第1講CAE總體概貌-專業(yè)性

1現(xiàn)代CAE技術(shù)教師：林鐵軍/練章華單位：油井完井技術(shù)中心Tel：13880464826028-83032901E-Mail：cwctltj@124571458@2現(xiàn)代CAE技術(shù)3教材：練章華主編：《現(xiàn)代CAE技術(shù)與應(yīng)用教程》北京：石油工業(yè)出版社，2004.12如果需要《教材》，40元/本。4上機(jī)時(shí)間：上課時(shí)間第7-9周：星期一上午1,2節(jié)、星期四上午1,2節(jié)第10周：星期一上午1,2節(jié)上機(jī)地點(diǎn)：

計(jì)算站BC403

上課時(shí)間(每周8節(jié)課)：星期一1,2節(jié)(上午)星期二6,7節(jié)(下午)星期三1,2節(jié)(上午)星期四1,2節(jié)(上午)5上課成績(jī)(平時(shí)成績(jī))：30%上機(jī)實(shí)驗(yàn)成績(jī)：40%工程應(yīng)用大作業(yè)：30%6第1章CAE總體概貌第1講一、現(xiàn)代CAE技術(shù)二、有限元法的提出和發(fā)展三、工程分析問(wèn)題四、ANSYS應(yīng)用實(shí)例介紹7一、現(xiàn)代CAE技術(shù)CAE英文全稱為：ComputerAidedEngineeringCAE中文名詞為：計(jì)算機(jī)輔助工程主要以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)而形成的一門綜合性、知識(shí)密集型的學(xué)科，它包括了工程和制造業(yè)信息化的所有方面，其相關(guān)的軟件就稱為CAE軟件。

8一、現(xiàn)代CAE技術(shù)1.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)法9*引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)軟件促進(jìn)機(jī)械行業(yè)飛躍發(fā)展我國(guó)機(jī)械企業(yè)普遍存在的問(wèn)題產(chǎn)品開發(fā)能力弱，開發(fā)周期長(zhǎng)，產(chǎn)品更新慢，且整體水平低，市場(chǎng)占有低，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益低，與先進(jìn)國(guó)家相比，存在著較大的差距。國(guó)家科委將“CAD/CAE應(yīng)用工程及示范”列為“九五”15項(xiàng)重中之重的項(xiàng)目之一。機(jī)械部科技司1996年組織百家重點(diǎn)企業(yè)召開了“1550工程”會(huì)議。引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的CAD/CAE/CAM軟件成為必然的趨勢(shì)應(yīng)用現(xiàn)代高科技的計(jì)算機(jī)軟、硬件10使用CAE軟件必須具備的背景知識(shí)學(xué)歷：本科生以上背景知識(shí)機(jī)械數(shù)學(xué)力學(xué)電磁學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)機(jī)械振動(dòng)理論數(shù)值計(jì)算方法數(shù)學(xué)物理方法有限單元法等固體力學(xué)流體力學(xué)傳熱學(xué)工程力學(xué)(理力、材力)彈塑性力學(xué)彈性斷裂力學(xué)巖石力學(xué)等豐富的工程、科研應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)并非一般的CAD軟件11設(shè)計(jì)循環(huán)概念設(shè)計(jì)1.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程分析物理樣機(jī)測(cè)試詳細(xì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)瓶頸設(shè)計(jì)瓶頸122.現(xiàn)代設(shè)計(jì)法模擬參數(shù)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)驗(yàn)證分析優(yōu)化概念設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)物理樣機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)1虛擬樣機(jī)(CAE)2加工CAM313141.有限元法：是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)解析方法無(wú)法求解的問(wèn)題邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀都很不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，是一種非常有效的現(xiàn)代分析方法。二、有限元法的提出和發(fā)展152.有限元法基礎(chǔ)：結(jié)構(gòu)離散和分片插值連續(xù)的彈性體有限自由度離散有限個(gè)單元?jiǎng)澐置總€(gè)單元滿足連續(xù)條件節(jié)點(diǎn)跨單元的連續(xù)性從能量原理出發(fā)建立起整體控制方程求解線性代數(shù)方程組得到結(jié)構(gòu)的位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)等無(wú)限多自由度163.有限元法提出：首先是從航空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出來(lái)的。4.有限元法起源：可以追朔到20世紀(jì)50年代。

結(jié)構(gòu)矩陣分析方法運(yùn)算手段電子計(jì)算機(jī)美國(guó)波音公司的J·Turner英國(guó)倫敦大學(xué)的J.H.Argyris有限元法正是在這種新方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。171960年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的R.w.Clough教授第一次正式使用“有限單元”(FiniteElement）Zienkiewicz教授則被譽(yù)為解決難題的能手。和他齊名的美國(guó)J.T.Odne教授、R.L.Taylor教授以及卡學(xué)璜教授等都是從工程界出身。這也正好說(shuō)明有限元法是工程和數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物開發(fā)大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序SAP的K.J.Bathe教授和L.Wilson教授有限元法的著名大師、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員O.C.Zienkiewicz教授Clough教授所作的杰出貢獻(xiàn)18歷史典故1

結(jié)構(gòu)分析的有限元方法是由一批學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究者在二十世紀(jì)50年代到二十世紀(jì)60年代創(chuàng)立的。有限元分析理論己有100多年的歷史，是懸索橋和蒸汽鍋爐進(jìn)行手算評(píng)核的基礎(chǔ)。19歷史典故2早期ANSYS是隨計(jì)算機(jī)硬件而發(fā)展壯大的。ANSYS最早是在1970年發(fā)布的，運(yùn)行在價(jià)格為＄1,000,000的CDC、由Univac和IBM生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)上，它們的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于今天的PC機(jī)，一臺(tái)奔騰PC機(jī)在幾分鐘內(nèi)可求解5000×5000的矩陣系統(tǒng)，而過(guò)去則需要幾天時(shí)間。20解析方法求出精確解的只是方程性質(zhì)比較簡(jiǎn)單，且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的少數(shù)問(wèn)題.現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物

—計(jì)算機(jī)+滿足工程要求的數(shù)值解數(shù)值模擬技術(shù)推動(dòng)現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展5.數(shù)值模擬技術(shù)21彈性力學(xué)平面問(wèn)題靜力平衡問(wèn)題彈性材料固體力學(xué)從分析和校核6.有限單元法總結(jié)空間問(wèn)題板殼問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題動(dòng)力問(wèn)題波動(dòng)問(wèn)題擴(kuò)展到塑性粘彈性粘塑性復(fù)合材料等擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合擴(kuò)展到三十多年來(lái)22隨著現(xiàn)代力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展可以預(yù)計(jì)有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身亦將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。23固體力學(xué)電磁學(xué)振動(dòng)特性分析傳熱學(xué)流體力學(xué)位移場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)分析電磁場(chǎng)分析溫度場(chǎng)分析流場(chǎng)分析在給定邊界條件下求解其控制方程的問(wèn)題常微分方程或偏微分方程1.有限元法在工程中的應(yīng)用三、工程分析問(wèn)題2480年代初期ANSYSNASTRANASKAADINASAPMARC

由于有限元通用程序使用方便、計(jì)算精度高，其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。數(shù)值模擬技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)程序在工程中得到廣泛的應(yīng)用。25草圖設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)實(shí)體模型有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法減少設(shè)計(jì)與制造費(fèi)用有限元分析滿意？N制造YN物理實(shí)驗(yàn)滿意？Y263.ANSYS程序概述1970年，JohnSwanson博士創(chuàng)建了ANSYS公司，總部位于美國(guó)賓夕法尼亞洲的匹茲堡。30年來(lái)，ANSYS公司致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展，并為全球工業(yè)廣泛接受，其5萬(wàn)多用戶遍及全世界。1.HomePageCN:2.HomePageHQ:3.http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/27ANSYS軟件：是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。4.自然界的四種場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)（結(jié)構(gòu)分析）溫度場(chǎng)（熱分析）流場(chǎng)（流體動(dòng)力學(xué)分析）電磁場(chǎng)（電磁場(chǎng)分析）覆蓋285.多場(chǎng)耦合分析功能熱－結(jié)構(gòu)耦合（溫度應(yīng)力）電磁－熱耦合（感應(yīng)加熱）電磁－結(jié)構(gòu)耦合（壓電現(xiàn)象）熱－流耦合（流動(dòng)傳熱）流－固耦合(機(jī)翼分析、血液流動(dòng))液－固耦合(液體晃動(dòng)、聲學(xué)分析)296.ANSYS特別功能子模型子結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）單元死活設(shè)計(jì)優(yōu)化二次開發(fā)高速、可靠的求解器ANSYS和流行的CAD軟件均有接口高速變形和高度非線性模塊－ANSYS/LS-DYNA（沖擊、爆炸、碰撞、實(shí)體成形、板成形）307.處理器一個(gè)前處理器一個(gè)求解器兩個(gè)后處理器幾個(gè)輔助處理器生成有限元模型施加載荷及邊界條件，完成求解運(yùn)算檢查求解結(jié)果設(shè)計(jì)優(yōu)化器等31實(shí)體模型實(shí)體網(wǎng)格輔助PREPANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)圖形顯示解算通用POST時(shí)間歷程POST前處理后處理8.ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)32圖形窗口輸入窗口實(shí)用菜單主菜單一個(gè)前處理器一個(gè)求解器兩個(gè)后處理器幾個(gè)輔助處理器33四、CAE發(fā)展方向1.與CAD軟件的無(wú)縫集成2.強(qiáng)大可靠的網(wǎng)格剖分能力3.由求解線性問(wèn)題發(fā)展到非線性問(wèn)題4.由求解結(jié)構(gòu)場(chǎng)發(fā)展到耦合場(chǎng)5.程序的開放性34五、現(xiàn)代CAE技術(shù)在工程中的應(yīng)用351在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用盆地地質(zhì)力學(xué)分析模擬大地構(gòu)造學(xué)數(shù)值仿真地應(yīng)力場(chǎng)模擬研究地球動(dòng)力系統(tǒng)與演化仿真聲波法測(cè)井資料解釋與模擬電測(cè)法測(cè)井資料解釋與模擬構(gòu)造的地層溫度壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性與鉆進(jìn)效果研究石油勘探開發(fā)儀器設(shè)計(jì)

362在石油鉆井工程中的應(yīng)用石油鉆機(jī)井架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆柱強(qiáng)度與環(huán)空動(dòng)力學(xué)鉆頭與BHA設(shè)計(jì)高壓水射流破巖井下環(huán)空流體動(dòng)力學(xué)鉆柱接頭與井下工具優(yōu)化設(shè)計(jì)地面鉆井配套設(shè)備靜、動(dòng)力學(xué)

373在采油工程中的應(yīng)用套管與油管柱設(shè)計(jì)井口裝置、閥門與法蘭設(shè)計(jì)油管與采油封隔器、卡瓦系統(tǒng)設(shè)計(jì)井下電潛泵、水利活塞泵有桿泵管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)射孔完井高壓注水強(qiáng)度稠油熱采工程套管損壞機(jī)理

384在油田地面工程建設(shè)中的應(yīng)用石油重型裝備設(shè)計(jì)與建設(shè)油氣儲(chǔ)運(yùn)地面工程建設(shè)埋地、架空管線設(shè)計(jì)鉆采地面配套工程建設(shè)灘海與淺海鉆采裝備

39六、ANSYS在工程中的應(yīng)用(一)、ANSYS在機(jī)電中的應(yīng)用實(shí)例(二)、ANSYS在石油工程中的應(yīng)用實(shí)例401.金屬成型加工過(guò)程模擬2.汽車碰撞分析3.三維后處理4.映象網(wǎng)格(一)、ANSYS在機(jī)電中的應(yīng)用實(shí)例415.電磁場(chǎng)分析6.接觸、超單元7.飛機(jī)風(fēng)扇應(yīng)力分析8.V6發(fā)動(dòng)機(jī)熱分析429.轉(zhuǎn)子模態(tài)分析10.電磁－結(jié)構(gòu)耦合場(chǎng)11.大變形分析12.金屬成型粘塑性4313.流動(dòng)應(yīng)力等值線15.皮帶輪子模型16.吹風(fēng)機(jī)半透明熱分析14.高架機(jī)車搖臂設(shè)計(jì)優(yōu)化4417.幾何模型的傳輸－CAD，ANSYS－IGES接口45參考資料：1.ANSYS入門手冊(cè)（上下），美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.2.ANSYS基本過(guò)程手冊(cè)，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.3.ANSYS建模與分網(wǎng)手冊(cè)，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.4.ANSYS非線性分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.5.ANSYS動(dòng)力學(xué)分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.6.ANSYS熱分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.7.ANSYS電磁場(chǎng)分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.8.ANSYS計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.9.ANSYS耦合場(chǎng)分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.10.ANSYS疲勞斷裂復(fù)合材料，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.11.ANSYS高級(jí)分析指南，美國(guó)ANSYS公司北京辦事處,1998.12.王國(guó)強(qiáng)，主編，<<實(shí)用過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐>>

西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.813.<<ANSYS入門手冊(cè)>>