数字化与网络化制造(新A)

1、数字化与网络化制造数字化与网络化制造 目目 录录 第第 1 1 章章 制造学综述制造学综述 .1 1.1 制造的基本概念.1 1.1.1 机械制造技术.1 1.1.2 制造的广义概念.1 1.1.3 制造系统的概念及构成.1 1.1.4 先进制造技术.2 1.1.5 现代制造理念和模式.3 1.2 制造学的研究内容.3 1.2.1 机械制造技术关注的五大核心内容.3 1.2.2 制造装备关注的四大核心内容.5 1.2.3. 制造自动化关注的四大核心内容.6 1.3 制造领域的发展趋势.7 1.3.1 制造领域的智能化.7 1.3.2 制造领域的拟实化.8 1.3.3 制造技术的生命化.8 1.

2、3.4 制造技术的绿色化.9 1.3 数字化和网络化制造的概念.10 1.3.1 数字化制造的概念.10 1.3.1 网络化制造的概念.10 复习思考题.11 第第 2 2 章章 数字化制造技术数字化制造技术 .13 2.1 数字化设计.13 2.1.1 主轴的动态设计.13 2.1.2 主轴最佳跨度的计算.19 2.2 数字化控制.22 2.2.1 加工曲面的离散.22 2.2.2 机器人本体简介.22 2.3 数字化表达.30 2.3.1 虚拟数字化工具.30 2.5.2 机器人的数字化.31 2.5.3 数控机床的数字化.32 2.5.4 加工过程的数字化.33 复习思考题.34 第第

3、3 3 章章 网络化制造技术网络化制造技术 .35 3.1 计算机网络技术.35 3.1.1 基本概念.35 3.1.2 网络的拓扑结构.36 3.1.3 计算机网络的硬件设备.38 3.1.4 网络的通信协议.38 3.2 网络制造系统的构建.39 3.2.1 DNC 制造系统的构建.39 3.3.1 基于局域网的网络制造系统构建.42 3.3.2 网络制造系统的构建.46 3.3 河海大学网络制造系统的分析.47 3.3.1 网络化 DNC 制造系统的功能.47 3.3.2 网络化 DNC 制造系统的层次结构.47 3.3.3 网络化 DNC 制造系统的实现.48 复习思考题.54 参参

4、考考 文文 献献 .55 第第 1 1 章章 制造学综述制造学综述 1.11.1 制造的制造的基本概念基本概念 1.1.11.1.1 机械制造技术机械制造技术 制造（Manufacture）是一个涉及工业产品设计、物料选择、生产计划、生产调度、质量保证、 经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。机械制造工艺过程的模型如图 1-1 所示。 原材料输送工艺过程调试产品 图 1-1 机械制造过程模型 Fig 1-1 Process module of machinery manufacture 1.1.21.1.2 制造的广义概念制造的广义概念 制造是人类按照市场需求，运用主观掌握的知

5、识和技能，借助于手工或可以利用的客观物质 工具，采用有效的工艺方法和必要的能源，将原材料转化为最终物质产品并投放市场的全过程。 广义制造企业的模型如图 1-2 所示。 制造企业 信息资源资金 人才利润 产品 图 1-2 广义制造模型 Fig 1-2 Module of generalizing manufacture 1.1.31.1.3 制造系统的概念及构成制造系统的概念及构成 制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或 半成品的输入输出系统，它涉及产品的整个生命周期(包括市场分析、产品生产过程、售后服务 及回收处理等)的全过程。其中，硬件包括厂房、加工

6、装备、工艺装备、输送装备、计算机及网络 等；软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)、管理方法、制造信息及其有关的软 件系统等。制造系统如图 1-3 所示，主要由加工、物流和信息等子系统组成，制造系统的层次结 构如图 1-4 所示。 原材料输送工艺系统 测量装配调试产品 物流系统 热处理 加工系统 生产系统 信息系统 节点 制造系统 图 1-3 制造系统的组成结构 Fig 1-3 Organization structure of manufacturing system 1.1.41.1.4 先进制造技术先进制造技术 1.1. 先进制造技术的定义先进制造技术的定义 先进制造技术（A

7、danced Manufacture Technology，简称 AMT）制造业不断吸收机械、电子、 信息（计算机通信、控制理论、人工智能等） 、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其综合应 用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务及回收的制造全过程，以实现优质、高效、 低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。 2.2. 先进制造技术的内涵先进制造技术的内涵 （1）基础技术 研究制造学科所涉及的基础理论，如材料组织学、原子力学； （2）单元技术 研究先进制造装备关键部件的原理和设计，如电主轴技术、磁悬浮轴承； （3）集成技术 研究制造信息和制

8、造装备的通信和联接技术，如制造装备接口技术、信息融 合技术。 3.3. 先进制造技术的构成先进制造技术的构成 （1）现代设计技术 现代设计技术是根据产品功能要求和市场竞争（时间、质量、价格等） 的需要，应用现代技术和科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造 的方案，并使方案付诸实施的技术，如优化设计、动态设计、智能设计、反求设计。 （2）先进制造工艺技术 先进制造工艺技术就是机械制造工艺不断变化和发展后所形成的制 造工艺技术，包括了常规工艺经优化后的工艺规划，以及不断出现和发展的新型加工方法，如高 速切削技术、精密加工技术、无切削液加工技术。 （3）制造自动化 制造自动化

9、是在“广义的 制造概念” 中的制造过程的规划、管理、组织、 协调、控制和优化，实现制造全过程的自动化， 如数控技术、柔性制造技术、机器人技术、自动 装配技术。 （4）制造管理技术 制造管理技术是应用与 推广先进制造技术的组织方式和管理技术，如现 代制造模式、计算机集成制造系统、企业资源规 划。 1.1.51.1.5 现代制造理念和模式现代制造理念和模式 1.1. 理念的形成理念的形成 现代制造模式和理念具有鲜明的时代性，它 是从传统的制造生产模式中发展、深化和逐步创 新发展而来。 2.2. 现代制造理念的定义现代制造理念的定义 现代制造模式和理念是制造业为了提高产品 质量、市场竞争力、生产规模

10、和生产速度，以完 成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式 图 1-4 制造系统的层次结构 和一定的生产组织形式。 Fig 1-4 Hierarchical structure of MS 3.3. 三个时代的制造模式三个时代的制造模式 （1）工业化时代的福特大批量生产模式是以提供廉价的产品为主要目的； （2）信息化时代的并行生产模式、精益生产模式、敏捷制造模式等是以快速满足顾客的多样 化需求为主要目的； （3）未来知识化时代的绿色制造生产模式是以产品的整个生命周期中有利于环境保护减少能 源消耗为主要目的。 4.4. 精益生产模式精益生产模式 精益生产模式以改革企业生产管理为特点，其基本要求

11、是企业在生产过程中要同时获得极高 的生产率、最好的产品质量和极大的生产柔性，使所生产出的产品具有精益特点。它可消除制造 企业因采用大量生产方式所造成的过于臃肿和浪费的缺点，实施“精简、消肿”的对策，以及 “精益求精”的管理思想。该模式要求产品优质，且充分考虑人的因素，采用灵活的小组工作方 式和强调合作的并行工作方式；在生产技术上是采用适度的自动化技术，使制造企业的资源能够 得到合理的配置、充分的利用。精益生产模式与批量生产方式的差异见表 1-1 所示。 1.21.2 制造学的研究内容制造学的研究内容 1.2.11.2.1 机械制造技术关注的五大核心内容机械制造技术关注的五大核心内容 1.1.

12、制造原理制造原理 制造系统 生产 系统 生产 系统 加工 系统 加工 系统 工艺 系统二 工艺 系统一 机床工件刀具夹具 主轴系统进给系统控制系统 研究制造的本质和物理现象，如金属切削原理、电火花加工原理、锻造成形原理和材料热处 理原理等。 表 1-1 精益生产模式与批量生产方式的差异 Tab 1-1 Differences of lean and mass production mode 项 目精益生产模式批量生产方式 分工方式集成、综合工作组分工、专门化工作 生产目标追求尽善尽美尽可能的好 生产后勤准时后勤支援缓冲存储方式 生产组织并行工程模式顺序工程模式 自动化柔性自动化刚性自动化 产品

13、质量全过程的质量保证事后质量检验 产品特征面向用户、周期短通用产品 人际关系友好互助疏远单调 （1）金属切削原理 用切削工具（刀具、磨具河磨料）把工件上多余的金属层去除形成切屑， 使工件获得规定的形状、尺寸精度和表面质量的加工方法。金属切削原理如图 1-5 所示。 （2）电火花加工原理 工具和工件分别接脉冲电源的两极， 通过自动控制系统控制工具向工件进给，当两电极间的间隙达到一 定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电； 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度 以上，从而使这一点工件表面局部微量的金属材料立刻熔化，在工 作液中迅速冷凝，形成固体的金属微粒，

14、被工作液带走，工件表面 就被加工成一定形状，被加工表面与工具表面一致。 2.2. 制造方法制造方法 研究各种制造方法的特点和应用场合，如铸造、锻造、切削、 图 1-5 切削示意图 焊接、电火花等。锻造具有以下特点： Fig 1-5 Cutting diagram （1）改善金属的内部组织，提高金属的力学性能； （2）具有较高的劳动生产率； （3）工件形状有一定要求。 3.3. 制造过程制造过程 研究产品制造方法的选择和顺序安排，如生产顺序的安排、机械加工工艺规划、装配工艺规 划等。 4.4. 制造装备制造装备 研究制造企业中所使用的重大装备的原理和应用场合，如金属切削机床、工业机器人等。切 削

15、加工机器人是工业机器人的一种，是用于自由曲面打磨和抛光的加工设备，它包括机器人本体、 控制柜和工业控制计算机三大部分，如图 1-6 所示。 5.5. 制造精度制造精度 研究获取产品精度的方法和提高加工精度的措施，如自动控制法、试切法、调整法、定尺寸 刀具法、误差补偿，机械式误差补偿装置如图 1-7 所示。 机器人本体 控 制 柜 工业控制计算机 抛光头 关节 6 关节 5 关节 4 关节 3 关 节 2 关节 1 图 16 切削加工机器人 Fig 1-6 Module structure of machining robot t 1工件 2螺母 3丝杠 4杠杆 5校正尺 6触头 7校正曲线 图

16、 1-7 丝杠加工误差校正装置 Fig 1-7 Compensation mechanism of machining error 1.2.21.2.2 制造装备关注的四大核心内容制造装备关注的四大核心内容 1 1机床设计机床设计 研究机床的总体方案，机床关键部件的功能要求和设计要点，如设计普通机床、组合机床等。 2 2装备设计装备设计 研究各种制造装备功能要求、设计理论、设计方法和步骤的学科，如数控机床设计、工业机 器人设计、加工自动线设计等。 3 3现代设计现代设计 研究动态设计、优化设计等现代设计理念和方法，如主轴系统的动态及优化设计等。 4 4机电系统设计机电系统设计 研究机电系统融合

17、、机电系统的设计理论和方法，如电主轴系统、数控进给系 统的设计等。 1.2.3.1.2.3. 制造自动化关注的四大核心内容制造自动化关注的四大核心内容 1 1单机自动化单机自动化 研究制造装备的自动化要求和典型机械结构的自动化工作原理，如自动机床、数控机床自动 换刀装置等， C1312 单轴自动车床传动控制系统如图 1-8 所示。 图示说明三个问题： （1）复杂控制机构的工作原理； （2）机床进给运动的数字控制与机械式控制的差异； （3）机械式控制的高可靠性。 2 2输送自动化输送自动化 研究制造资源的输送过程、输送系统的工作原理及结构特点，如自动化导向小车（Automated Guide V

18、ehicle，简称 AGV） 、机床自动上下料装置等。 3 3自动化仓库自动化仓库 研究现代仓储理论和关键仓储设备，如立体化仓库、自动堆垛机等。 4 4柔性制造系统柔性制造系统 研究系统中的自动化装备的控制原理和通信方式，如工业机器人控制技术、加工中心通信技 术等。 图 1-8 C1312 单轴自动车床传动控制系统 Fig 1-8 Tansmission and control system of C1312 automated lathe 1.31.3 制造领域的发展趋势制造领域的发展趋势 1.3.11.3.1 制造领域的智能化制造领域的智能化 21 世纪，基于知识的产品设计、制造和管理将成

19、为知识经济的重要组成部分，是制造科学和 技术最重要和最基本的特征之一。智能化正是在这一背景下提出并得到了学术界和工业界的广泛 关注。1993 年，中国国家自然科学基金会重点项目“智能制造技术基础的研究”获准成立，1994 年开始实施，由华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担，已取得 了可喜的研究成果。 1 1智能制造的定义智能制造的定义 通过模拟人类技工和专家的智能活动，对制造信息进行分析、判断，并完成推理与决策，取 代或延伸了制造过程中人的部分脑力活动。智能制造首次在实际制造系统中提出了以取代人的部 分脑力劳动作为目标，强调在整个企业生产经营过程大范围的自组织能力、信

20、息和制造智能的集 成共享，强调智能型的集成自动化。 2 2智能系统的关键理论智能系统的关键理论 人工智能、知识工程、专家系统、人工神经网络和基因遗传技术。 3.3. 人工神经网络人工神经网络 （1）神经网络的定义 神经网络也称连接模式，是借鉴人脑的结构和特点，通过大量简单处理单元互联组成的大规 模并行式分布信息。它具有巨量并行性、结构可变性、高度非线性、自学性和自组织性等特点。 （2）表面质量的智能预测 表面质量预测神经网络的模型如图 1-9 所示。对表面质量预测系统来说，输入为 5 个变量， 包括刀具圆弧半径 r、主轴转速 n、进给量 f、背吃刀量 ap和刀具跟工件之间的相对振幅 A, 因此

21、 输入节点数 m=5；中间层根据以上经验公式 nH确定为 3；输出层只有一个输出，因此 n=1。 Ra 刀尖圆弧半径 工艺系统振动 切削速度 进给量 背吃刀量 输入层隐含层输出层 图 1-9 表面粗糙度预测 BP 网络结构 Fig 1-9 BP network structure of predicting surface rough （3）表面质量预测系统 表面粗糙度预测系统的框架结构如图 1-10 所示。 图 1-10 表面粗糙度预测系统的框架结构 Fig 1-10 Architecture of surface rough predicting system 1.3.21.3.2 制造领

22、域的拟实化制造领域的拟实化 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的实现，即利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机 上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品设计、工程分析、加工制造、生产调度、生产管理和 销售等做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策和控制能力。 虚拟制造不是真实的制造过程。它不产生真实的产品，不消耗材利和能量，而是利用制造对 象、制造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。虚拟制造是现实制造在虚拟环境下的影射。 它是以计算机建模仿真为基础，集并行上程、计算机图学、智能技术、虚拟现实技术和多媒体技 术为一体的多学利交叉学科，拟实制造的技术特点如图 1-11 所示。 拟实制造 功能的一

23、致性 系统的灵活性 高度的集成化 结构的相似性 技术的多样化 求解的智能化 图 1-11 拟实制造的技术特点 Fig 1-11 Technology feature of virtual-real manufacture 1.3.31.3.3 制造技术的生命化制造技术的生命化 生命化主要体现于生物制造。广义的生物制造可分为三个层次，一是以生物医学设备（及制 剂）为产品的加工制造，二是模仿或利用生物结构及作用过程进行的工程零件制造，三是以生物 材料、生命物质作为材料，使用工程技术方法制造人工器官或组织。 1 1生物器官的制造生物器官的制造 （1）医学影像技术 核磁共振成像技术（NMRI： Nuc

24、lear Magnetic Resonance Imaging） 振动数据检测 机床切削工件 切削参数结果保存 网络测试 网络训练 结果分析 表面粗糙度 在线测量 结果分析 实际测量表 面粗糙度值 样本数据 是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度 磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体 内部的结构图像。 （2）图像分割技术 将图像分成互不重叠,具有各自特征的区域。这里的特性可以是灰度、 颜色或纹理等。 （3）三维造型技术 一是利用一维的线，二维的面和三维的体来构造形体；二是通过计算机 辅助设计建立的立体

25、的、有光的、有色的生动画面，虚拟逼真地表达人类器官的形体效果。 （4）快速成型技术 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法 堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。 （5）器官再造技术 器官再造技术是利用动物身上的细胞或组织， “制造”出一些具有生物 活性的器官或组织。生物性人造器官又分为异体人造器官和自体人造器官。 2 2生物制造法生物制造法 图 1-12 生物制造法过程 Fig 1-12 Bio-manufacturing process 1.3.41.3.4 制造技术的绿色化制造技术的绿色化 制造技术的绿色化是一个综合考虑能源、资源、环境保护和劳动保护优化利用的

26、制造技术， 其目标是经济性地实现产品生命周期全过程对环境影响最小，资源利用最优，能源消耗最少为前 提的一种现代制造技术，绿色制造的组织结构如图 1-13 所示。 1 1绿色制造两个目标绿色制造两个目标 通过资源的综合利用、短缺资源的代用、可再生资源的利用、二次能源的利用及节能降耗措 施延缓资源能源的枯竭，实现持续利用；减少废料和污染物的生成和排放，提高工业产品在生产 过程和消费过程中与环境的相容程度，降低整个生产活动给人类和环境带来的风险，最终实现经 济效益和环境效益的最优化。 2 2绿色制造的两个控制过程绿色制造的两个控制过程 产品制造过程和产品的生产周期过程。也就是说，在从产品的规划、设计

27、、生产、销售、使 用到报废淘汰的回收利用、处理处置的整个生命周期，产品的生产均要做到节能降耗、无或少环 境污染。 3 3绿色制造三项内容绿色制造三项内容 用绿色材料、绿色能源，经过绿色的生产过程（绿色设计、绿色工艺技术、绿色生产设备、 绿色包装、绿色管理等）生产出绿色产品。 绿色制造 两项目标两个过程控制三项内容 物 料 转 化 过 程 产 品 生 命 周 期 绿 色 材 料 绿 色 产 品 绿 色 能 源 环 境 保 护 资 源 优 化 利 用 图 1-13 绿色制造组织结构 Fig 1-13 Organization structure of green manufacture 1.31.

28、3 数字化和网络化制造数字化和网络化制造的概念的概念 1.3.11.3.1 数字化制造的概念数字化制造的概念 1.1. 制造技术的数字化制造技术的数字化 在构成制造系统的物质、能量和信息三大要素中，信息这一要素正在成为制约现代制造系统 的主导因素。数字化就是指以数字计算机为工具，科学地处理机械制造信息的一种行为状态。数 字化革新了传统制造的科学基础，产生了一系列的基础理论和关键技术问题，并将之用于产品设 计和制造过程。数字化技术和高新化的制造技术不断融合，形成了数字制造应用技术群。 2.2. 数字化制造技术的涵义数字化制造技术的涵义 数字化制造是用数字化定量、表达、存储、处理和控制方法，支持产

29、品生命周期和企业的全 局化运作，以制造过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，根据用户需求，对 产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型 制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。数字化制造是庞大的研究领域， 数字化制造的内容可由宏观数字化制造和微观数字化制造的两个方面来描述。宏观数字化制造是 指宏观决策、资源优化、市场运作、资金运营等对制造过程具有重大影响的活动；微观数字化制 造是指产品由设计、工艺装配、过程控制到最终产品的全过程。总之，制造正在由部分量化和部 分经验化、定性化逐步转化为由宏观到微观的全面数字定量化。数字

30、化制造的组织结构如图 1-14 所示。 1.3.11.3.1 网络化制造的概念网络化制造的概念 1.1. 制造技术的网络化制造技术的网络化 世界已进入网络制造时代，各国的制造离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。从 这个意义上说，网络制造是跨国性的、全球性的经济，生产过程已经不再局限于一国范围内，而 是形成“无国界的制造系统” 。网络制造同时使制造环境发生了根本性的变化，传统的组织结构相 对固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已与之不 相适应，需要建立一种市场需求驱动的，具有快速响应机制的网络化制造模式，图 1-15 就是网络 化制造的组织结构。

31、制造作为国民经济的支柱产业、社会财富的直接源泉，制造业在 2l 世纪面临 着如何对市场环境急剧变化做出快速反应，及时掌握用户需求，有效地生产和提供令用户满意的 产品和服务的挑战。而正是网络化制造这一新思想、新技术极大地推动了制造业的发展。 数字化制造 数字化 设计 与 分析 数字化 工艺 规划 数字化 生产过程 数字化 管理 数字化 制造装备 图 1-14 数字化制造的组织结构 Fig 1-14 Organization structure of digitizing manufacture 2.2. 网络化制造技术的涵义网络化制造技术的涵义 网络化制造技术，即将计算机和网络技术与制造技术相融

32、合，以数字化信息为基础，实现产 品全生命周期的制造，其实质就是通过网络管理实现不同企业之间或企业内部资源的优化组合， 这种资源包括知识、技术、装备、人员和资金等，其表现形式是企业的联盟，共同组成虚拟企业 以获得最大的效益。 一个完善的网络制造系统是集产品设计、动态生产管理、工艺规划、设备调度、DNC 网络控 制为一体的具有开放式网络化制造体系的生产管理系统，在网络制造系统中，把与制造过程有关 的装备与上层控制计算机集成起来，从而实现制造装备的集中控制管理以及制造装备间、制造装 备与上层控制计算机间的信息交换，中央控制计算机对多种制造装备集中控制管理，传送制造数 据，同时有效利用局域网实现企业的

33、经营管理和生产操作的无缝结合。最终利用 Internet 实现各 制造企业的资源共享，以实现全球的制造企业联盟。 网络制造的核心技术主要包括数字制造技术、计算机网络技术、现场总线技术、信息技术和 数据库技术等。 复习思考题复习思考题 1谈谈自己对制造的理解，在机械制造相关课程中你掌握了哪些核心技术。 2简述先进制造技术的定义、技术内涵和技术构成。 3我国的制造企业如何来适应现代制造理念和模式？ 4阐述精益生产模式与批量生产方式的差异。 5你认为我国未来制造企业将如何发展？ 6简述数字化制造的概念和五项具体技术的内涵。 7浅谈网络化制造的含义和对未来制造企业的影响。 互联网 用户 互联网 用户

34、互联网 用户 互 联 网 其他网络 制造系统 局域网 服务器 局 域 网 局域网 用户 局域网 用户 UG 工作站 CAE 工作站 CNC 制造 装备 分布式 制造 单元 DNC 工作站 其他 制造 资源 RS232串行口 数 控 车 床 数 控 钻 床 数 控 铣 床 加 工 中 心 图 1-16 网络化制造的组织结构 Fig 1-15 Organization structure of networking manufacture 第第 2 2 章章 数字化制造技术数字化制造技术 数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立 起适当的数字化模型，把它们转

35、变为一系列二进制代码，引入计算机内部，进行统一处理，这就 是数字化的基本过程。 2.12.1 数字化设计数字化设计 2.1.12.1.1 主轴的主轴的动态设计动态设计 1.1. 有限元的基本概念有限元的基本概念 首先，假象地把连续的介质或结构分割成有限个数目的形状规则的小块，这些小块称为单元； 单元和单元之间仅在有限个指定点“节点”处相互连接；结构原来所受外载也按某种规则移植成 作用于节点处的等效力；原来的边界约束也简化为节点约束。有限元分析过程： （1）将实体离散为一个由有限个具有一定形状规则的、仅在节点相互连接的、仅在节点处承 受外载和约束的单元的组合体，来替代原来具有任意形状的、承受各种

36、可能外载和约束的连续体 或结构。 （2）对于每个单元、根据分块近似的思想，选择一个简单的函数来近似地表示其位移分量地 规律，并按弹塑性理论建立单元节点力和节点位移之间的关系。 （3）把所有单元的这种特性关系集合起来，就得到一组以节点位移为位置量的代数方程组， 解之可以求出原有物体有限个点处位移的近似值，并可进一步求得其他物理参数（应力、应变等） 。 2.2. 实体结构离散实体结构离散 实体结构的离散是有限单元法的基础，就是由有限个方位不同但几何性质和物理性质均相似 的单元组成的集合体来代替原来的连续体或结构。每个单元仅在节点处和其他单元及外部有联系。 梁视为一维有限元，其离散结果如图 2-1

37、所示。 图 2-1 简支梁的离散示意图 Fig 2-1 Discrete graph of simple beam 一维有限元法是把复杂的线性弹性系统分割成若干单元，这些单元可分为三种类型，一是杆 单元只考虑几何参数无质量的虚拟杆，二是质量单元只有质量无几何参数的质量点，三是支承单 12 单元节点单元体 3 4 节点1节点2 元只考虑径向刚度和扭转刚度的支承点，三种单元的力学模型如图 2-2 所示。 3.3. 建立力学模型建立力学模型 单元两端的状态矢量包括位移（挠度 y，转角）和广义内力（弯矩 M，剪力 F） ，写成向量形 式：Zi=y,M,FT。 杆单元质量单元支承单元 图 2-2 单元数

38、学模型 Fig 2-2 Unit mathematic module （1）杆单元的力学分析 杆单元是截面均匀的杆段，长度 L，刚度 EI（E弹性模量，I梁截面的惯性矩） 。梁单元左 右端状态矢量之间的关系如图 2-3 所示，根据材料力学的知识其关系式为： 图 2-3 杆单元两端的状态矢量 Fig 2-3 Status vector of shaft both ends （2-1） i i i i i i iiii F EI l M EI l lyy 62 32 1 （2-2） i ii i ii ii EI lF EI lm 2 2 1 （2-3） iiii lFMM 1 （2-4） ii FF 1 将两端的状态矢量关系写成矩阵形式： （2-5） i i i F M y l EI l EI l EI l EI l l F M y 1000 100 2 10 62 1 2 32 1 简化为： （2-6） iii ZUZ 1 就是联系第 i 个单元左右两端点状态矢量的传递矩阵，反映了该单元的力学特性。 iU （2）质量单元的力学分析 质