數字化仿真概述課件

1、Computer-Aided Engineering：Technologies & Applications 授課人：王清輝計算機輔助工程（CAE）技術及其應用2010-9-7華南理工大學 機械與汽車工程學院Email: 數字化分析數字化設計數字化制造數字化生產準備授課目標 了解CAE技術及應用領域計算機輔助工程（CAE）技術及其應用一、計算機輔助工程（CAE）的概念二、CAE技術應用若干案例計算機輔助工程（CAE）技術及其應用加工仿真技術數控加工仿真利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產效率。直接實體造型法基于圖像空間的

2、方法離散矢量求交法 CAM涉及的一些仿真概念試切，切蠟/木 =在試切環(huán)境的模型化、仿真計算和圖形顯示等方面取得了重要的進展，目前正向提高模型的精確度、仿真計算實時化和改善圖形顯示的真實感等方向發(fā)展。NC切削過程仿真分幾何仿真和力學仿真兩個方面。幾何仿真不考慮切削參數、切削力及其它物理因素的影響，只仿真刀具-工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯誤而導致的機床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報廢等問題；同時可以減少從產品設計到制造的時間，降低生產成本。切削過程的力學仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動態(tài)力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數，從而達到優(yōu)化

3、切削過程的目的。加工仿真技術CAM涉及的一些仿真概念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 Manufacturingby James A. R

4、ehg and Henry W. Kraebber1960年，美國克拉夫(R.W.Clough)首先提出“有限元法(Finite Element Method)”概念，形成了計算機輔助工程分析的理論基礎和核心算法。該方法不僅可以用于計算靜力學模型，而且也可用于動力學模型求解；既可計算穩(wěn)態(tài)溫度場的物體熱力學響應，也可用于非穩(wěn)態(tài)熱源下的時間響應，還可以用于電磁場的力學分析；既可用于剛性結構的受載變形分析，也可用于輪胎等非剛性物體結構設計分析?？傊?，有限元法已經成為工程結構設計階段不可缺少的方法和工具。CAE的基礎理論與方法邊界元法（BEM）：積分方程格式有限差分法（FDM）：微分方程格式CAE的應

5、用有限元法的基本流程前置處理方程組求解后置處理結構分析力學特性分析單元類型選擇單元劃分與編碼建立單元剛度矩陣組裝總體剛度矩陣載荷列陣邊界條件處理求解剛度矩陣可視化處理建?？煽啃詸z查計算可靠性檢查分析報告目的：生成包含結點、單元類型、材料、邊界條件、載荷等內容的網格。方式: （1）人機交互的FEM網格建模； （2）CAD系統中的自動或半自動網格生成單元類型：一維的桿單元；二維的梁單元和板單元（三角形和四邊形）；三維的多面體單元（四面體和六面體）。有限元分析的前置處理PP有限元分析的前置處理結構化網格生成方法有限元分析的前置處理非結構化網格生成方法Delaunay網格四叉樹法間接法CAE技術的發(fā)展

6、90年代，CAE公司一方面致力于CAE系統功能的補充與完善，另一方面積極發(fā)展與各大CAD軟件的專用接口并增強軟件的前后置處理能力。80年代，推出了流固耦合、熱、噪聲等分析軟件。1978年HKS公司推出結構非線形分析軟件ABAQUS。1977年MDI公司成立，后推出用于機械系統運動學/動力學仿真分析軟件ADAMS1970年ANSYS公司推出ANSYS分析軟件。1968年SDRC公司動力學測試及模態(tài)分析軟件。1963年MSC公司推出SADSAM結構分析軟件，1965年更名為MSC/NastranMSC.DYTRANMSC.FATIGUEMSC.THERMALMSC.MARC & MSC.ADVAN

7、CED FEAMSC.NASTRANMSC.PatranMSC.LAMINATE MODELERABAQUS ANSYSandIn-house codesMSC.SUPERMODELPro/ENGINEERCATIAUNIGRAPHICSPTC/CADDS 5Integrating CADwith aComplete Analysis SolutionSTEPACISIGESSolver ANSYSLS-DYNAABAQUSNASTRANCAE前后置處理專用接口CAD模型Pro/EUGCATIAI-DEASMDT零件/裝配參數參數FEM 結果FEM 模型CAE與CAD系統的集成CAD與CAE集

8、成-示例工字梁三維應力分析三維造型軟件：Solidworks應力分析軟件：MSC/Patran/NastranFtotal Y-Force distributed over RHS x-sectionINPUT DATA: Force/Area = 11.36 N/mm2LHS endFixed TX,TY,TZSteel:E=200 x103 MPav = 0.29CAD與CAE集成-示例3D Model工字梁X截面草圖Z向拉伸工字梁X截面另存為IGES文件CAD與CAE集成-示例存為IGES文件CAD與CAE集成-示例導入IGES文件CAD與CAE集成-示例導入IGES文件Generate

9、 mesh from solid,Select tetra elementGlobal edge length = 35ApplyCAD與CAE集成-示例網格剖分（四面體）3d solid elementSelect elements by solid (geometry)AddApplyCAD與CAE集成-示例定義元素屬性Change view to iso 1Apply with surface/face geometrySelect surface (solid1:13) AddApply CAD與CAE集成-示例固定端定義CAD與CAE集成-示例固定端定義Select RHS surf

10、aceAddApplyForce in y directionCAD與CAE集成-示例自由端定義End y-displacement. = 3.87 mmBending stress (z-stress)Max. tension = 299 MPaMax. compression = 271 MpaNOTE: mech. of mats bending stress = 206.7 MPa CAD與CAE集成-示例確定最大位移和最大應力Trans. shear stress (yz-stress)=31.4 MPa in mid-section on NA of beamNOTE: Agree

11、s with mechanics of mats.CAD與CAE集成-示例確定最大位移和最大應力關于CAE的雜談CAD著重考慮零件或產品的幾何設計；CAE著重考慮零件或產品的性能分析。CAD與CAE服務于產品設計過程的不同階段，兩者集成才是設計的最小完整過程。分析模型的建立是應用CAE取得成效的關鍵。創(chuàng)建一個好的計算分析模型需要正確的CAD模型和更多的經驗和數據。再好的有限元軟件，再高檔的計算機，只能輔助用戶提高建模的效率而不決定質量。有限元技術本身并不直接創(chuàng)造價值，只有用于設計過程，有限元技術才會轉化為生產力。從CAE到VP（虛擬樣機）以虛擬樣機（Virtual Prototype）為基礎，

12、實現虛擬驗證、虛擬測試、虛擬試驗與仿真，減少物理試驗次數，縮短試驗周期，提高產品質量?？刂圃O計師共享模型虛擬樣機概念物理樣機驗證與測試設計設計機械設計師虛擬樣機（Virtual Prototyping）多領域建模與仿真虛擬樣機（Virtual Prototyping）一、計算機輔助工程（CAE）的概念二、仿真技術應用若干案例計算機輔助工程（CAE）技術及其應用示例1：發(fā)動機結構參數化設計 氣動設計基本外形數 據零件的參數化建模與修改溫度分析設計結束流場分析強度分析是否滿足要求輸出三維數字化模型、以及分析部分的數據接口文件目的：將發(fā)動機結構設計與分析結合，快速修改結構尺寸示例2： 飛機裝配過程仿

13、真目的：利用三維模型進行工藝過程設計 ，將產品模型和工藝技術要求直觀地在裝配過程中展現出來。 飛機設計數模工裝模型產品技術要求面向工藝的虛擬裝配生產實際操作裝配順序，定位基準，連接方法，干涉檢查，工具選用，相關技術條件 等 數字化表示安裝定位鉆鉸锪鉚修整檢驗裝配環(huán)境構建裝配制造資源配置工藝環(huán)境布局虛擬工廠組成元素 示例3：數控加工過程仿真目的：檢查數控代碼的正確性及工藝性分析零件數字模型零件毛坯材料加工仿真系統機床加工自定義刀具庫、加工參數經驗庫、機床運動仿真、碰撞干涉仿真、刀軌仿真、加工精度分析、加工參數優(yōu)化、刀軌優(yōu)化、加工變形分析等數控代碼 數控加工過程仿真示意圖 機床、刀具、零件和夾具干涉檢查 加工干涉碰撞（collision）檢查 加工過程過切（gouge）檢查 模擬、顯示刀具軌跡 動態(tài)顯示、模擬整個加工過程示例4：復雜薄板件模具CAD/CAE/CAM 目的：優(yōu)化加工工藝