CAE技術及其航天領域應用課件

CAE技術及其航天領域的應用傅德彬CAE技術及其航天領域的應用傅德彬諸論----初識CAE兩個問題：

計算機在現(xiàn)代技術發(fā)展中發(fā)揮著怎樣的作用？計算機如何幫助解決科學研究和工程設計中的問題？信息存儲信息傳遞（數(shù)值）計算諸論----初識CAE兩個問題：信息存儲諸論----初識CAE三個情況現(xiàn)代計算機的誕生是為了解決核爆炸中的計算問題（以計算機為工具的）數(shù)值計算已成為理論分析、實驗分析之外的新的研究手段高速計算機依然為解決科學計算中的復雜問題而不斷推陳出新

在過去、現(xiàn)在和將來，計算與仿真都是計算機主要的功能和發(fā)展的動力諸論----初識CAE三個情況在過去、現(xiàn)在和將來諸論----初識CAECAE(ComputerAidedEngineering)

計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 在這里所介紹的CAE還包括CFD(ComputationalFluidDynamic)、計算多體動力學(ComputationalDynamicofMulti-bodySystem)等其它利用計算機輔助求解的數(shù)值計算方法。諸論----初識CAECAE(ComputerAided諸論----初識CAE齒輪接觸應力分析V式6缸發(fā)動機爆發(fā)壓力分析整車碰撞模擬諸論----初識CAE齒輪接觸應力分析V式6缸發(fā)動機爆發(fā)壓力諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場分析隱身特性分析諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場諸論----初識CAE大型建筑結構強度校核魚游動特性分析芯片散熱特性諸論----初識CAE大型建筑結構強度校核魚游動特性分析芯片諸論----初識CAE結構碰撞（瞬態(tài)動力學）諸論----初識CAE結構碰撞（瞬態(tài)動力學）諸論----初識CAE多體動力學發(fā)射過程諸論----初識CAE多體動力學發(fā)射過程諸論----初識CAE流動分析諸論----初識CAE流動分析諸論----課程概況課程目標掌握CAE的基本概念和一般應用重點掌握有限元分析基本概念，學會應用ANSY工具軟件進行結構分析掌握虛擬樣機技術(多體動力學)基本概念，學會應用Adams工具軟件進行多體動力學分析掌握CFD基本概念，學會應用Fluent進行簡單流場分析諸論----課程概況課程目標諸論----課程概況課程內(nèi)容CAE概況與分析思路Ansys入門與提高（上機培訓與練習）有限元分析基礎Adams入門（上機培訓與練習）虛擬樣機技術基礎Fluent入門（上機培訓與練習）CFD基礎CAE在航天領域的應用(上機培訓與練習)諸論----課程概況課程內(nèi)容諸論----課程概況課程要求積極實踐（上機操作，課后練習）加強基礎（了解數(shù)值計算基礎和專業(yè)理論）提高理論（利用數(shù)值方法對理論中涉及的問題進行驗證分析）考核方式平時成績（30%）上機操作（40%）理論考核（30%）諸論----課程概況課程要求一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計算機進行建模及性能仿真分析性能仿真的內(nèi)容涉及產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的力學性能（變形，應力）、熱學性能、流動性能、振動特性和噪聲控制等可替代大多數(shù)昂貴而費時的物理樣機實驗，即用數(shù)字化樣機取代傳統(tǒng)的物理樣機實驗廣泛應用于各工業(yè)領域什么是CAE（計算機輔助工程）一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計算機進行建一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機技術，節(jié)省了大量物理樣機試飛次數(shù)，僅一次試飛即獲得成功，每次物理樣機實驗需花費1億美元CAE技術在汽車工業(yè)中的應用，使新車開發(fā)周期由原來的5~6年縮減到現(xiàn)在的1~2年美國NASA的噴氣推進實驗室（JPL）應用CAE技術成功地實現(xiàn)了火星探測器“勇氣號”、“機遇號”在火星上的軟著陸仿真分析。仿真結果預測到由于制動火箭和火星風的相互作用，使探測器在著陸時可能出現(xiàn)翻滾，從而改進了技術方案，保證了登陸成功

為什么用CAE一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機技

方案設計

建模物理建模，數(shù)學建模，計算建模

仿真計算機仿真，解析方法，實驗方法

結果可視化照片，錄像帶，計算機圖形，虛擬現(xiàn)實

詳細設計

物理樣機制造

物理樣機測試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機分析

一.CAE概況產(chǎn)品研發(fā)的一般過程方案設計建模仿真結果可視化一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE相關課程材料力學，彈性力學流體力學，熱力學等理論力學，機械原理，機械振動計算機三維造型（CAD技術）有限元分析(有限元理論及軟件的使用)虛擬樣機理論及應用（多體系統(tǒng)動力學理論）計算流體力學(CFD)一.CAE概況CAE相關課程材料力學，彈性力學一.CAE概況CAE應用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進產(chǎn)品開發(fā)技術包括:CAD/CAE/CAM/PLMCAD已普及（大多數(shù)工程師必須掌握）CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達國家及一些大公司中利用CAE技術優(yōu)化產(chǎn)品設計以降低成本，縮短研發(fā)周期已達80%~95%CAE的應用已含蓋機械工程的各個方面（包括運動分析，動力學分析，強度及穩(wěn)定性分析，液壓傳動分析，振動和噪聲的控制等）CAE方面的專業(yè)人才短缺（包括發(fā)達國家）一.CAE概況CAE應用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進產(chǎn)品開發(fā)技術包括:C一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PLM的軟件被廣泛應用（“CAE計算器”）每個工程師都具備CAE的知識和能力大規(guī)模、多尺度、多場耦合分析，虛擬工程CAE全球化（如中國、印度的工程師承接美國的CAE項目）在線分析：新一代高速因特網(wǎng)實現(xiàn)軟件共享，協(xié)同分析打好基礎，做好準備，適應未來發(fā)展的需要一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PL二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法，求解問題包羅萬象，幾乎涵蓋各個學科及各個工程領域。技術最成熟，商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法二.CAE方法體系及軟件有限差分法

最早的數(shù)值分析方法，使用結構化網(wǎng)格，不需要域積分，建模、計算簡單。適于分析幾何形狀簡單的問題，尤其是流動性問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件有限差分法最早的數(shù)值分二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有限元法（歐拉結構化網(wǎng)格）。多用于分析流體動力學問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采用，如FLUENT,CFX…二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上劃分網(wǎng)格，適于分析無界、連續(xù)介質(zhì)問題，如聲學問題和波的傳播問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法

一種最新的數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分的限制，采用有限元法而不易解決的問題。如大變形、裂紋擴展、爆炸等，商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法一種最新的二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學的虛擬樣機技術

針對復雜機械系統(tǒng)的整機性能優(yōu)化技術。所建立的復雜機械系統(tǒng)包括機-液-控的耦合。商業(yè)分析軟件包括ADAMS,SIMPACK,DADS…二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學的虛擬樣機技術三.理論基礎結構分析基礎概念 結構在（靜定或超靜定）載荷作用下的內(nèi)力分布；結構抵御變形和破壞的能力。問題描述 結構+載荷+約束應力（應變）。強度校核準則第一強度理論（拉應力—脆性材料）第二強度理論（最大伸長線應變—脆性材料受壓）第三強度理論（最大切應力—壓力容器）第四強度理論（應變能—常用）三.理論基礎結構分析基礎三.理論基礎彈性力學基本方程三.理論基礎彈性力學基本方程三.理論基礎有限元法示意(1)三.理論基礎有限元法示意(1)三.理論基礎有限元法示意(2)三.理論基礎有限元法示意(2)三.理論基礎多體動力學基礎研究對象

研究由剛體及柔性體所組成的系統(tǒng)經(jīng)歷大范圍空間運動時的動力學行為。幾個基本概念物體:多體系統(tǒng)中的構件鉸(約束副)：限制相對運動（運動學約束和驅(qū)動約束）外力：系統(tǒng)外物體對系統(tǒng)中物體的作用力元：系統(tǒng)中物體間相互作用坐標：（注意力學中慣性坐標系與非慣性坐標系的應用）三.理論基礎多體動力學基礎三.理論基礎多體動力學基本方程矢量力學方法 利用牛頓定律、虛功原理、達朗貝爾原理等建立矢量力學方程并求解分析力學方法 選擇廣義坐標系，建立拉格朗日方程并求解動力學普遍方程

一般拉格朗日方程

三.理論基礎多體動力學基本方程動力學普遍方程一般拉格朗日方三.理論基礎拉格朗日方法 利用鉸鄰接的一對物體為單元建立拉格朗日方程笛卡爾方法。 利用各物體為單元建立動力學普遍方程，并給出約束限制多體動力學計算方法三.理論基礎多體動力學計算方法三.理論基礎流場基本方程三.理論基礎流場基本方程三.理論基礎有限體積法示意i-1,ji+1,ji,j-1i,j+12431Vi,jA3A1A4A2三.理論基礎有限體積法示意i-1,ji+1,ji,j-CAE技術及其航天領域的應用傅德彬CAE技術及其航天領域的應用傅德彬諸論----初識CAE兩個問題：

計算機在現(xiàn)代技術發(fā)展中發(fā)揮著怎樣的作用？計算機如何幫助解決科學研究和工程設計中的問題？信息存儲信息傳遞（數(shù)值）計算諸論----初識CAE兩個問題：信息存儲諸論----初識CAE三個情況現(xiàn)代計算機的誕生是為了解決核爆炸中的計算問題（以計算機為工具的）數(shù)值計算已成為理論分析、實驗分析之外的新的研究手段高速計算機依然為解決科學計算中的復雜問題而不斷推陳出新

在過去、現(xiàn)在和將來，計算與仿真都是計算機主要的功能和發(fā)展的動力諸論----初識CAE三個情況在過去、現(xiàn)在和將來諸論----初識CAECAE(ComputerAidedEngineering)

計算機輔助求解復雜工程和產(chǎn)品結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 在這里所介紹的CAE還包括CFD(ComputationalFluidDynamic)、計算多體動力學(ComputationalDynamicofMulti-bodySystem)等其它利用計算機輔助求解的數(shù)值計算方法。諸論----初識CAECAE(ComputerAided諸論----初識CAE齒輪接觸應力分析V式6缸發(fā)動機爆發(fā)壓力分析整車碰撞模擬諸論----初識CAE齒輪接觸應力分析V式6缸發(fā)動機爆發(fā)壓力諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場分析隱身特性分析諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場諸論----初識CAE大型建筑結構強度校核魚游動特性分析芯片散熱特性諸論----初識CAE大型建筑結構強度校核魚游動特性分析芯片諸論----初識CAE結構碰撞（瞬態(tài)動力學）諸論----初識CAE結構碰撞（瞬態(tài)動力學）諸論----初識CAE多體動力學發(fā)射過程諸論----初識CAE多體動力學發(fā)射過程諸論----初識CAE流動分析諸論----初識CAE流動分析諸論----課程概況課程目標掌握CAE的基本概念和一般應用重點掌握有限元分析基本概念，學會應用ANSY工具軟件進行結構分析掌握虛擬樣機技術(多體動力學)基本概念，學會應用Adams工具軟件進行多體動力學分析掌握CFD基本概念，學會應用Fluent進行簡單流場分析諸論----課程概況課程目標諸論----課程概況課程內(nèi)容CAE概況與分析思路Ansys入門與提高（上機培訓與練習）有限元分析基礎Adams入門（上機培訓與練習）虛擬樣機技術基礎Fluent入門（上機培訓與練習）CFD基礎CAE在航天領域的應用(上機培訓與練習)諸論----課程概況課程內(nèi)容諸論----課程概況課程要求積極實踐（上機操作，課后練習）加強基礎（了解數(shù)值計算基礎和專業(yè)理論）提高理論（利用數(shù)值方法對理論中涉及的問題進行驗證分析）考核方式平時成績（30%）上機操作（40%）理論考核（30%）諸論----課程概況課程要求一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計算機進行建模及性能仿真分析性能仿真的內(nèi)容涉及產(chǎn)品（或系統(tǒng)）的力學性能（變形，應力）、熱學性能、流動性能、振動特性和噪聲控制等可替代大多數(shù)昂貴而費時的物理樣機實驗，即用數(shù)字化樣機取代傳統(tǒng)的物理樣機實驗廣泛應用于各工業(yè)領域什么是CAE（計算機輔助工程）一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，利用計算機進行建一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機技術，節(jié)省了大量物理樣機試飛次數(shù)，僅一次試飛即獲得成功，每次物理樣機實驗需花費1億美元CAE技術在汽車工業(yè)中的應用，使新車開發(fā)周期由原來的5~6年縮減到現(xiàn)在的1~2年美國NASA的噴氣推進實驗室（JPL）應用CAE技術成功地實現(xiàn)了火星探測器“勇氣號”、“機遇號”在火星上的軟著陸仿真分析。仿真結果預測到由于制動火箭和火星風的相互作用，使探測器在著陸時可能出現(xiàn)翻滾，從而改進了技術方案，保證了登陸成功

為什么用CAE一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機技

方案設計

建模物理建模，數(shù)學建模，計算建模

仿真計算機仿真，解析方法，實驗方法

結果可視化照片，錄像帶，計算機圖形，虛擬現(xiàn)實

詳細設計

物理樣機制造

物理樣機測試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機分析

一.CAE概況產(chǎn)品研發(fā)的一般過程方案設計建模仿真結果可視化一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE相關課程材料力學，彈性力學流體力學，熱力學等理論力學，機械原理，機械振動計算機三維造型（CAD技術）有限元分析(有限元理論及軟件的使用)虛擬樣機理論及應用（多體系統(tǒng)動力學理論）計算流體力學(CFD)一.CAE概況CAE相關課程材料力學，彈性力學一.CAE概況CAE應用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進產(chǎn)品開發(fā)技術包括:CAD/CAE/CAM/PLMCAD已普及（大多數(shù)工程師必須掌握）CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達國家及一些大公司中利用CAE技術優(yōu)化產(chǎn)品設計以降低成本，縮短研發(fā)周期已達80%~95%CAE的應用已含蓋機械工程的各個方面（包括運動分析，動力學分析，強度及穩(wěn)定性分析，液壓傳動分析，振動和噪聲的控制等）CAE方面的專業(yè)人才短缺（包括發(fā)達國家）一.CAE概況CAE應用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進產(chǎn)品開發(fā)技術包括:C一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PLM的軟件被廣泛應用（“CAE計算器”）每個工程師都具備CAE的知識和能力大規(guī)模、多尺度、多場耦合分析，虛擬工程CAE全球化（如中國、印度的工程師承接美國的CAE項目）在線分析：新一代高速因特網(wǎng)實現(xiàn)軟件共享，協(xié)同分析打好基礎，做好準備，適應未來發(fā)展的需要一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PL二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法，求解問題包羅萬象，幾乎涵蓋各個學科及各個工程領域。技術最成熟，商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法二.CAE方法體系及軟件有限差分法

最早的數(shù)值分析方法，使用結構化網(wǎng)格，不需要域積分，建模、計算簡單。適于分析幾何形狀簡單的問題，尤其是流動性問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件有限差分法最早的數(shù)值分二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有限元法（歐拉結構化網(wǎng)格）。多用于分析流體動力學問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采用，如FLUENT,CFX…二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上劃分網(wǎng)格，適于分析無界、連續(xù)介質(zhì)問題，如聲學問題和波的傳播問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法

一種最新的數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分的限制，采用有限元法而不易解決的問題。如大變形、裂紋擴展、爆炸等，商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法一種最新的二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學的虛擬樣機技術

針對復雜機械系統(tǒng)的整機性能優(yōu)化技術。所建立的復雜機械系統(tǒng)包括機-液-控的耦合。商業(yè)分