第1讲CAE总体概貌-专业性

1现代CAE技术教师：林铁军/练章华单位：油井完井技术中心Tel：13880464826028-83032901E-Mail：cwctltj@124571458@2现代CAE技术3教材：练章华主编：《现代CAE技术与应用教程》北京：石油工业出版社，2004.12如果需要《教材》，40元/本。4上机时间：上课时间第7-9周：星期一上午1,2节、星期四上午1,2节第10周：星期一上午1,2节上机地点：

计算站BC403

上课时间(每周8节课)：星期一1,2节(上午)星期二6,7节(下午)星期三1,2节(上午)星期四1,2节(上午)5上课成绩(平时成绩)：30%上机实验成绩：40%工程应用大作业：30%6第1章CAE总体概貌第1讲一、现代CAE技术二、有限元法的提出和发展三、工程分析问题四、ANSYS应用实例介绍7一、现代CAE技术CAE英文全称为：ComputerAidedEngineeringCAE中文名词为：计算机辅助工程主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性、知识密集型的学科，它包括了工程和制造业信息化的所有方面，其相关的软件就称为CAE软件。

8一、现代CAE技术1.传统设计过程2.现代设计法9*引进国外先进软件促进机械行业飞跃发展我国机械企业普遍存在的问题产品开发能力弱，开发周期长，产品更新慢，且整体水平低，市场占有低，进而导致经济效益低，与先进国家相比，存在着较大的差距。国家科委将“CAD/CAE应用工程及示范”列为“九五”15项重中之重的项目之一。机械部科技司1996年组织百家重点企业召开了“1550工程”会议。引进国外先进的CAD/CAE/CAM软件成为必然的趋势应用现代高科技的计算机软、硬件10使用CAE软件必须具备的背景知识学历：本科生以上背景知识机械数学力学电磁学机械设计基础机械振动理论数值计算方法数学物理方法有限单元法等固体力学流体力学传热学工程力学(理力、材力)弹塑性力学弹性断裂力学岩石力学等丰富的工程、科研应用经验并非一般的CAD软件11设计循环概念设计1.传统设计过程分析物理样机测试详细设计产品设计瓶颈设计瓶颈122.现代设计法模拟参数设计虚拟样机验证分析优化概念设计详细设计物理样机产品设计(CAD)1虚拟样机(CAE)2加工CAM313141.有限元法：是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法实现解析方法无法求解的问题边界条件和结构形状都很不规则的复杂结构，是一种非常有效的现代分析方法。二、有限元法的提出和发展152.有限元法基础：结构离散和分片插值连续的弹性体有限自由度离散有限个单元划分每个单元满足连续条件节点跨单元的连续性从能量原理出发建立起整体控制方程求解线性代数方程组得到结构的位移场以及应力场等无限多自由度163.有限元法提出：首先是从航空结构设计中提出来的。4.有限元法起源：可以追朔到20世纪50年代。

结构矩阵分析方法运算手段电子计算机美国波音公司的J·Turner英国伦敦大学的J.H.Argyris有限元法正是在这种新方法的基础上发展起来的。171960年美国加州大学伯克利分校的R.w.Clough教授第一次正式使用“有限单元”(FiniteElement）Zienkiewicz教授则被誉为解决难题的能手。和他齐名的美国J.T.Odne教授、R.L.Taylor教授以及卡学璜教授等都是从工程界出身。这也正好说明有限元法是工程和数学相结合的产物开发大型通用有限元结构分析程序SAP的K.J.Bathe教授和L.Wilson教授有限元法的著名大师、英国皇家学会会员O.C.Zienkiewicz教授Clough教授所作的杰出贡献18历史典故1

结构分析的有限元方法是由一批学术界和工业界的研究者在二十世纪50年代到二十世纪60年代创立的。有限元分析理论己有100多年的历史，是悬索桥和蒸汽锅炉进行手算评核的基础。19历史典故2早期ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYS最早是在1970年发布的，运行在价格为＄1,000,000的CDC、由Univac和IBM生产的计算机上，它们的处理能力远远落后于今天的PC机，一台奔腾PC机在几分钟内可求解5000×5000的矩阵系统，而过去则需要几天时间。20解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题.现代数学力学理论现代科学技术的产物

—计算机+满足工程要求的数值解数值模拟技术推动现代工程学形成和发展5.数值模拟技术21弹性力学平面问题静力平衡问题弹性材料固体力学从分析和校核6.有限单元法总结空间问题板壳问题扩展到稳定问题动力问题波动问题扩展到塑性粘弹性粘塑性复合材料等扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合扩展到三十多年来22随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展可以预计有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。23固体力学电磁学振动特性分析传热学流体力学位移场应力场分析电磁场分析温度场分析流场分析在给定边界条件下求解其控制方程的问题常微分方程或偏微分方程1.有限元法在工程中的应用三、工程分析问题2480年代初期ANSYSNASTRANASKAADINASAPMARC

由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。25草图设计概念设计实体模型有限元分析优化设计2.现代设计方法减少设计与制造费用有限元分析满意？N制造YN物理实验满意？Y263.ANSYS程序概述1970年，JohnSwanson博士创建了ANSYS公司，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡。30年来，ANSYS公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，其5万多用户遍及全世界。1.HomePageCN:2.HomePageHQ:3.http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/27ANSYS软件：是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。4.自然界的四种场应力应变场（结构分析）温度场（热分析）流场（流体动力学分析）电磁场（电磁场分析）覆盖285.多场耦合分析功能热－结构耦合（温度应力）电磁－热耦合（感应加热）电磁－结构耦合（压电现象）热－流耦合（流动传热）流－固耦合(机翼分析、血液流动)液－固耦合(液体晃动、声学分析)296.ANSYS特别功能子模型子结构参数化设计语言（APDL）单元死活设计优化二次开发高速、可靠的求解器ANSYS和流行的CAD软件均有接口高速变形和高度非线性模块－ANSYS/LS-DYNA（冲击、爆炸、碰撞、实体成形、板成形）307.处理器一个前处理器一个求解器两个后处理器几个辅助处理器生成有限元模型施加载荷及边界条件，完成求解运算检查求解结果设计优化器等31实体模型实体网格辅助PREPANSYS数据库图形显示解算通用POST时间历程POST前处理后处理8.ANSYS数据库32图形窗口输入窗口实用菜单主菜单一个前处理器一个求解器两个后处理器几个辅助处理器33四、CAE发展方向1.与CAD软件的无缝集成2.强大可靠的网格剖分能力3.由求解线性问题发展到非线性问题4.由求解结构场发展到耦合场5.程序的开放性34五、现代CAE技术在工程中的应用351在油气勘探开发中的应用盆地地质力学分析模拟大地构造学数值仿真地应力场模拟研究地球动力系统与演化仿真声波法测井资料解释与模拟电测法测井资料解释与模拟构造的地层温度压力场预测井壁稳定性与钻进效果研究石油勘探开发仪器设计

362在石油钻井工程中的应用石油钻机井架系统结构设计钻柱强度与环空动力学钻头与BHA设计高压水射流破岩井下环空流体动力学钻柱接头与井下工具优化设计地面钻井配套设备静、动力学

373在采油工程中的应用套管与油管柱设计井口装置、阀门与法兰设计油管与采油封隔器、卡瓦系统设计井下电潜泵、水利活塞泵有杆泵管柱优化设计射孔完井高压注水强度稠油热采工程套管损坏机理

384在油田地面工程建设中的应用石油重型装备设计与建设油气储运地面工程建设埋地、架空管线设计钻采地面配套工程建设滩海与浅海钻采装备

39六、ANSYS在工程中的应用(一)、ANSYS在机电中的应用实例(二)、ANSYS在石油工程中的应用实例401.金属成型加工过程模拟2.汽车碰撞分析3.三维后处理4.映象网格(一)、ANSYS在机电中的应用实例415.电磁场分析6.接触、超单元7.飞机风扇应力分析8.V6发动机热分析429.转子模态分析10.电磁－结构耦合场11.大变形分析12.金属成型粘塑性4313.流动应力等值线15.皮带轮子模型16.吹风机半透明热分析14.高架机车摇臂设计优化4417.几何模型的传输－CAD，ANSYS－IGES接口45参考资料：1.ANSYS入门手册（上下），美国ANSYS公司北京办事处,1998.2.ANSYS基本过程手册，美国ANSYS公司北京办事处,1998.3.ANSYS建模与分网手册，美国ANSYS公司北京办事处,1998.4.ANSYS非线性分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.5.ANSYS动力学分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.6.ANSYS热分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.7.ANSYS电磁场分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.8.ANSYS计算流体动力学分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.9.ANSYS耦合场分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.10.ANSYS疲劳断裂复合材料，美国ANSYS公司北京办事处,1998.11.ANSYS高级分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.12.王国强，主编，<<实用过程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践>>

西安：西北工业大学出版社，1999.813.<<ANSYS入门手册>>