计算机辅助工程-CAE课件

计算机辅助工程——CAE汇报人：高菲李先飞刘华羽指导老师：高琦教授

CAE定义CAE在综合阶段的应用CAE在分析阶段的应用CAE在评价阶段的应用成组技术和生产工程策略设计与生产工程网络123456目录1.CAE定义CAE（Computer-AidedEngineering）是利用计算机技术对工程设计进行分析和评价，计算出产品的工作参数、性能参数和制造参数，这些复杂参数使用传统的人工方法将难以完成。CAE在设计过程中应用于综合、分析和评价阶段2.CAE在设计综合阶段的应用在设计过程的综合阶段，CAE的主要工作是使用面向制造和装配设计方法原理处理生产能力问题。即通过增加基本几何细节来完善产品，通过运用面向制造和装配的设计方法（DFMA）的准则和约束来修改产品。2.1DFMA发展因素：可加工性工程面向装配的设计方法（DFA）

面向制造的设计方法（DFM）DFADFMDFMA？？？2.1.1DFA——面向装配的设计方法定义：指在产品设计阶段设计产品使得产品具有良好的可装配性，确保装配工序简单、装配效率高、装配质量高、装配不良率低和装配成本低。基本原理：通过取消和合并的方法来减少零件数量，从而获得简单化的产品结构。主要作用：制定装配工艺规划，考虑拆装的可行性;

优化装配的路径;

在结构设计过程中通过装配仿真考虑装配干涉。2.1.2DFM——面向制造的设计方法定义：主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。基本思想：在产品设计时要同时考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性或工艺性。2.1.3DFMA——面向制造和装配的设计方法定义：是一个设计过程，该过程从产品设计的一开始就考虑生产因素。基本理念：为了在制造阶段，以最短的周期、最低的成本、最好的质量达到最高可能的产量。涉及产品开发的制造、装配、检测、维护、报废处理等各个阶段。DFMDFMADFA

DFMA合理性：早期设计阶段，产品的材料、工艺和装配要求等关键设计一旦确定，产品的成本也就确定下来。

设计后期除成本因素外，质量问题也是低劣设计的产物。而DFMA的最大成效在于产品零件数量的减少。独立零件之间的结合面是产品失效和质量低下的主要根源，可提高产品质量，减少总成本。同时也减少了冲压模、铸模、冲压机、装配操作、库存、物料运输和各类技术文件数量，增加产品可靠性。

DFMA的人工方法：DFMA方法有人工和基于计算机两种。从人工方法来看，在设计期间，DFMA逐一向设计人员询问有关零件功能、材料限制和装配时零件存取等问题。DFMA软件计算装配时间、产品成本和理论上的基准最小零件数。目的是获得最高的零件生产成本效率。发展首先从效果显著的DFA开始。在产品设计方法改进后，装配变得更容易且更快速，成本也被减少。分析设计质量的方法：（1）十条设计准则（2）装配方法评分表

DFMA的计算机方法：采用DFMA的CAE软件通过成本计算，帮助设计人员分析备选方案。使用DFMA软件时，设计人员输入零件的设计参数，软件对备选设计方案进行定量分析。DFMA设计的结果很可能出现更为复杂的单个部件，但最终能设计出较为简单的产品结构，使得产品成本较为低廉。DFMA优点：（1）减少50%之多的设计周期（2）减少30%~70%的零件数量（3）减少50%~80%的装配时间3.CAE在设计分析阶段的应用

测试产品需要多种CAE软件，且所选软件应满足预期的测试类型。大多数情况下，CAE的输入数据是CAD中建立的产品图形。

CAD中产生的几何造型被用作CAE软件的分析数据。CAE应用：有限元分析（FEA）质量特性分析3.1FEA——有限元分析定义：FEA是一种数字编程技术，它通过把研究对象划分为许多称之为“有限元”的构造单元，来分析和研究某个结构或电路的功能特性。软件分类：机械系统和电子电路。分析步骤：可分成前置处理、计算求解和后置处理三个阶段。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。离散化位移插值局部坐标系中有限元方程的形成坐标变换整体有限元方程的组装施加位移约束求解FEA软件应用：

静态分析

瞬时动态分析

固有频率分析

热传导分析

运动分析

流动性分析

机械运动分析FEA成功的关键在于选择网格，网格单元在结点处连接。网格单元的大小和位置对获得有效的结果至关重要。通常几何实体上某处要求分析的效果越明显，网格单元越小。3.2质量特性分析对分析产品零件的重要性：质量特性分析是设计中常用到的CAE功能。质量特性分析命令通知CAD系统并返回数值，从而可生成分析质量、边界框、质心、惯性矩、惯性积等几何参数。对制造企业的重要性：与CAD系统共同确定零件的标准；

CAD数据文件的传送与共享。与DFMA结合：从质量分析软件获得数据；

从质量特性分析软件获得精准参数值。3.3其他CAE设计和分析软件回路分析软件：完成电子电路的数字分析以确定电子的性能和极端工作条件，可分析任何类型的电路。装配干涉和公差配合软件：用于机械零部件的设计与分析。典型代表是Valisys软件包，展示了如何生成和采集相互关联的数据，同时强调了产品设计、制造和质量间的严格关系。Valisys工作模块设计验证公差分析质量工程检验过程控制按照尺寸与公差标准检查相关信息，使用现有的零件几何体建立一个“软量规”，即硬量规的线框模型，投资较少有更高质量的检测效果。可在最大公差条件下分析装配件之间的配合，设计时考虑零件的配合。几何造型优化设计、图纸文本空间及紧固件都由软件自动完成。质量工程功能可完成对已加工零件的检验。可使用采集到的数据建立一个“在建”零件的联机图形模型，比较模型与软量规，可知零件是否已通过检验。可以控制测量仪器，并确定零件是否是被接纳或被拒绝。根据在质量检测阶段获取的数据，产生改进工艺的建议。采集质量数据并且生成统计过程控制（SPC）必须的控制图。采集的数据用来确定制造过程的精确性和反复性，确定在建零件与设计特征的接近程度，也用来预测加工过程的趋向。4.CAE在设计评价阶段的应用

设计评价过程需要对分析过程中得到的大量数据进行审查，从而确定实际设计目标和参数之间的一致程度。但由于设计的反复性，难以划分CAE功能与分析和评价功能之间的界限，在设计阶段，CAE功能是“原型”。

“原型”是一个设计的功能模型，在产品正式投入生产之前，用来评价产品的工作性能。

原型的形式由期望测试的内容而定。建造普通原型的就是常规的生产设备，多为有色金属或者塑料。然而，面对复杂的注塑模零件，制造原型的工艺难度也会加大。原型设计仍然是一个关键的评价过程，要缩短市场前置时间就要求更加快速的原型技术。4.1原型概念：虚拟原型是一个由零件构造机器部件或产品的过程，零件由不同的设计师设计完成。缺陷：虚拟模型的效果不明显，因为对应的CAD数据集成相当困难，它必须由对CAD软件和模型软件二者都熟悉的编程人员实现。模型软件：1）CATIA、SolidWorks、SolidEdge、Pro/E等都能导入部件的简化面模型，但是仅仅是显示不能修改，甚至没有内部细节。

2）

IXdesign系统和Alibre系统提供的模型软件更趋于理想，由中心服务器控制大型的机器模型，在设计子部件时可看到机器的其他细节

3）

Accupak软件可提供虚拟原型的线性和非线性应力分析功能。通过计算机模拟机械运动，该软件也可采用虚拟测试代替物理测试。。4.2虚拟原型4.3快速原型

快速原型将零件的3D（即实体）CAD模型在系统内“切成”一个个很薄的水平面，然后逐层将他们转化为物理模型，即原型。快速原型作为一种为新设计快速建造模型的技术，核心是增材制造，绿色制造。快速原型系统运行于精简指令集（RISC）工作站，以CAD3D全封闭表面模型（实体模型文件）为基础，CAD将几何体转化为与快速原型系统兼容的文件格式，大多数快速原型系统使用STL格式。

主要是为了分析评价，相对于“原型”，周期短，速度快。4.3.1激光后固化成型(SLA)

激光后固化造型：使用一箱感光性液态聚合物，在聚合物箱内放置一个垂直升降控制台和一个在聚合物液体表面聚焦的伺服激光装置。

原理：

造型系统的计算机读取原型零件的STLCAD文件，然后将零件自上而下切成一些横截面，计算机系统将这些横截面数据以SLI文件，建立控制激光和升降台的文件。激光扫描最下面穿过横截面的区域，使这部分固化，然后升降台下降一个截面厚度，层与层涂上一层液体树脂，激光将下一截面固化，如此反复，直至整个零件形成。适用范围：适用于要求精度不高、重视细节而又不需要严格物理测试的原型

4.3.2选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结：使用以上高能二氧化碳激光将粉末融化（即烧结）成固体零件。原理：与激光固化造型技术原理相似，SLS激光束跟踪每一个横截面的形状，融化粉末薄层。然后机械滚子在已完成层再撒一层粉末，激光再跟踪下一层横截面，如此反复，直至形成完整零部件。适用范围：适合生成那些要求有优越性的材料性能，或必须暴露在露天、化学物或高温等环境的零件。4.3.3三维打印（3DP)三维打印：目前最流行的概念建模系统，它诞生于麻省理工学院MIT该工艺将粉状材料一次撒一薄层。粉状材料可以是任何材料，包括陶瓷、金属、聚合物和合成物。然把粘性豁结剂添加到零件的横截面区域或零件的模子上。原理：3DP是一层一层地生成整个零件，其过程与SLS相似。每一层首先在粉床表面撒上一薄层粉末，然后黏结剂有选择地添加上去，形成零件。支撑粉床的活塞一步步地降低，所以下一层粉能够撒上去。这样的一层一层的过程一直重复到零件完成后结束。零件形成后，还要用蜡、氰基丙烯酸盐黏结剂或双环氧醋来渗透以增加强度。3DP优点：

几何形状适应性强，无需为悬挂部分、侧面凹槽和内部空腔设置支撑，

任何颜色的材料，只要能制成粉状，都能使用。

3DP的速度很快。3DP缺点：它不能获得激光后固化造型技术的表面质量和精度。4.3.4熔融沉积造型（FDM）

熔融沉积造型：一种将各种热熔性的丝状材料(蜡、ABS和尼龙等)加热熔化成形的方法。

原理：熔融沉积造型原理和前面类似，先进行SLT文件类型转化，然后塑料或者腊等基材被从喷头中挤出，喷头会把基材加热至熔解温度，从而确保从喷头流出后基材立刻凝固。当喷头沿着希望的轨迹移动时，被挤出的基材便形成了截面。一个截面完成后，打印底座降低，喷头进行下一层的喷涂。FDM的优点：(1)快速，材料相对便宜；(2)系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险，工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾。FDM的缺点：

(1)精度低，某些模型表面呈颗粒状，表面质量优于激光烧结而逊于激光后固化造型；(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(3)需要设计与制作支撑结构。4.3.5层积物制造(LOM)层积物制造：由美国Helisys于1986年研制成功，采用薄片材料。原理：LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。1)片材表面事先涂覆上一层热熔胶。2)加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。3)用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。4)激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。5)供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。6)工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。7)再在新层上切割截面轮廓。8)如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。9)去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。LOM优点：

（1）成型效率高，LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件；（2）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；（3）无需加支撑，工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。LOM缺点：材料浪费严重，表面质量差。4.3.6多孔喷射造型(MJM)

多孔喷射造型(MJM)是被称为概念造型的3DP快速原型技术的一种。概念造型方法用来制造强度相对较低的零件，可以快速地、低成本地对产品的早期设计进行评估。在概念造型方法中，3DP对大型零件较好，MJM加则对小型的、突出细部结构的零件更好。

MJM的真正优势在于它的零件细节和表面质量较好。原理：将融化的蜡状材料喷洒到平台上，喷洒工具是打印头，打印头喷出墨滴径向尺寸极小，当墨滴落在零件表面时，它速度冷却、变硬。一层完成后，生成平台将下降一个薄层厚度，然后再喷洒新的一层，零件完成后，支撑被清除掉。4.4快速原型的现在和未来在最近的五年内，快速原型已经取得了长足的进步。较大的制造厂商对快速原型部门的投资驱动带动了系统的销售，较小的生产厂商通过购买服务商的机器使用时间来满足他们对快速原型系统的需求。快速原型在未来变化的趋势还是清楚的。在设备方面，将会在精度和工艺速度上有所改进，从材料着眼，当前材料的改进和新材料的引进都将提高原型的稳定性、强度和耐用性。这些变化将使快速原型技术向前迈进到定制加工的时代，制造业仍是主要用户，医学应用也开始启动。5.成组技术市场竞争日益激烈，产品跟新换代快，产品品种增多，但每种产品生产的数量却不多，企业在生产一些产品时采用单件小批量生产，但是这种模式往往存在生产率低、生产周期长、产品成本高、竞争力差的问题。

成组技术是一种揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，将产品以中小批模式生产，以便提高效益的技术。

成组技术的定义：

GT是一种制造方法，它利用零部件设计上的和(或)制造工艺上的相似性，将他们组成小批或中批生产。

原理：应用成组技术时，使用专用制造单元，符合编码条件的零件编成一个零件组，并且在同一套专用于该组零件的机器上生产。

优点：

缩短提前期和准备时间

减少在制品和成品库存

减少材料处理时间

简化生产计划和控制

有助于成功应用其他生产工程软件

5.1零件的分类与编码在运用成组时需要对零件进行编码、分类。1）编码编码是一项系统性的工作，它以零件的主要特征为基础，为零件建立一套由文字和数字编程的唯一识别码。2）分类分类是根据零件的编码系统进行编码后按照零件的编码值，将零件进行分组，采用不同的相似性标准，将零件划分为不同的零件组，创建分类码。常用的编码结构主要有：分级编码结构、链式编码结构和混合编码结构。1）分级编码结构分级式编码结构也称单一编码结构或树结构，在分级编码结构中，码位之间是隶属关系，即除第一码位内的特征码外，其他各码位的确切含义都要根据前一码位来确定。分级编码的优点是用少量的编码可以表达很多的信息。唯一的缺点是复杂性随分支的增加而增加。2）链式编码结构链式编码，也称多重编码，是由编码表或矩阵建立起来的，在链式结构中，每个码位内的各特征码具有独立的含义，与前后无关。多重编码的主要优点是紧凑、易用和易扩展。主要缺点是多重编码缺乏层次结构表现细节。3）混合编码结构混合编码结构结合了分级编码和单一编码的优点。典型的混合编码例子是Optiz分类编码系统。5.2GT生产单元传统上，批量生产的场地是按功能布置的，即同类产品设备被集中在一起，零件按照加工要求在各机器间传送，这种方法有一些缺陷：在制品库存量高、零件运量大、提前期较长和准备时间较长等。成组技术的零件组应用于批量生产，需要将生产设备重新布置，可采用如下方法：1）按照零件族的生产能力来划分机器设备不同的“组”。2）生产流分析法。根据生产操作顺序和零件的加工工艺进行分组，具有相同或相似工艺的零件被划分为同一个零件族。5.3生产与过程的建模和仿真生产和过程的建模

由于系统和环境的复杂性，无论从经济性还是有效性来考虑，都很难甚至不可能以实际系统进行试验。而模型作为现实系统的简化、抽象或模拟，是系统涉及的大量因素中的主要因素的映像，它能反映这些主要因素之间的逻辑关系。设计时，分析模块依靠数学方程能精确模拟出在研零件、产品和加工系统的性能。生产系统过程建模可以帮助理解、分析和优化生产过程，为系统描述、评价和决策提供支持，是生产系统过程重构的重要基础。5.3生产与过程的建模和仿真生产和过程的仿真计算机仿真是建立一套理论的或实际的生产系统和过程系统模型，以评价系统在各种条件和环境下的性能。生产和过程的仿真的方法通过给出实际生产系统或假设的生产系统的动态的三维模型，在计算机中再现实际生产系统的设备、工人和分析生产物流与逻辑顺序的其它相关因素生产和过程的仿真的目标主要目标是评价系统的可生产性,减少系统运行成本和维护费用。加工仿真的优点：（1）优化加工方案，验证生产物流。（2）对制造中的选择方案(新产品)以及更