有限元分析課件

1、模具CAE 一、有限元分析一、有限元分析二、金屬塑性成形模擬二、金屬塑性成形模擬三、塑料成型模擬三、塑料成型模擬 材料成形材料成形1、材料成形概念、材料成形概念 狹義地說材料成形，主要是指現(xiàn)代金屬材料的加工，即采用鑄造、鍛壓、焊接、機加等方法將金屬原材料加工成所需的形狀、尺寸，并達到一定的組織性能要求，這一過程又稱為材料加工。在制造業(yè)中，材料成形是生產(chǎn)各種零件或零件毛坯的主要方法。2、材料成形方法、材料成形方法 對于金屬材料而言，按原料的形態(tài)其成形過程可分為：液態(tài)成形、固態(tài)成形和半固態(tài)成形。材料成形材料成形1、液態(tài)成形：、液態(tài)成形：材料成形材料成形2、固態(tài)成形、固態(tài)成形材料成形材料成形3、半固

2、態(tài)成形、半固態(tài)成形塑性與塑性成形塑性與塑性成形1、彈性變形、彈性變形 金屬材料在外力作用下會產(chǎn)生形狀的改變，即變形。當(dāng)外力去除后，如果金屬材料形狀的改變能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)，則此種變形稱之為彈性變形。2、塑性變形：、塑性變形： 當(dāng)外力去除后，如果金屬材料的形狀改變不能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)而產(chǎn)生永久的殘余變形，則此種變形稱為塑性變形。3、塑性、塑性 金屬材料所具有的這種塑性變形能力被稱為金屬的塑性。 4、塑性變形、塑性變形 利用金屬的塑性，使之在一定外力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而得到所需形狀、尺寸精度和組織性能的產(chǎn)品的加工方法，稱為金屬塑性成形，也稱為金屬塑性加工或金屬壓力加工。 如果不考慮切頭、去

3、尾、火耗等損失，那么金屬材料的體積、質(zhì)量在塑性成形前后可看做沒有發(fā)生變化，因此塑性成形是無屑或少屑的金屬加工方法。塑性成形方法與分類塑性成形方法與分類1、根據(jù)加工時工件受力和變形方式的不同，金屬塑性成形方法可分為鍛造、擠壓、軋制、拉拔、沖壓等。2、根據(jù)金屬變形特征的不同，又可將金屬塑性成形分為：體積成形（或稱塊料成形）和板料成形（沖壓）兩大類。3、金屬塑性成形按照加工時工件的溫度又可分為熱塑性成形、冷塑性成形和溫塑性成形。一、有限元分析一、有限元分析n對于一般的工程受力問題，希望通過平衡微分對于一般的工程受力問題，希望通過平衡微分方程、變形協(xié)調(diào)方程、幾何方程和本構(gòu)方程聯(lián)方程、變形協(xié)調(diào)方程、幾何

4、方程和本構(gòu)方程聯(lián)立求解而獲得整個問題的精確解是十分困難的，立求解而獲得整個問題的精確解是十分困難的，一般幾乎是不可能的。隨著一般幾乎是不可能的。隨著20世紀五六十年代世紀五六十年代計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展、以及工程實踐中對計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展、以及工程實踐中對數(shù)值分析要求的日益增長，并發(fā)展起來了有限數(shù)值分析要求的日益增長，并發(fā)展起來了有限元的分析方法。有限元法自元的分析方法。有限元法自1960年由年由Clough首次提出首次提出后，獲得了迅速的發(fā)展；雖然首先只后，獲得了迅速的發(fā)展；雖然首先只是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，但很快就廣泛應(yīng)用是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，但很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流

5、體力學(xué)、成形工藝于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)、成形工藝等連續(xù)問題。等連續(xù)問題。 有限元法有限元法 有限元法解題思路與步驟有限元法解題思路與步驟 有限元法的前置處理有限元法的前置處理 有限元法的后置處理有限元法的后置處理 通用有限元分析軟件通用有限元分析軟件 有限元法工程應(yīng)用有限元法工程應(yīng)用 更大規(guī)模的建筑、更快速的交通工具、更精密的大功率設(shè)更大規(guī)模的建筑、更快速的交通工具、更精密的大功率設(shè)備，備，要求工程師在設(shè)計階段就能精確地預(yù)測產(chǎn)品和工程，要求工程師在設(shè)計階段就能精確地預(yù)測產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能的技術(shù)性能 在計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的為解決復(fù)雜的工程分析計算問題提供了有效途徑有

6、限元分析有限元分析有限元法有限元法目前工程領(lǐng)域內(nèi)常用數(shù)值模擬方法目前工程領(lǐng)域內(nèi)常用數(shù)值模擬方法： 有限元法有限元法 邊界元法邊界元法 離散單元法離散單元法 有限差分法有限差分法 工程分析的方法一般有：和 解析法只能用于求解簡單問題（幾何邊界規(guī)則）解析法只能用于求解簡單問題（幾何邊界規(guī)則） 復(fù)雜的工程問題多應(yīng)用數(shù)值法求近似解復(fù)雜的工程問題多應(yīng)用數(shù)值法求近似解 結(jié)構(gòu)分析的有限元方法由一批學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究者在二十世結(jié)構(gòu)分析的有限元方法由一批學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究者在二十世紀五十年代到二十世紀六十年代創(chuàng)立紀五十年代到二十世紀六十年代創(chuàng)立 有限元分析理論已有有限元分析理論已有100100多年的歷史，是

7、懸索橋和蒸汽鍋爐進行多年的歷史，是懸索橋和蒸汽鍋爐進行手算評核的基礎(chǔ)手算評核的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域平衡問題平衡問題特征值問題特征值問題動態(tài)問題動態(tài)問題結(jié)構(gòu)工程學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué) 宇航工程學(xué) 梁、板殼結(jié)構(gòu)分析 復(fù)雜或混雜結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 結(jié)構(gòu)固有頻率和振型 線性粘彈性阻尼 應(yīng)力波的傳播 結(jié)構(gòu)非周期載荷動態(tài)響應(yīng) 耦合熱彈性力學(xué)與熱粘彈性力學(xué)土力學(xué) 基礎(chǔ)工程學(xué) 巖石力學(xué) 填筑和開挖問題 邊坡穩(wěn)定性問題 隧洞、船閘等分析 流體在土壤和巖石的穩(wěn)態(tài)滲流 土壤結(jié)構(gòu)組合物的固有頻率和振型 土壤與巖石中非定常滲流 流動固結(jié)應(yīng)力波在土壤和巖石中的傳播 土壤與結(jié)構(gòu)動態(tài)相互作用熱傳導(dǎo) 固、流體穩(wěn)態(tài)溫度分布 固體和流體中

8、的瞬態(tài)熱流 流體動力學(xué) 水利工程學(xué)水源學(xué) 流體的勢流 流體的粘性流動 定常滲流水工結(jié)構(gòu) 湖泊和港灣的波動剛性或柔性容器中流體的晃動 河口的鹽度和污染研究 沉積物推移 流體非定常流動 電磁學(xué) 靜態(tài)電磁場分析 時變、高頻電磁場分析有限元法的功用有限元法的功用 物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介物理模擬是采用試驗的方法通過建立物理模型來模擬塑性成形過程。要使通過物理模型所得到的模擬結(jié)果能正確地推廣到原型，就應(yīng)該在模擬中使模型與原型之間滿足相似條件。物理模擬方法有多種，如網(wǎng)格法、云紋法、偏振光法、點式傳感器法等。其中，網(wǎng)格法和云紋法最為常用。物理模擬能夠定量分析塑性成形過程，但物理模型的建立則較為困難，

9、物理模擬的過程對經(jīng)驗的依賴也較大。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（1）縫隙法）縫隙法 為了定性地了解接觸面壓力分布，可在模具的相應(yīng)部分留有垂直于模面的窄縫或小孔，根據(jù)流入窄縫或小孔的模擬材料外形或高度，定性地判定接觸面正壓力分布。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（2）硬度法）硬度法 冷變形時，變形程度越大硬化越強，硬度越高，因此可根據(jù)硬度的分布，判別變形不均勻的程度。根據(jù)下圖能判斷出，圓柱體鐓粗時變形可分為三個區(qū)，中心區(qū)是大變形區(qū)，側(cè)面鼓形是中等變形區(qū)，上下接觸面是小變形區(qū)。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（3）壓痕法）壓痕法 壓痕法中的金屬箔壓痕法的原理與縫隙法相似，就是用金屬箔覆蓋在模擬

10、實驗用模具上，模壁上開有的小孔，變形時模型材料(如鉛等)作用在模壁上的壓力有多大，金屬箔上留下的刻痕尺寸就有多大。根據(jù)刻痕大小的分布，判斷壓力的分布。如果金屬箔經(jīng)過預(yù)先校準，還可以按刻痕尺寸大致地繪制出塑性變形時作用于模壁上的壓力分布。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（4）疊層法）疊層法 疊層法是利用易變形材料(鉛和塑性泥等)制成薄片，然后疊成試樣進行模擬實驗的方法。 為了研究擠壓時的變形流動情況，可以用顏色不同的塑性泥層制成試樣進行擠壓，然后沿子午面切開，由不同顏色的各層位置變化來觀察變形區(qū)的情況，此外，用鉛制成薄片重疊成圓柱體進行鐓粗，不僅可觀察變形流動，還可以把變形后的鉛層分開，通過測量

11、各層不同部位的尺寸變化，計算出變形體內(nèi)的應(yīng)變分布。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（5）坐標網(wǎng)格法）坐標網(wǎng)格法(Coordinate Grid Method) 是研究金屬塑性變形分布應(yīng)用最廣泛的一種方法，其實質(zhì)是，把模型毛坯制成對分試樣，變形前在試樣的一個剖分面上刻上坐標網(wǎng)。變形后根據(jù)網(wǎng)格變化計算相應(yīng)的應(yīng)變，也可由此推算出應(yīng)力分布。坐標網(wǎng)可劃成正方形或圓形，其尺寸根據(jù)坯料尺寸及變形程度確定，一般在2-l0mm之間。當(dāng)網(wǎng)格很小時，可認為網(wǎng)格就代表某質(zhì)點的周邊。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介坐標網(wǎng)格的常用制備方法坐標網(wǎng)格的常用制備方法 在試樣剖面或表面制備坐標網(wǎng)格，可采用直接刻劃法、感光印刷法和

12、貼片法等。感光印刷法中最簡單的是將試樣表面拋光、洗凈，涂上感光膠，然后覆上正確的坐標網(wǎng)底片(母版)，經(jīng)過感光沖洗后，即可得到精細的坐標網(wǎng)。貼片法是先用母版把網(wǎng)格復(fù)制到一種涂有可剝離感光乳劑薄膜的塑料片基上，然后將感光好的劑層粘貼到試樣表面，待貼牢后剝?nèi)ニ芰掀?，使帶有網(wǎng)格的乳劑薄膜留在試樣上。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介 由正方形坐標網(wǎng)格內(nèi)切圓變形后的尺寸計算應(yīng)變在正方形坐標網(wǎng)格內(nèi)刻有內(nèi)切圓。若變形時坐標面上無剪應(yīng)力，則正方形變成了矩形，內(nèi)切圓變成內(nèi)切橢圓,橢圓軸的尺寸和方向反映了主變形的大小和方向(即主軸的方向)，若坐標面上作用有剪應(yīng)力，則正方形變成了平行四邊形,內(nèi)切圓變成了內(nèi)切橢圓，切

13、點不在橢圓的頂點,橢圓的軸與新的主應(yīng)力方向重合，只要測出變形后橢圓的長、短軸尺寸即可計算出主應(yīng)變。物理模擬方法簡介物理模擬方法簡介（6）視塑性法）視塑性法(Visioplasticity Method) 是坐標網(wǎng)格法的發(fā)展，該法的實質(zhì)是，將變形過程劃分為若干增量變形，首先通過實驗建立變形體內(nèi)質(zhì)點的位移場和速度場，然后借助塑性理論的基本方程，算出各點的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率等。該法特別適用于分析穩(wěn)定流動過程，如擠壓、拉拔等工藝。有限元法的解題思路與步驟有限元法的解題思路與步驟（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）基于固體流動變固體流動變分原理分原理:對于連續(xù)體的受力問題，既然作

14、為一個整體獲得精確求解對于連續(xù)體的受力問題，既然作為一個整體獲得精確求解十分困難；于是，作為近似求解，可以假想地將整個求解區(qū)域離十分困難；于是，作為近似求解，可以假想地將整個求解區(qū)域離散化，分解成為一定形狀有限數(shù)量的小區(qū)域（即單元），彼此之散化，分解成為一定形狀有限數(shù)量的小區(qū)域（即單元），彼此之間只在一定數(shù)量的指定點（即節(jié)點）處相互連接，組成一個單元間只在一定數(shù)量的指定點（即節(jié)點）處相互連接，組成一個單元的集合體以替代原來的連續(xù)體的集合體以替代原來的連續(xù)體, ,再綜合求解。再綜合求解。 由于剖分單元的個數(shù)有限，節(jié)點的數(shù)目也有限，所以這種方法由于剖分單元的個數(shù)有限，節(jié)點的數(shù)目也有限，所以這種方法

15、稱為有限元法稱為有限元法從有限元法的解釋可得，有從有限元法的解釋可得，有限元法的實質(zhì)就是將一個無限元法的實質(zhì)就是將一個無限的連續(xù)體，理想化為有限限的連續(xù)體，理想化為有限個單元的組合體，使復(fù)雜問個單元的組合體，使復(fù)雜問題簡化為適合于數(shù)值解法的題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題；且在一定的條結(jié)構(gòu)型問題；且在一定的條件下，問題簡化后求得的近件下，問題簡化后求得的近似解能夠趨近于真實解。似解能夠趨近于真實解。有限元模型真實系統(tǒng)真實系統(tǒng)有限元模型有限元模型 有限元模型有限元模型是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象節(jié)點和單元節(jié)點和單元有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，有限元模型由一些簡單

16、形狀的單元組成，單元間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷單元間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷節(jié)點節(jié)點: 空間中的坐標位置，具有一定空間中的坐標位置，具有一定自由度和存在相互物理作用自由度和存在相互物理作用單元單元: : 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值矩陣描述（稱矩陣描述（稱剛度或系數(shù)矩陣剛度或系數(shù)矩陣) ) 單元有單元有線線、面面或或?qū)嶓w實體以及二維或三以及二維或三維的單元等種類維的單元等種類載荷載荷約束：約束：就是消滅自由度??？就是消滅自由度??？ 第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)信息是通過單元之間的公共節(jié)點傳遞的。.AB.AB.1 node2 nodes分離但節(jié)

17、點重疊的單元分離但節(jié)點重疊的單元 A和和B之間沒有信息傳遞之間沒有信息傳遞 （需進行節(jié)點合并處理）（需進行節(jié)點合并處理） 具有公共節(jié)點的單元具有公共節(jié)點的單元之間存在信息傳遞之間存在信息傳遞 有限元求解問題的基本步驟：有限元求解問題的基本步驟： 根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域 將分析對象按一定的規(guī)則劃分成有限個具有不同大小和形狀單元體的集合，相鄰單元在節(jié)點處連接，單元之間的載荷也僅由節(jié)點來傳遞，習(xí)慣稱有限元有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 有限元求解問題的基本步驟有限元求解問題的基本步驟： 結(jié)構(gòu)離散完成后，對單元進行特性分析，建立各單元節(jié)點位移與節(jié)點力之間的關(guān)系，求出單元的剛度矩陣剛度矩

18、陣 桿系結(jié)構(gòu)，其單元為桿或梁，這些單元的剛度矩陣可以用結(jié)構(gòu)力學(xué)或材料力學(xué)的方法求得。連續(xù)體求單元的剛度矩陣，必須先假定單元內(nèi)的位移分布，再用彈性力學(xué)中的幾何方程來建立應(yīng)變與單元上節(jié)點位移的關(guān)系 最后用物理方程和虛功原理建立節(jié)點力與節(jié)點位移的關(guān)系，即剛度方程剛度方程 有限元求解問題的基本步驟：有限元求解問題的基本步驟： 結(jié)構(gòu)被離散化后，單元與單元之間僅通過節(jié)點發(fā)生內(nèi)力的傳遞，結(jié)構(gòu)與外界也是通過節(jié)點發(fā)生聯(lián)系 作用在單元邊界上的表面力、作用在單元內(nèi)的體積力和集中力等，都必須等效移置等效移置到單元節(jié)點上去，化為相應(yīng)的單元等效節(jié)點載荷 有限元求解問題的基本步驟：有限元求解問題的基本步驟： 將單元總裝形成

19、離散域的總矩陣方程總矩陣方程（聯(lián)合方程組） （1）由各單元剛度矩陣組集成整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣 （2）將作用于各單元的節(jié)點載荷矩陣組集成總的載荷列陣 求得整體坐標系下各單元剛度矩陣后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)上各節(jié)點的力平衡條件組集求得結(jié)構(gòu)的整體剛度方程 整體剛度方程只反映了物體內(nèi)部關(guān)系，并未反映物體與邊界支承等的關(guān)系 未引入約束條件之前，彈性體在力的作用下雖處于平衡，但仍可作剛體位移，整體剛度矩陣是奇異的，即解不唯一 為求得節(jié)點位移的唯一解，須根據(jù)結(jié)構(gòu)與外界支承的關(guān)系引入邊界條件，消除剛度矩陣的奇異性，使方程得以求解，進而將求出的節(jié)點位移代入各單元的物理方程，求得各單元的應(yīng)力 求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的

20、近似值。計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準則提供的允許值比較評價，并確定是否需要重復(fù)計算 有限元求解問題的基本步驟：有限元求解問題的基本步驟： 有限元求解問題的基本步驟：有限元求解問題的基本步驟： 有限元結(jié)構(gòu)分析過程 開始 物理特性分析 按工作情況進行邊界條件處理 形成載荷矩陣 求解剛度矩陣 形成整體剛度矩陣 建立單元剛度矩陣 單元類型分析 單元劃分 ， 單元 、 節(jié)點 編號 ， 輸入原始數(shù)據(jù) 輸出計算結(jié)果 結(jié)束 有限元法的前置處理有限元法的前置處理 有限元前置處理包括：選擇單元類型選擇單元類型，劃分單元劃分單元，確定各節(jié)點和單元的編號及坐標節(jié)點和單元的編號及坐標，確定載荷類型確定載荷類型、邊界條

21、邊界條件件、材料性質(zhì)材料性質(zhì)網(wǎng)格劃分單元非常重要，有限元分網(wǎng)格劃分單元非常重要，有限元分析的精度取決于網(wǎng)格劃分的密度析的精度取決于網(wǎng)格劃分的密度 太密會大大增加計算時間，計算精太密會大大增加計算時間，計算精度卻不會成比例地提高，通常采取度卻不會成比例地提高，通常采取將網(wǎng)格在高應(yīng)力區(qū)局部加密的辦法將網(wǎng)格在高應(yīng)力區(qū)局部加密的辦法 有限元法分析計算時，依據(jù)分析對象不同，采用的單元類型單元類型也不同。分析對象劃分成什么樣的單元，要根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的形形狀特點狀特點，綜合載荷綜合載荷、約束約束等情況全面考慮而定，所選單元類型應(yīng)能逼近實際受力狀態(tài)，單元形狀應(yīng)能接近實際邊界輪廓 單元類型單元類型： 線單元線單元

22、 殼單元殼單元 二維實體單元二維實體單元 三維實體單元三維實體單元線單元: 梁單元梁單元：用于螺栓，薄壁管件，C型截面構(gòu)件，角鋼或細長薄膜構(gòu)件（只需膜應(yīng)力和彎應(yīng)力的情況）等模型 桿單元：桿單元：用于彈簧、螺桿、預(yù)應(yīng)力螺桿和薄膜桁架等模型 彈簧單元：彈簧單元：用于彈簧螺桿、或細長構(gòu)件，或通過剛度等效替代復(fù)雜結(jié)構(gòu)等模型單元類型單元類型： 線單元線單元 殼單元殼單元 二維實體單元二維實體單元 三維實體單元三維實體單元殼單元用于薄板或曲面模型 殼單元分析應(yīng)用基本原則：每塊面板的主尺寸不低于其厚度的十倍單元類型單元類型： 線單元線單元 殼單元殼單元 二維實體單元二維實體單元 三維實體單元三維實體單元二維

23、實體單元用于模擬實體截面二維實體單元用于模擬實體截面 需在整體笛卡爾X-Y平面內(nèi)建立模型 所有的荷載均作用在X-Y平面內(nèi)，并且其響應(yīng)（位移）也在X-Y平面內(nèi)Y X Z 單元類型單元類型： 線單元線單元 殼單元殼單元 二維實體單元二維實體單元 三維實體單元三維實體單元 由于幾何、材料、荷載或分析要求考慮細節(jié)等原因造成無法采用更簡單單元進行建模的結(jié)構(gòu)分析 或從三維CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)化過來的幾何模型轉(zhuǎn)成二維或殼體需要花費大量的時間和精力的情況有限元法的后置處理有限元法的后置處理 有限元分析結(jié)束后，由于節(jié)點數(shù)目多，輸出數(shù)據(jù)量非常龐大，有限元分析結(jié)束后，由于節(jié)點數(shù)目多，輸出數(shù)據(jù)量非常龐大，如靜態(tài)受力分析后節(jié)點

24、的位移量、固有頻率計算后的振型如靜態(tài)受力分析后節(jié)點的位移量、固有頻率計算后的振型 如果靠人工分析這些數(shù)據(jù)，不僅工作量巨大，容易出錯，而且如果靠人工分析這些數(shù)據(jù)，不僅工作量巨大，容易出錯，而且也很不直觀也很不直觀變形圖變形圖 通常使用后置處理器自動處理分析結(jié)果，并根據(jù)操作者的要求形象化為：、及，直觀顯示載荷作用下零件的變形，零件各部分的應(yīng)力、應(yīng)變或溫度場的分布 應(yīng)力等值線圖應(yīng)力等值線圖應(yīng)力應(yīng)變彩色濃淡圖應(yīng)力應(yīng)變彩色濃淡圖矢量圖矢量圖一階振型疊加網(wǎng)格圖一階振型疊加網(wǎng)格圖 二階振型疊加網(wǎng)格二階振型疊加網(wǎng)格通用有限元分析軟件通用有限元分析軟件 自二十世紀自二十世紀6060年代中期以來，大量的理論研究不

25、但拓展了有限年代中期以來，大量的理論研究不但拓展了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，還開發(fā)了許多元法的應(yīng)用領(lǐng)域，還開發(fā)了許多通用通用或或?qū)Ｓ脤Ｓ玫挠邢拊治鲕浖挠邢拊治鲕浖 大型功能強、用戶使用方便、計算結(jié)果可靠和效率高，逐漸形成新的技術(shù)商品，成為強有力的工程分析工具 目前商用有限元程序分析功能幾乎覆蓋所有的工程領(lǐng)域，其程序使用也非常方便，有一定基礎(chǔ)的工程師都可以在不長的時間內(nèi)分析實際工程項目 當(dāng)前，我國工程界比較流行，被廣泛使用的大型有限元分析軟件有 ：、l 是專為解決某一類學(xué)科問題或某一類產(chǎn)品基礎(chǔ)件的計算分析，如滾動軸承設(shè)計分析系統(tǒng)、車輛車架分析系統(tǒng)等，解決問題比較專一，一般規(guī)模較小 如： 模流分

26、析軟件焊接與熱處理分析軟件金屬成形分析軟件、， MSC http:/ MSC 多年來在計算機輔助工程市場一直居于領(lǐng)導(dǎo)地位，收購頂尖高度非線性CAE軟件公司MARC等，更為其在（機械工程輔助分析）行業(yè)奠定了霸主地位 MSC的產(chǎn)品系列很多，不同的軟件模塊執(zhí)行不同的分析功能世界上功能最全面、應(yīng)用最廣泛的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)NASTRAN； 工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)PATRAN； 專用的耐久性疲勞壽命分析工具FATIGUE； 拓撲及形狀優(yōu)化的概念化設(shè)計軟件工具Construct； 處理高度組合非線性結(jié)構(gòu)、熱及其它物理場和耦合場問題的有限元軟件MARC； 求解高度非線性、

27、瞬態(tài)動力學(xué)、流體及流-固耦合分析工具DYTRAN； 當(dāng)今世界唯一全面的商品化材料數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)MVISION； 成型過程仿真專用工具AutoForge； 最著名、最權(quán)威的運動學(xué)動力學(xué)仿真軟件Adams; MSC豐富的產(chǎn)品線包括：豐富的產(chǎn)品線包括： http:/p內(nèi)部物理場的無縫耦合內(nèi)部物理場的無縫耦合 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、熱熱、流體流體與與電磁電磁仿真耦合仿真耦合 耦合方式：耦合方式：直接耦合直接耦合與與間接耦合間接耦合StructuralFluidThermalElectrostaticElectricalMagneticElectro- magnetic外部場外部場CAE/CFDp 多物理場求解器多物

28、理場求解器 構(gòu)建構(gòu)建多產(chǎn)品多產(chǎn)品/場場的耦合平臺的耦合平臺 耦合耦合ANSYS內(nèi)部內(nèi)部物理場物理場 耦合耦合外部外部CAE/CFD物理場物理場 多物理場求解器多物理場求解器 Multi-field SolverMulti-field SolverABAQUS：常用于處理高度非線性結(jié)構(gòu)，熱，流場及其它物理場和多場合場問題 公認解決非線性問題最好的軟件，解決非線性問題精度最高 缺點是經(jīng)常得不到解(不收斂)ABAQUSABAQUS http:/ ADINA http:/ ADINA可進行線性、非線性，靜力、動力、屈曲、熱傳導(dǎo)，壓縮、不可壓縮流體動力學(xué)計算，流-固耦合分析 ADINA是美國ADINA公

29、司研究開發(fā)的老牌通用有限元分析系統(tǒng)，技術(shù)成熟，集成環(huán)境包括自動建模、分析和可視化后處理。適于各種機械、土木建筑工程結(jié)構(gòu)、石油化工、航空、船舶和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，進行結(jié)構(gòu)強度設(shè)計、可靠性分析評定及科學(xué)前沿研究 SAP2000：桿件方面的計算很有特色，也可以計算板、殼 前身是前身是8080年代加州大學(xué)年代加州大學(xué)BerkleyBerkley分校著名的分校著名的SAP5SAP5（北大曾改成（北大曾改成SAP85SAP85）SAP2000SAP2000 http:/ MOLDFLOW：可完成包括注塑成型的流動，模具冷卻，收縮，翹曲等塑料過程仿真，同行中的龍頭 MOLDFLOWMOLDFLOW http:

30、/ Dynaform http:/neta/Dynaform是由美國是由美國ETA公司開發(fā)的用于鈑金成形模擬和模具設(shè)計公司開發(fā)的用于鈑金成形模擬和模具設(shè)計的專用軟件包，可以預(yù)測成形過程中板料的的專用軟件包，可以預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、裂紋、起皺、減薄、劃痕、回彈，評估板料的成形性能，回彈，評估板料的成形性能，可以幫助模具設(shè)計人員顯著減少模具開可以幫助模具設(shè)計人員顯著減少模具開發(fā)設(shè)計時間及試模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智發(fā)設(shè)計時間及試模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智能化自動工具，可方便地求解各類板成形問題和快速設(shè)計模具。能化自動工具，可方便地求解

31、各類板成形問題和快速設(shè)計模具。Deform http:/ CFX: 化學(xué)和過程工業(yè)公認為解決流體流動、傳熱、多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒問題的首選工程仿真軟件。在復(fù)雜幾何、網(wǎng)格、求解這三個CFD傳統(tǒng)瓶頸問題上均有重大突破的商業(yè)CFD軟件CFXCFX http:/ FLUENTFLUENT http:/ CFD領(lǐng)域人人皆知的軟件紫瑞紫瑞CAE http:/國內(nèi)首創(chuàng)，面向一般機械設(shè)計人員，方便易用FEPG http:/有限元法工程應(yīng)用有限元法工程應(yīng)用第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)p 固體力學(xué)：如線性和非線性靜力分析、動力分析或穩(wěn)定固體力學(xué)：如線性和非線性靜力分析、動力分析或穩(wěn)定性分析、斷裂力學(xué)

32、和復(fù)合材料力學(xué)分析，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、性分析、斷裂力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)分析，求解結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、溫度分布和頻率特性等。位移、溫度分布和頻率特性等。 p 流體力學(xué)：如不可壓縮和可壓縮的非粘性和粘性流體分流體力學(xué)：如不可壓縮和可壓縮的非粘性和粘性流體分析，求解流場的壓力、溫度、密度和流速的分布等。析，求解流場的壓力、溫度、密度和流速的分布等。 p 傳熱學(xué)：如分析熱傳導(dǎo)過程，求解熱傳導(dǎo)速度和溫度分傳熱學(xué)：如分析熱傳導(dǎo)過程，求解熱傳導(dǎo)速度和溫度分布等。布等。 p 材料成型：如分析注射（或鑄造）過程中塑料（或金屬）材料成型：如分析注射（或鑄造）過程中塑料（或金屬）熔體的流動充模、冷卻固化、壓力、溫度分布，

33、以及模擬熔體的流動充模、冷卻固化、壓力、溫度分布，以及模擬壓力加工過程中金屬的塑性變形、回弾、扭曲、起皺等。壓力加工過程中金屬的塑性變形、回弾、扭曲、起皺等。金屬擠壓成型：溫度分布和變化齒輪滾動接觸應(yīng)力分析軋制注塑成形超音速導(dǎo)彈飛行轎車后懸架彈簧支座沖壓過程反潛魚雷入水潛射導(dǎo)彈穿甲碎片水下爆炸對艦船沖擊 第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)問題1：如圖所示的制件，在成形過程中會產(chǎn)生哪些缺陷？出現(xiàn)的部位在何處？ 問題2：上圖中制件沖壓成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變怎樣分布？制件各處的厚度具體數(shù)值為多少？問題3：下圖塑件在充型過程和冷卻過程中各處的溫度具體為多少？ 金屬塑性成形與塑料成型模擬金屬塑性成形

34、與塑料成型模擬第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)（1）靠經(jīng)驗類比（公式中的各種系數(shù)）與較大的安全系數(shù)來確定結(jié)構(gòu)尺寸和用材； （2）對結(jié)構(gòu)動特性和耦合特性的分析基本無能為力； （3）對設(shè)計結(jié)果難以把握，一般要通過實驗來驗證。1、傳統(tǒng)分析法的弱點第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)值模擬技術(shù)第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ)第三章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ) 利用有限元法、有限差分法和(或)其它數(shù)學(xué)方法在計算機上仿真(虛擬實驗)材料的成形過程。是屬于計算機輔助工程技術(shù)（computer aided engineering，簡稱CAE） 一個內(nèi)容 。2、材料成形數(shù)值模擬 第三

35、章 計算機輔助工程（CAE）技術(shù)基礎(chǔ) 了解材料成形中工件和模具的位移場、速度場、應(yīng)變場、應(yīng)力場和溫度場等，以此預(yù)測工件中組織性能的變化及其可能出現(xiàn)的缺陷； 通過虛擬材料成形過程，檢驗工件的最終形狀、尺寸、性能等是否符合設(shè)計要求，為正確選用機器設(shè)備和模具材料、合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)提供依據(jù)； 優(yōu)化材料成形工藝設(shè)計和方案設(shè)計； 縮短開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。3、計算機模擬技術(shù)在材料成型中的作用4. 塑性有限元的基本概念n金屬塑性變形過程非常復(fù)雜，是一種典型的非線性問題，不單包含材料非線性，也有幾何非線性和接觸非線性。因此，塑性有限元與線彈性有限元相比也就復(fù)雜得多 。塑性有限元與線彈性有限元相

36、比也就復(fù)雜得多，這主要體現(xiàn)為： n1） 由于塑性變形區(qū)中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為非線性的，為了便于求解非線性問題，必須用適當(dāng)?shù)姆椒▽栴}進行線性化處理；一般采用增量法（或稱逐步加載法）即將物體屈服后所需加的載荷分成若干步施加，在每個加載步的每個迭代計算步中，把問題看作是線性的。n 2） 塑性問題的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不一定是一一對應(yīng)的；塑性變形的大小，不僅取決于當(dāng)時的應(yīng)力狀態(tài)，而且還決定于加載歷史；而卸載與加載的路線不同，應(yīng)變關(guān)系也不一樣；因此，在每一加載步計算時，一般都應(yīng)檢查塑性區(qū)內(nèi)各單元是處于加載狀態(tài)，還是處于卸載狀態(tài)。 n 3） 塑性變形中，金屬與工模具的接觸面不斷變化；因此，必須考慮非線性接觸與動

37、態(tài)摩擦問題。n4） 塑性理論中關(guān)于塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與硬化模型有多種理論，材料屬性有的與時間無關(guān)，有的則是隨時間變化的粘塑性問題；于是，采用不同的理論本構(gòu)關(guān)系不同，所得到的有限元計算公式也不一樣。n5） 對于一些大變形彈塑性問題，一般包含材料和幾何兩個方面的非線性，進行有限元計算時必須同時考慮單元的形狀和位置的變化，即需采用有限變形理論。而對于一些彈性變形很小可以忽略的情況，則必須考慮塑性變形體積不變條件，采用剛塑性理論。彈塑性有限元的基本原理n在塑性變形過程中，如果彈性變形不能忽略并對成形過程有較大的影響時，則為彈塑性變形問題，如典型的板料成形。n在彈塑性變形中，變形體內(nèi)質(zhì)點的位移和轉(zhuǎn)動較小，應(yīng)變與位移基本成線性關(guān)系時，可認為是小變形彈塑性問題；n當(dāng)質(zhì)點的位移或轉(zhuǎn)動較大，應(yīng)變與位移為