核对图形,分析曲面形状的曲率变化情况,把分析的结果反响给CAD阶段使之外观更好看工件更容易成形。1.3.5其他行业中的应用随着CAE技术的不断成熟和CAE软件向高性能面的开展,CAE技术的应用围不断扩大,不仅在机械制造业得到了广泛的使用,在其他领域,如生物医学、建筑桥梁、冶金、电子产品制造以及日用消费品的制造中都得到了应用。著名体育用品厂商耐克公司,在高级旅游鞋的受力构造研究设计中,就是采用有限元分析技
10、术在保证鞋体受力均衡的前提下,取得了鞋的最理想重量。1.4 CAE技术开展趋势随着计算机技术的快速开展,无论在性能、功能软、硬件技术等面技术也得到极大的开展,并呈现出如下开展趋势:1) CAE 软件向专业应用向开展:CAE用户开场在通用软件平台上进展二次开发,建立企业级的CAE分析软件,简化分析法,提高 CAE 应用效益,以此来建立和提升企业开发和研制的能力。2) CAE 功能进一步扩大:将实现多构造耦合分析,多物理场耦合分析,多尺度耦合分析,以及构造,构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真等功能。3) 三维图形处理与虚拟现实技术:随着快速三维虚拟现实技术的日趋成熟,CAE软件的前后处理系统将
11、会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动态图形处理技术面有新的开展。4) 并行的CAD、CAE和CAM系统:现在的CAD、CAE 和CAM系统,已经从设计到制造进展了集成。但对于横向的集成还有待于开展。国际标准化组织ISO正在推行新的数据传输国际标准STEP。这必将加快CAD、CAE和CAM集成化的步伐。5) 多媒体用户界面与智能化、网络化:随着计算机网络和图形技术的开展,未来的CAE软件的用户界面具有更强的直觉性。同时,使用户能够实现多专业、异地、协同、综合地设计与分析。这将是 CAE开展的必然趋势。基于internet的面向对象的工程数据库管理系统及工程数据库将会出现在新一代的CAE软件中。
12、2、CAE的目标分类和算法2.1 CAE目标分类对产品的设计要平安、合用和经济降,与此相适应,CAE可以按目标分为(动、静)坚强度分析、可靠性分析和优化.与相关的设计结合在一起,经常被称为静态设计、动态设计、可靠性设计优化设计冲构造静态分析按静态算法对构造进展分析.通常采用有限元算法1静态分析的前提是假定产品(或部件)处于平常外界条件下,其所受载荷是恒定量。2动态分析是对产品构造动态特性的考察.是根据给定的动态特性指标,求解满足要求的构造设计,或对指定设计进展预测或修改的过程.系统动态特性包括系统本身的固有频率、阻尼特性和对应于各阶段固有频率的振型,以及构造在动载荷下的响应.系统动态分析的优劣
13、取决于两面:一是建立符合实际的系统动力学模型,其次是选择有效的动态优化法.3可靠性分析是一种概率法,检验产品在规定的工作条件下、规定的时间、完成规定功能的能力.可靠性分析将常规分析中的设计变量看作是服从某种分布的随机变量,根据所要求的可靠性指标,用率统计的法确定零部件的主要参数和构造尺寸.优化分析是根据优化原理和法,综合各面素,以人机配合式或自动搜索式,在计算机上进展的设计分析,选出现有工程条件下的最正确设计案.其分析目标是最优设计,分析手段是计算机及其程序,分析法是最优化数学法.目标分析法说明了分析与设计间的关系.多目标综合优化设计是当前CAE开展的一个热点。2.2 CAE算法CAE分析能力
14、的扩大得益于计算机算法的提高.新算法的不断引入,推动计算机辅助分析向更广更深的层次开展.总体上看,CAE采用的算法分为基于几模型的算法、基于数理模型的算法以及基于知识的算法。2.2.1基于几模型基于几模型的CAE对CAD提供的几参数进展直接处理.包含质量参数计算、机构分析等容.质量参数计算利用几模型,计算研究对象的体积重心等参数.法包括蒙特卡罗法、单元分割法、积分公式法等.机构分析借助于机械零件或机器人的几模型,对产品进展运动分析和干预检验.运动分析通过矩阵运算来实现。2.22基于数理模型基于数理模型的法运用数值手段,结合产品的几模型,在离散化根底上,进展产品静、动态及热、流场分析,预测产品的
15、功能.根本的数值法包括有限元、边界元、有限差分等.其中,有限元依赖于变分原理,边界元和有限差分分别由积分、微分程推导出来.这3种法,有成熟的商业软件包可供利用,各企业也可以根据分析目标,结合产品特点编制特定的应用程序.3种数值法中,有限元法应用得最普遍,适用于静、动力分析,以及热、磁、流场、声等多场分析,对于不规那么边界的问题处理最有成效.以静力分析为例,它首先将考察构件分割成单元,在每个单元建立作用力和位移之间的关系式,然后集成各单元,得到总体关系式,求解该程,得到场在各离散节点的解.有限元法的通用性使得它可以把固体力学、流体力学、动力学与控制等不同分支中课题的求解统一在一个框架,组织在一个
16、系统中.基于数理模型,产品的分析过程一般分为前处理、模型求解、后处理3个局部.其中前后处理是算法与空间模型的接口,进展相应数据的前期准备与后期整理,完成算式表达和结果显示.模型求解局部实现数理程的解算.对线性化模型,目前法已近于成熟;当前数理法的主要研究向是非线性问题和多体系统建模.数理法的进步与开展与计算机技术的开展直接相关,它的运用可以最充分地调动计算机软硬件资源,实现产品构造及功能关系的检测和优化。2.2.3基于知识基于知识的法,也称人工智能(IA)法,是在知识的系统中实现的,运用的主要元素是知识表达和知识处理.人工智能研究人的思维能力,进展人思维活动的计算机模拟.人工智能主要应用在故障
17、诊断、配置、方案、咨询、决策和建议等面.人工智能有思维认知和工程应用两种取向,纳入CAE畴的是它的工程科学取向,即仿生的建模和处理技术.包括人工神经网络、模拟退火、遗传算法等.以往,计算机的应用是基于确定性规那么,对于含有过多不确定因素的问题,如概念设计,计算机较少涉足.人工智能改变了这种局面,为不确定的知识和经历搭置了算法平台,并具有良好的全局优化功能.人工神经网络仿照生物神经网络的构造和信息处理机制建立模型,由一定数量按一定连接式组织的阑值逻辑单元,即人工神经元构成.神经元间的连接权表示神经元之间的关系.知识存储在神经网络构造和连接关系上.互连的神经元系统具有典型的非线性动力特。3、有限元
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- 计算机辅助 工程 分析
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