模具CADCAM李名尧主编cai-7课件教学.pptVIP

第七章 模具CAE 现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。20多年来，随着计算机技术和数值仿真技术的发展，出现了计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering)这一新兴的技术，该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模具CAE。 CAE所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以计算机软件的形式，为工程领域提供一种有效的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优化，直到获得最佳的结果。但由于所开发CAE软件的种类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现；因此，CAE应用还远未达到所定义范围。 目前，模具CAE的主要内容和目的： 对工件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间； 对模具进行强度刚度校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本； 通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量； 查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。 第一节 有限元分析概述 对于一般的工程受力问题，获得整个问题的精确解一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元的分析方法。 有限元法自1960年由Clough首次提出后，获得了迅速的发展；虽然首先只是应用于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。 一、有限元法的基本概念 对于连续体的受力问题，可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体，如图7-1弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布；这就是有限元法 图7-1 弯曲凹模的受力分析示意图 有限元法的实质就是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。 由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因此，有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计，可由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有限元分析才得以迅速的发展。 二、有限元法分析的基本过程 结构的离散化，就是将结构划分成为有限个单元体。 假定位移是坐标的某种简单函数，称为位移函数。 分别导出单元的应变、应力和刚度矩阵。 求单元的应变能 求结构的总应变能 求结构的总势能 根据势能极小原理求上述函数极小值得到 引入几何边界条件求得所有的未知节点位移 根据求得的节点位移，计算出各单元的应变和应力。 有限元软件并不直接体现以上的过程，一般只是根据相应的功能分为前处理、分析计算和后处理三大部分。 前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元； 分析计算模块则对单元进行分析与集成，并最终求解得到各未知场量； 后处理则将计算结果以各种形式输出，以便于了解结构的状态，对结构进行数值分析。 三、通用有限元软件简介 有限元法自1960年代提出后，由于其强大的功能，获得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和有限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展和完善，国内外先后开发出了MSC.NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等诸多大型通用有限元软件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC等非线形分析有限元软件，及其他各种功能的有限元应用软件。这些软件一般都具有结构静动力分析、大变形和稳定分析、各种非线形 、以及热分析、流体分析和多物理场耦合分析等功能，有比较成熟、齐全的单元库，并提供二次开发的接口。 有限元软件MSC.NASTRAN NASTRAN有限元分析系统是由美国国家宇航局（NASA）在20世纪60年代中期委托MSC公司和贝尔航空系统公司开发，发展至今已有多个版本，其系统规模大、功能强。在70年代初期，MSC公司对原始的NASTRAN进行改进和完