CADCAM第五章

1、第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析5.1 计算机辅助工程分析的主要内容计算机辅助工程分析的主要内容5.2 有限元分析计算有限元分析计算5.3 优化设计方法优化设计方法5.4 工程分析中的仿真技术工程分析中的仿真技术第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 学习目标：学习目标：了解计算机辅助工程分析的主了解计算机辅助工程分析的主要内容；了解有限元法的基本思想和步骤；要内容；了解有限元法的基本思想和步骤；了解优化设计的数学模型和常用优化设计了解优化设计的数学模型和常用优化设计方法；了解仿真的概念，了解计算机仿真方法；了解仿

2、真的概念，了解计算机仿真的一般过程。的一般过程。 学习重点：学习重点：有限元法、优化设计方法。有限元法、优化设计方法。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析5.1 计算机辅助工程分析的主要内容计算机辅助工程分析的主要内容 机械产品设计过程的一个重要环节是分析、计算。v传统的传统的分析方法分析方法一般比较粗略一般比较粗略，定性的定性的比较方比较方案的好坏。案的好坏。v手工计算手工计算，过程繁琐过程繁琐，只对关键的零部件进行，只对关键的零部件进行分析，其余凭经验用分析，其余凭经验用类比法类比法进行结构设计。进行结构设计。v采用采用较大的安全系数较大的安全系数。v设计是反复的过程，分析次

3、数不多，设计是反复的过程，分析次数不多，不能做出不能做出定量的评价定量的评价。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 由于计算机的应用以及测试手段的不断改进和完善，机械设计已由静态、线性分析向动态、非线性过渡；由经验类比设计向最优化设计过渡；由人工计算向自动计算，由近似计算向精确计算过渡，已适应产品向高效、高速、低成本等现代化要求发展的需要。 计算机辅助工程分析就是采用计算机技计算机辅助工程分析就是采用计算机技术进行工程分析，计算机系统提供了进行术进行工程分析，计算机系统提供了进行辅助分析计算的支撑环境。辅助分析计算的支撑环境。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 计

4、算机辅助工程计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)是一个很广的概念，是一个很广的概念，从字面上讲它可以包括工程和制造业信息从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的化的所有方面，但是传统的CAE主要是指主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析。可靠性分析。 CAE具体包括工程数值分析、结构与具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动动力学仿真。力学仿真。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析v工程数值分析用来分析确定产品

5、的性能；v结构优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；v结构强度与寿命预估用来评估产品的结构强度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命长短；v运动/动力学仿真用来对建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真，发现设计中出现的问题和缺陷。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 计算机辅助分析最主要的是有限元分析和优化设计。 计算机辅助工程分析已经是CAD/CAM系统不可缺少的主要组成部分。 一些著名的大型CAD/CAM集成系统都含有工程分析模块，如Pro/Engineer、IDEAS、UG等。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析5.2 有

6、限元分析计算有限元分析计算 将一个连续的求解域离散化，即分割将一个连续的求解域离散化，即分割成彼此用节点（离散点）互相联系的有限成彼此用节点（离散点）互相联系的有限个单元，一个连续个单元，一个连续弹性体弹性体被看作是被看作是有限个有限个单元体的组合单元体的组合，根据一定精度要求，用有，根据一定精度要求，用有限个参数来描述各单元体的力学特性，而限个参数来描述各单元体的力学特性，而整个连续体的力学特性就是构成它的全部整个连续体的力学特性就是构成它的全部单元体的力学特性的总和。单元体的力学特性的总和。 有限元方法的基本思想有限元方法的基本思想第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析弹性力学

7、基本知识弹性力学基本知识 弹性体：弹性体：是指在卸载后能完全恢复其初是指在卸载后能完全恢复其初始形状和尺寸的物体。始形状和尺寸的物体。 体力：体力：作用在物体内部体积上的外力，作用在物体内部体积上的外力，例如重力、惯性力。例如重力、惯性力。 面力：面力：作用在物体表面上的外力，例如作用在物体表面上的外力，例如流体压力和接触力。流体压力和接触力。 应力、应变、位移应力、应变、位移 第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 基本方程基本方程： （1）应变和位移的关系（几何方程）应变和位移的关系（几何方程） （2）应力和应变的关系（物理方程）应力和应变的关系（物理方程） 虚功原理虚功原理：

8、假设一弹性体在虚位移发生：假设一弹性体在虚位移发生之前处于平衡状态，当弹性体产生约束之前处于平衡状态，当弹性体产生约束许可的微小虚位移并同时在弹性体内产许可的微小虚位移并同时在弹性体内产生虚应变时，体力与面力在虚位移上所生虚应变时，体力与面力在虚位移上所作的虚功等于整个弹性体内各点的应力作的虚功等于整个弹性体内各点的应力在虚应变上所作的虚功的总和，即在虚应变上所作的虚功的总和，即外力外力虚功等于内力虚功虚功等于内力虚功。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析平面问题有限元分析的步骤平面问题有限元分析的步骤（1）结构离散化）结构离散化 划分单元、计算各节点坐标，并对单元和节点编号。划

9、分单元、计算各节点坐标，并对单元和节点编号。（2）单元特性分析）单元特性分析 建立单元内节点位移与节点力的关系，即建立单元建立单元内节点位移与节点力的关系，即建立单元刚度方程。刚度方程。（3）建立整体矩阵方程）建立整体矩阵方程 把整体结构的各单元矩阵方程合并成一个整体矩阵把整体结构的各单元矩阵方程合并成一个整体矩阵方程。方程。（4）整体矩阵方程求解）整体矩阵方程求解 引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到引入约束条件，对结构的总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，计算出节点的应变和应力。各节点的位移，计算出节点的应变和应力。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析有限元分析软件有

10、限元分析软件 有限元软件一般由三部分组成：（1）有限元前处理（2）有限元分析（3）有限元后处理 商品化的大型通用软件有： MSC、NASTRAN、ASKA、ANSYS等。都有前后处理功能。还有专门的商品化的有限元前、后处理软件。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析有限元法的前置处理有限元法的前置处理 用有限元法进行结构分析时用有限元法进行结构分析时,要输入大要输入大量的数据，如节点、单元编号、坐标、载量的数据，如节点、单元编号、坐标、载荷、材料和边界条件数据等。故有限元计荷、材料和边界条件数据等。故有限元计算程序要进行前置处理。算程序要进行前置处理。 前置处理的主要内容：前置处理

11、的主要内容： 1. 网格自动划分网格自动划分 2. 生成有限元属性数据生成有限元属性数据 3. 数据自动检查数据自动检查第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析有限元法的后置处理有限元法的后置处理 后置处理任务：后置处理任务： 将有限元计算分析结果进行加工处理将有限元计算分析结果进行加工处理并形象化为变形图、应力等值线图、应并形象化为变形图、应力等值线图、应力应变彩色浓淡图、应力应变曲线以及力应变彩色浓淡图、应力应变曲线以及振型图等。振型图等。 包括：包括： 1、对结果数据的加工处理、对结果数据的加工处理 2、结果数据的编辑输出、结果数据的编辑输出 3、有限元数据的图形表示、有限元数

12、据的图形表示第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析有限元分析应用举例有限元分析应用举例第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析20兆瓦机组中压外缸刚性分析兆瓦机组中压外缸刚性分析东方汽轮机厂X方向位移方向位移Z方向位移方向位移第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析CAD模型CAE模型世界一流的世界一流的CAE软件供应商有：软件供应商有：美国美国MSC公司公司、美国美国ANSYS公司公司、英国英国AEA公司公司等，等，本厂拥有它们的本厂拥有它们的MSC/MARC、MSC/NASTRAN、MSC/PATRAN、MSC/FATIGUE、ANSYS、TASCFLOW、

13、CFX-4等世界顶尖仿真软件。等世界顶尖仿真软件。从CAD中读入复杂模型有限单元划分施加边界、初始条件施加材料、单元特性求解及后处理东方汽轮机厂第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析X,Y方向约束以此面对称约束Y方向约束内壁施压力高压主汽调节阀阀壳应力场模拟高压主汽调节阀阀壳应力场模拟东方汽轮机厂第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析数字化设计与并行工程在摩托车研发中的应用数字化设计与并行工程在摩托车研发中的应用 本文扼要介绍了基于产品数据管理系统的数字本文扼要介绍了基于产品数据管理系统的数字化研发与并行工程在化研发与并行工程在HD150GY-2型摩托车研发过型摩托车研

14、发过程中的应用以及产品数据管理系统和数字化设计程中的应用以及产品数据管理系统和数字化设计系统平台规划。系统平台规划。 第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析UG软件中的整车虚拟装配软件中的整车虚拟装配摩托车摩托车第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析后轮、后摇架、后减震的运动分析后轮、后摇架、后减震的运动分析摩托车摩托车第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析利用利用UG软件有限元分析模块中的软件有限元分析模块中的后处理功能对连杆进行结果分析。后处理功能对连杆进行结果分析。连杆的有限元分析结果连杆的有限元分析结果摩托车摩托车第五章第五章 计算机辅助工程分析计算

15、机辅助工程分析柴油机连杆的有限元分析柴油机连杆的有限元分析 连杆是汽车发动机中传递动力的重要零件，它连杆是汽车发动机中传递动力的重要零件，它把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动并将作把活塞的直线运动转变为曲轴的旋转运动并将作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓作过程中要承受装配载荷（包括轴瓦过盈及螺栓预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及预紧力）和交变工作载荷（包括气体爆发压力及惯性力）的作用。惯性力）的作用。 本文应用本文应用ABAQUS有限元软件，对新设计的某有限元软件，对新设计的某机型连杆进行了

16、强度和刚度的校核。机型连杆进行了强度和刚度的校核。连杆的三维连杆的三维几何模型来自几何模型来自CAD软件软件PRO/E，采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型，利用利用ABAQUS进进行力学计算分析行力学计算分析。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 图图1 连杆有限元模型连杆有限元模型柴油机连杆柴油机连杆采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析图图2 连杆在装配与拉伸连杆在装配与拉伸载荷作用下应力分布载荷作用下应力分布图图3连杆在装配与气体爆发压连杆在装配与气体爆发压力载荷作用下应力分布力载荷作

17、用下应力分布柴油机连杆柴油机连杆利用利用ABAQUS进行力学计算分析进行力学计算分析第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析一座大楼模型一座大楼模型第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析大楼的变形和应力分布大楼的变形和应力分布第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析5.3 优化设计方法优化设计方法 一是一是建立优化设计数学模型建立优化设计数学模型，即确定优化设计问，即确定优化设计问题的目标函数、约束条件和设计变量；题的目标函数、约束条件和设计变量； 二是二是选择适用的优化方法，求解数学模型选择适用的优化方法，求解数学模型。优化设计数学模型优化设计数学模型优化设计

18、数学模型包括三部分内容优化设计数学模型包括三部分内容 ：（1）设计变量设计变量（2）约束条件约束条件（3）目标函数目标函数优化设计要解决的关键问题：优化设计要解决的关键问题：优化设计的三要素优化设计的三要素第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 设计中，可以用一组对设计性能指标有设计中，可以用一组对设计性能指标有影响的基本参数来表示某个设计方案。有影响的基本参数来表示某个设计方案。有些基本参数可以根据工艺、安装和使用要些基本参数可以根据工艺、安装和使用要求预先确定，而另一些则需要在设计过程求预先确定，而另一些则需要在设计过程中进行选择。那些中进行选择。那些需要在设计过程中进行需要在

19、设计过程中进行选择的基本参数选择的基本参数被称为被称为设计变量设计变量。 机械设计常用的机械设计常用的设计变量设计变量有：几何外形有：几何外形尺寸（如长、宽、高等）、材料性质、速尺寸（如长、宽、高等）、材料性质、速度、加速度、效率、温度等。度、加速度、效率、温度等。（1）设计变量）设计变量X=x1,x2,xn T第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 在实际问题中，设计变量不能任意选择，在实际问题中，设计变量不能任意选择，必须满足某些规定功能和其它要求。为产必须满足某些规定功能和其它要求。为产生一个可接受的设计而对设计变量取值施生一个可接受的设计而对设计变量取值施加的种种限制称为加

20、的种种限制称为约束条件约束条件。 （2）约束条件）约束条件第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析约束条件表达方式约束条件表达方式 约束条件一般表示为约束条件一般表示为设计变量的不等式设计变量的不等式约束函数约束函数和和等式约束函数等式约束函数形式：形式： gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0或或 gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0 (i=1,2,m) hj(X)=hj(x1,x2,xn)=0 (j=m+1,m+2,p) 式中式中m，(p-m)分别表示施加于该项设计分别表示施加于该项设计的不等式约束条件数目和等式约束条件数的不等式约束条件数目和等式约束条件数目。目。 第五章

21、第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 约束条件一般分为边界约束和性能约束两种。约束条件一般分为边界约束和性能约束两种。 (1) 边界约束边界约束 又称区域约束，表示设计变量的物理限制又称区域约束，表示设计变量的物理限制和取值范围。和取值范围。 (2) 性能约束性能约束 又称性态约束，是由某种设计性能或指标又称性态约束，是由某种设计性能或指标推导出来的一种约束条件。这类约束条件，推导出来的一种约束条件。这类约束条件，一般总可以根据设计规范中的设计公式或通一般总可以根据设计规范中的设计公式或通过物理学和力学的基本分析导出的约束函数过物理学和力学的基本分析导出的约束函数来表示。来表示。约束条

22、件分类约束条件分类第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析约束条件应满足的要求约束条件应满足的要求 约束条件必须是对设计变量的一个有定义约束条件必须是对设计变量的一个有定义的函数，并且各个约束条件之间不能彼此矛的函数，并且各个约束条件之间不能彼此矛盾。盾。 可行域和非可行域可行域和非可行域 设计约束将设计空间分成可行域与非可行设计约束将设计空间分成可行域与非可行域两部分。可行域中的任一点（包括边界上域两部分。可行域中的任一点（包括边界上的各点）都满足所有的约束条件，称为可行的各点）都满足所有的约束条件，称为可行点。任一个可行点都表示满足设计要求的可点。任一个可行点都表示满足设计要求的

23、可行方案。行方案。 第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 根据特定目标建立起来的、以设计变量为根据特定目标建立起来的、以设计变量为自变量的、一个可计算的函数称为目标函数，自变量的、一个可计算的函数称为目标函数，它是设计方案评价的标准。它是设计方案评价的标准。 对目标函数的描述对目标函数的描述 优化设计的过程实际上是寻求目标函数最优化设计的过程实际上是寻求目标函数最小值或最大值的过程。因为求目标函数的最小值或最大值的过程。因为求目标函数的最大值可转换为求负的最小值，故目标函数统大值可转换为求负的最小值，故目标函数统一描述为：一描述为：F(X)=F(x1,x2,xn) （3）目标函数

24、）目标函数F(X) min第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析优化设计数学模型优化设计数学模型求求 X=x1,x2,xn 使使 minF(X)满足约束条件满足约束条件 gi(X) 0 (i=1,2,m) hj(X)=0 (j=m+1,m+2,p) T第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析求解优化问题的基本思想和策略求解优化问题的基本思想和策略 解析法和数值迭代方法解析法和数值迭代方法v解析法解析法利用数学解析方法（如微分等方法）利用数学解析方法（如微分等方法）v数值迭代方法数值迭代方法则是利用函数在某一局域区域则是利用函数在某一局域区域的某些性质和函数值，采用某种算法

25、逐步逼的某些性质和函数值，采用某种算法逐步逼近到函数极值点的方法。近到函数极值点的方法。优化设计中大都采用优化设计中大都采用数值迭代数值迭代方法。方法。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析优化方法优化方法无约束优化方法无约束优化方法一维搜索法一维搜索法0.618法法二次插植法二次插植法坐标轮换法坐标轮换法单纯形法单纯形法鲍威尔法鲍威尔法梯度法梯度法牛顿法牛顿法变尺度法变尺度法外点罚函数法外点罚函数法外点罚函数法外点罚函数法混合罚函数法混合罚函数法约束优化方法约束优化方法直接法直接法间接法间接法约束随机法约束随机法复合

26、形法复合形法罚函数法罚函数法常用优化方法常用优化方法第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析5.4 工程分析中的仿真技术工程分析中的仿真技术仿真的基本概念仿真的基本概念 仿真仿真就是采用模拟真实系统的模型，通过对模就是采用模拟真实系统的模型，通过对模型的分析和实验去研究真实系统的工作行为。型的分析和实验去研究真实系统的工作行为。v物理仿真物理仿真 采用与实际系统在物理上相似的实物模型进行采用与实际系统在物理上相似的实物模型进行分析。分析。v数学仿真（又称计算机仿真）数学仿真（又称计算机仿真） 就是在计算机内建立实际系统的计算模型，通就是在计算机内建立实际系统的计算模型，通过运行仿真软

27、件代替实际系统运行工作，以便进过运行仿真软件代替实际系统运行工作，以便进行观察和考核实验。行观察和考核实验。第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析仿真的一般过程v（1）建立数学模型）建立数学模型v（2）模型变换）模型变换v（3）编制仿真程序）编制仿真程序v（4）进行仿真实验）进行仿真实验v（5）仿真结果整理分析）仿真结果整理分析第五章第五章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析仿真在仿真在CAD/CAM系统中的应用系统中的应用 产品形态仿真产品形态仿真 例如产品的结构状态、外观、色彩等形象化属性。装配关系仿真装配关系仿真 例如零部件之间装配关系与干涉检查，车间布局与设备、管道安装、电力、供暖、供气、冷却系统与机械设备布局