計算機三維CAE三維建模技術(shù)及其應(yīng)用

計算機三維CAE三維建模技術(shù)及其應(yīng)用計算機三維CAE三維建模技術(shù)及其應(yīng)用計算機三維CAE三維建模技術(shù)及其應(yīng)用xxx公司計算機三維CAE三維建模技術(shù)及其應(yīng)用文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度計算機三維建模技術(shù)及其應(yīng)用摘要：計算機輔助工程分析（CAE）的主要內(nèi)容及分析計算方法，以及有限元分析的基本原理與分析步驟，包括有限元分析軟件的組成與數(shù)據(jù)前處理、后處理的主要內(nèi)容。關(guān)鍵字：CAE、有限元分析、數(shù)據(jù)前后處理1.計算機輔助工程分析（CAE）的主要內(nèi)容CAE(ComputerAidedEngineering)是用計算機輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。2.計算機輔助工程分析（CAE）分析計算CAE系統(tǒng)的核心思想：即結(jié)構(gòu)的離散化，將實際結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。分析計算方法過程如下：（1）將一個形狀復(fù)雜的連續(xù)體的求解區(qū)域分解為有限的形狀簡單的子區(qū)域，即將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組合的等效組合體；（2）通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場變量(應(yīng)力、位移、壓力和溫度等)問題簡化為求解有限的單元節(jié)點上的場變量值。（3）此時得到的基本方程是一個代數(shù)方程組，而不是原來描述真實連續(xù)體場變量的微分方程組。求解后得到近似的數(shù)值解，其近似程度取決于所采用的單元類型、數(shù)量以及對單元的插值函數(shù)。3.有限元分析的基本原理有限元方法的基本思想：是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。同時由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解。有限元分析的分析步驟數(shù)值模擬的主要工作內(nèi)容包括：（1)建立研究對象的數(shù)學(xué)模型；（2)選擇可靠的數(shù)值算法；（3）分析計算結(jié)果：有限元分析的基本步驟如下。（1)建立研究對象的近似模型：在進行數(shù)值計算之前，需要建立研究對象的模型。建模過程主要依靠基礎(chǔ)實驗或者觀測的結(jié)果，需要大量學(xué)科領(lǐng)域知識。在進行有限元分析的時候很難把研究對象的所有細(xì)節(jié)都包括進來，有時是因為缺乏實驗觀測數(shù)據(jù)，有時是需要縮小計算規(guī)模，因此需要對研究對象進行不同程度的簡化。通常在研究對象的幾何形狀、材料特性和邊界條件這三個方面做適當(dāng)?shù)暮喕?。?)將研究對象分割成有限數(shù)量的單元：研究者很難從整體上分析對象系統(tǒng)，需要把對象系統(tǒng)分解成有限數(shù)量的、形式相同、相對簡單的分區(qū)或組成部分，這個過程也被稱為離散化。每個分區(qū)是一個由基本單元，把空間連續(xù)的問題轉(zhuǎn)化成由一些基本單元組成的離散問題。（3)用標(biāo)準(zhǔn)方法對每個單元提出一個近似解：研究者能夠比較容易地分析基本單元的行為，提出求解基本單元的方法。提出適用于所有單元的標(biāo)準(zhǔn)求解方法，就可以編制計算機程序求解所有的單元。（4)將所有單元按標(biāo)準(zhǔn)方法組合成一個與原有系統(tǒng)近似的系統(tǒng)：將基本單元組裝成一個近似系統(tǒng)，在幾何形狀和性能特征方面可以近似地代表研究對象。通過分析近似系統(tǒng)，可以了解研究對象的性能特征。找到某種標(biāo)準(zhǔn)的組裝方法，就可以用計算機程序組裝數(shù)目巨大的單元。（5)用數(shù)值方法求解這個近似系統(tǒng)：采用離散化之后，就不需要再求解復(fù)雜的偏微分方程組，而轉(zhuǎn)換為求解線性方程組。數(shù)學(xué)家提出了許多求解大規(guī)模線性方程組的數(shù)值算法。（6)計算結(jié)果處理與結(jié)果驗證：由數(shù)值計算可以得到大量的數(shù)據(jù)，如何顯示、分析數(shù)據(jù)并找到有用的結(jié)論是人們一直關(guān)系的問題。目前，商用有限元軟件都具有后處理功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化顯示，如顯示物體的變形、溫度場分布等，使得計算結(jié)果變得更加直觀。也可以使用一些專用的數(shù)據(jù)可視化工具來處理計算結(jié)果。如何判定計算結(jié)果是否正確，是有限單元法應(yīng)用中的關(guān)鍵問題?？梢圆捎门c實驗或觀測數(shù)據(jù)對比、與簡化模型對比或與理論計算結(jié)果對比。研究者的領(lǐng)域知識也有助于正確理解計算結(jié)果。有限元分析軟件的組成（1）ABAQUS是一套先進的通用有限元系統(tǒng)，屬于高端CAE軟件。它長于非線性有限元分析,可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大的復(fù)雜問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究，其系統(tǒng)級分析的特點相對于其他分析軟件來說是獨一無二的。需要指出的是，ABAQUS對爆炸與沖擊過程的模擬相對不如DYTRAN和LS-DYNA3D。（2）ADINA是近年來發(fā)展最快的有限元軟件，它獨創(chuàng)有許多特殊解法,如勁度穩(wěn)定法(StiffnessStabilization),自動步進法(AutomaticTimeStepping),外力-變位同步控制法(Load-DisplacementControl)以及BFGS梯度矩陣更新法,使得復(fù)雜的非線性問題(如接觸,塑性及破壞等),具有快速且?guī)缀踅^對收斂的特性,且程式具有穩(wěn)定的自動參數(shù)計算,用戶無需頭痛于調(diào)整各項參數(shù)。另外值得一提的就是它有源代碼，我們可以對程序進行改造，滿足特殊的需求。（3）ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，發(fā)展了很多版本，但是它們核心的計算部分變化不大，只是模塊越來越多，這些模塊并不是ANSYS公司自己搞的，而是把別人的東西買來集成到自己的環(huán)境里。ANSYS系統(tǒng)擅長于多物理場和非線性問題的有限元分析,在鐵道，建筑和壓力容器方面應(yīng)用較多。（4）Pro/ENGINEERMechanical是綜合的CAE軟件，Pro/ENGINEER包含完整的CAD/CAM功能相對歐美國家，由于技術(shù)及仿真軟件的價格限制，國內(nèi)CAE技術(shù)要落后一些，雖然這個技術(shù)得到了普遍的認(rèn)可，但是普及程度不高。主要是因為CAE技術(shù)使用門檻較高，需要專業(yè)的CAE研發(fā)人員。此外安世亞太與CADFEM在中國合資的安世中德可以提供CAE項目的咨詢服務(wù)。6.數(shù)據(jù)前處理、后處理的主要內(nèi)容。有限元前處理就是建立分析對象的有限元模型，用數(shù)據(jù)文件加以表示，供分析軟件輸入使用。有限元數(shù)據(jù)前處理計算機化的基本內(nèi)容有：（1）構(gòu)造計算對象的幾何模型。由前處理軟件提供交互式圖形輸入功能，在終端屏幕上人機交互地構(gòu)建幾何模型，同時生成幾何模型的描述數(shù)據(jù)。（2）自動劃分有限元網(wǎng)格。這是有限元前處理軟件的主要功能。目前已有許多網(wǎng)格生成算法，但是對任意形狀結(jié)構(gòu)，特別是三維實體，如何自動劃分網(wǎng)格，并對網(wǎng)格的密度、分布和單元質(zhì)量有效地加以控制，只有少數(shù)軟件具有這功能。通常是用迭代法、人機交互方式逐步優(yōu)化。網(wǎng)格劃分方法應(yīng)當(dāng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)計算和分析軟件的要求生成各種類型單元。網(wǎng)格的疏密分布應(yīng)由用戶控制，并可在局部區(qū)域加密。應(yīng)當(dāng)有檢查單元質(zhì)量，對結(jié)點優(yōu)序編號等功能，并盡可能減少用戶的數(shù)據(jù)輸入。針對某些特定結(jié)構(gòu)采用特殊的簡化實用方法，可以形成有效的專用前處理功能模塊。（3）生成有限元屬性數(shù)據(jù)。載荷數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、邊界條件描述數(shù)據(jù)等，就是與網(wǎng)格一起構(gòu)成有限元模型的屬性數(shù)據(jù)。有限元屬性數(shù)據(jù)是同網(wǎng)格相關(guān)連的，可以結(jié)合具體的網(wǎng)格劃分算法，由程序計算生成屬性數(shù)據(jù)。例如，每個單元的材料（或厚度）的類別編號，在劃分網(wǎng)格形成單元數(shù)據(jù)時，就可加以標(biāo)定。板、殼單元上承受的分布載荷，可根據(jù)結(jié)點坐標(biāo)由程序計算出相應(yīng)的等效結(jié)點力數(shù)據(jù)。在網(wǎng)格劃分程序中增加屬性數(shù)據(jù)生成的功能，可進一步完善有限元數(shù)據(jù)的前處理。有限元屬性數(shù)據(jù)生成的具體實現(xiàn)，包含如何定義屬性數(shù)據(jù)和計算生成分析軟件所要求格式的描述數(shù)據(jù)文件兩方面內(nèi)容，可以將人機交互與程序處理結(jié)合起來，并且同幾何造型、產(chǎn)品模型、網(wǎng)格生成算法聯(lián)系起來。（4）為其他應(yīng)用生成必要的數(shù)據(jù)。例如，在結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化、自適應(yīng)分析、成型過程數(shù)值模擬等計算過程前處理中，往往需要修改網(wǎng)格或重新劃分網(wǎng)格。在有限元數(shù)據(jù)前處理中要為網(wǎng)格重新劃分或局部修改準(zhǔn)備必要的數(shù)據(jù)，如結(jié)點、單元同初始幾何模型的關(guān)系描述信息等。有限元分析數(shù)據(jù)的后處理：主要包括對計算結(jié)果的加工處理、編輯組織和圖形表示三個方面。它可以把有限元分析得到特征數(shù)據(jù)，進一步轉(zhuǎn)換為設(shè)計人員所直接需要的信息，如應(yīng)力分布狀況、應(yīng)力峰值及所在區(qū)域、結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)等，并且繪成直觀的圖形，從而幫助設(shè)計人員迅速地評價和校核設(shè)計方案。有限元分析的結(jié)果是輸出結(jié)點位移和單元應(yīng)力或內(nèi)力等數(shù)據(jù)，距設(shè)計要求尚有距離，經(jīng)常存在的問題是對應(yīng)力數(shù)據(jù)的處理不夠。例如，對于梁單元，一般有限元軟件只計算輸出幾個截面上的彎矩、軸力、剪力和轉(zhuǎn)矩等；對于板、殼、膜單元，有的軟件也只輸出內(nèi)力值；對于等參單元，有的軟件輸出的是高斯積分點的應(yīng)力（或內(nèi)力）值。這些數(shù)據(jù)還不能直接用于強度校核，需要進一步的加工處理，給出應(yīng)力分布狀況及危險區(qū)域的應(yīng)力峰值。單元內(nèi)力及高斯點應(yīng)力要換算為結(jié)點應(yīng)力，并按相鄰單元加權(quán)平均等辦法對結(jié)點應(yīng)力值進行光順修勻。殼單元還要區(qū)分上、下表面及中性層的應(yīng)力，選取最大應(yīng)力值。梁單元需要針對具體的截面形狀、尺寸及對稱性，對彎矩、軸力產(chǎn)生的正應(yīng)力作適當(dāng)?shù)寞B加，剪應(yīng)力計算還要有特殊處理辦法，而且，要在不同截面上選取最大的應(yīng)力值。這一類應(yīng)力數(shù)據(jù)處理是非常必要的。此外，還有多工況下的最不利載荷組合、計算應(yīng)力包絡(luò)等后處理。7.參考文獻[1]黃建民.有限元技術(shù)的發(fā)展及其在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用.選自《上海電機學(xué)院學(xué)報》03期

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