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CAD/CAM 技术

CAD/CAM 技术. 任课教师：飞行器制造工程系 课程性质：一级学科基础课 课程编号：071305 课程学时：32（1－10周） 课程学分：2. 第五讲. 计算机辅助工程分析 Computer Aided Engineering. 主讲人 刘继红. 工学博士/教授博导 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院飞行器制造工程系. 已有产品. 市场信息. 需求分析 问题定义. 概念 设计. 详细 设计. 分析 仿真. 生产 准备. 试验. 设计 优化. 设计 评价. 设计信息 (文档模型). CAE/DFX.

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Presentation Transcript

  1. CAD/CAM技术 任课教师：飞行器制造工程系 课程性质：一级学科基础课 课程编号：071305 课程学时：32（1－10周） 课程学分：2

  2. 第五讲 计算机辅助工程分析Computer Aided Engineering 主讲人 刘继红 工学博士/教授博导 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院飞行器制造工程系

  3. 已有产品 市场信息 需求分析 问题定义 概念 设计 详细 设计 分析 仿真 生产 准备 试验 设计 优化 设计 评价 设计信息 (文档模型) CAE/DFX CAE的位置 工程分析是产品开发的基本任务之一，而CAE是CAD/CAM不可缺少的组成部分。

  4. CAE的定义和内容 计算机辅助工程CAE (Computer Aided Engineering)是指用 计算机对工程和产品 进行性能与安全可靠 性分析，模拟工程或 产品未来的状态和运行状态，及早地发现设计缺陷，为优化设计提供依据。准确地说，CAE是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。 CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。

  5. 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 Manufacturing by James A. Rehg and Henry W. Kraebber

  6. CAE的应用 A mathematical modeling technique to obtain solutions to complex engineering problems. • Structural Problems (linear and non-linear) • Heat Transfer 热源（热载荷）存在情况下，静态和动态温度分布 • Fluid Flow (steady and unsteady) 流体的流动、扩散、传播等特性的分析 • Static and Dynamic Analysis 固定载荷或变化载荷下的变形、应变和应力分析 • Electromagnetics and Electrostatics

  7. CAE技术的发展 • 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ADAMS • 1970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/Nastran

  8. CAE的基础理论与方法 1960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。 边界元法（BEM）：积分方程格式 有限差分法（FDM）：微分方程格式

  9. 有限元法的基本思想 • 将连续体看成是有限个部分（有限元）的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。 • 有限元法是将连续体的结构模型分解成数目有限的小单元（有限元）。有限元彼此之间通过有限个结点互相联结，在各结点上引入等效力代替作用在单元上的外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来解决连续体的力学问题。 • 有限元法的实质是将无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题。

  10. 前置处理 方程组求解 后置处理 可视化处理 结构分析 求解刚度矩阵 力学特性分析 建模可靠性检查 单元类型选择 计算可靠性检查 单元划分与编码 分析报告 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 有限元法的基本流程

  11. P P 有限元分析的前置处理 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）。

  12. 有限元分析的前置处理 网格生成方法 适配网格格式 拓扑分解 结点连接 几何分解 栅格 变换单元 保形变换

  13. 有限元分析的前置处理

  14. 有限元分析的前置处理 结构化网格生成方法

  15. 有限元分析的前置处理 非结构化网格生成方法 四叉树法 间接法 Delaunay网格

  16. 有限元分析的前置处理 总刚度矩阵建立 • 位移法：最小势能原理的位移有限元模式 • 应力法：基于余能原理的应力平衡模式 • 位移杂交法：基于广义势能原理的位移杂交模式 • 应力杂交法：基于广义余能原理的应力杂交模式 • 基于混合变分原理的混合有限元模式

  17. 有限元分析的求解 • 求解算法的要求： • 高精度 • 高速度 • 线性静态问题只需求解线性方程组 • 动态非线性问题要求高级的积分法

  18. 有限元分析的后置处理 • 计算结果可视化 • 计算可靠性检查 • 变形图 • 等值线图 • 应力应变彩色图 • 应力应变曲线 • 振型图

  19. 零件/装配参数 FEM 模型 • CAD模型 • Pro/E • UG • CATIA • I-DEAS • MDT CAE 前后置处理 专用接口 • Solver • ANSYS • LS-DYNA • ABAQUS • NASTRAN FEM 结果 参数 CAE与CAD系统的集成

  20. Design Geometry CAD Data Translator IF Foreign CAD Finite Element Geometry ] [ x1 x2 x3 y1 y2 y3 z1 z2 z3 Pre- Processor IF Integrated CAD FE Data Translator IF External Solver Finite Element Results Solver IF Integrated Solver Visualized Result Post-Processor CAD与CAE集成

  21. Pro/ENGINEER MSC.DYTRAN MSC.MARC & MSC.ADVANCED FEA Integrating CADwith aComplete Analysis Solution MSC.FATIGUE CATIA MSC.Patran MSC.NASTRAN STEP ACIS IGES UNIGRAPHICS MSC.LAMINATE MODELER MSC.SUPERMODEL PTC/CADDS 5 MSC.THERMAL ABAQUS ANSYS and In-house codes

  22. Ftotal Y-Force distributed over RHS x-section INPUT DATA: Force/Area = 11.36 N/mm2 Steel: E=200x103 MPa v = 0.29 LHS end Fixed TX,TY,TZ CAD与CAE集成-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/Nastran

  23. CAD与CAE集成-示例 理论值

  24. CAD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

  25. CAD与CAE集成-示例 存为IGES文件

  26. CAD与CAE集成-示例 PATRAN应力分析步骤 • 导入3D/CAD数据IGES文件 • 产生实体 • 用正四面体进行网格剖分（边长50mm） • 选择材料 • 定义固定端 • 定义加载 • 求解 • 绘制应力图 • 确定最大位移和最大应力

  27. CAD与CAE集成-示例 导入IGES文件

  28. CAD与CAE集成-示例 导入IGES文件

  29. CAD与CAE集成-示例 实体定义 Select Solid, B-rep option Select all surfaces Apply

  30. CAD与CAE集成-示例 网格剖分（四面体） Generate mesh from solid, Select tetra element Global edge length = 35 Apply

  31. CAD与CAE集成-示例 定义元素属性 3d solid element Select elements by solid (geometry) Add Apply

  32. CAD与CAE集成-示例 固定端定义 Change view to iso 1 Apply with surface/face geometry Select surface (solid1:13) Add Apply

  33. CAD与CAE集成-示例 固定端定义

  34. CAD与CAE集成-示例 自由端定义 Force in –y direction Select RHS surface Add Apply

  35. CAD与CAE集成-示例 确定最大位移和最大应力 End y-displacement. = 3.87 mm Bending stress (z-stress) Max. tension = 299 MPa Max. compression = 271 Mpa NOTE: mech. of mats bending stress = 206.7 MPa

  36. 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 beam NOTE: Agrees with mechanics of mats.

  37. 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。

  38. CAE与产品样机（Prototype） 样机（亦称原型）是设计的功能性模型，通常在正式批量生产前建造出来，用于评价设计的各项特征与性能。 物理样机：例如汽车的金属或木质比例模型，油泥模型以及全尺寸模型 虚拟样机：Virtual Prototype或者数字样机(Digital Mock-up)

  39. 机械设计师 设计 验证与测试 虚拟样机 共享 模型 概念 物理样机 设计 控制设计师 从CAE到VP（虚拟样机） 以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，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

  40. 未来的发展 研究：新的方法和更有效更精确算法的出现 例如，无网格法 应用：从单学科分析到多学科分析； 从单纯分析到分析与优化的集成 系统：商用CAE系统功能更强大更全面

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