11-02 计算机辅助机构分析与仿真.ppt

　　机械产品设计过程的一个重要环节是分析、计算。其中包括对产品几何模型进行分析、计算，通过应力变形进行结构分析，对设计方案进行分析、评价等。传统的分析方法采用手工计算，过程繁琐，效率低，有时为了计算方便，往往需要对原型进行较大的简化并引入更多的假设，因此传统的分析方法一般比较粗略，分析结果不够可靠，只能用来对产品设计方案作定性的比较分析，而不能作出定量的评价。 　　计算机辅助机构分析作为CAD技术的基本任务之一，主要是通过计算机利用数值分析方法进行辅助机构分析，是CAD中应用最早、卓有成效的领域之一。计算机辅助机构分析的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的方案设计阶段开始，按照实际使用的条件进行仿真和结构分析；按照性能要求进行设计和综合评价，以便从多个设计方案中选择最佳方案。计算机辅助机构分析通常包括有限元分析、优化设计、仿真、可靠性分析、试验模态分析等。本节主要介绍应用最广泛的有限元分析和计算机仿真。 11.2.1 有限元分析法 　　有限元分析法是力学与近代计算机技术相结合的产物，是一种解决工程问题的数值计算方法。1960年美国Clogh教授首先提出“有限元法（The Fine Element Method）”的概念。从此，有限元法正式作为一种数值分析方法出现在工程技术领域。经过40多年的应用和发展，有限元法已日趋成熟。现在，有限元法已成为结构分析中应用最广泛的、必不可少的工具。有限元建模（Finite Element Model,简称FEM）和有限元分析（Finite Element Analysis,简称FEA）技术已经成为建立分析模型、共享数据的有效途径，是解决各种工程实际问题的便利工具和有效手段。 　　有限元法可以处理任何复杂形状、不同物理性质、多变的边界条件和任何承载情况的工程问题，广泛应用于场强（力场、电场、磁场、温度场、流体场）等分析、热传导、非线性材料的弹塑性蠕变分析等研究领域中。 　　1.有限元的基本思想 　　有限元的基本思想是：先把一个原来是连续的物体剖分（离散）成有限个单元，而且它们相互连接在有限个节点上（如图11.1所示），承受等效的结点载荷，并根据平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。由于单元的个数是有限的，结点数目也是有限的，所以称为有限元法。 　　在采用有限元法对结构进行分析计算时，分析对象不同，采用单元类型（形状）也不同。常见的单元类型有：杆单元、梁单元、板单元（三角形、矩形等）、多面体单元（四面体、六面体）等。 　　2. 有限元的基本解法 　　有限元问题最终可以归结为：在满足边界条件的情况下，求解基本方程。在实际求解时，先求出某些未知量，再由它们求解其他未知量。40多年来，有限元的方法模式得到很大的发展，从而大大提高了有限元法解决实际问题的能力。 　　有限元法求解的具体步骤如图11.2所示。 　　（1)单元剖分 　　把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和结点编号。 　　（2）单元特征分析 　　以结点位移　　为基本未知量，设选一个单元位移函数后，进行以下工作: 　　1)用结点位移表示单元位移,　　　　　　　。 　　2)通过几何方程用结点位移表示单元应变,　　　　　　　。 　　3)通过物理方程用结点位移表示单元应力， 　　　　　　。 　　4)由最小势能原理用结点位移表示结点力， 　　3.总体结构合成 　　1)分析整理各单元刚度矩阵,建立以总体刚度矩阵为系数的线性方程组。 　　2)对线性方程组进行边界条件处理,求解结点位移,再由　　　　 　　 　　可求得单元应力。 　　仿真是近几十年发展起来的一门综合性技术学科，它为系统分析、综合、研究和设计以及对专业人员的培训提供了一种先进技术手段。 　　一种新产品的开发总要经历设计、分析、计算、修改的反复过程。即使这样，也不能完全保证达到预期的要求。通常还需要制造样机，进行试验，检测产品性能指标，以此来确定设计方案的优劣。如果发现问题，则要修改设计方案或参数，重新制造样机和试验，致使产品的开发耗资大、周期长。在研究导弹飞行、宇航、核反应堆控制时，直接试验很危险，或者无法制造样机进行试验。而仿真技术是一种改变上述状况的安全、重要的工具。 　　仿真技术最早应用于航空航天领域。随着计算机的普及和科学技术的发展，计算机仿真已经应用于各个领域，如军事、水利、电力、冶金、机械工程、化工、社会经济、交通运输和生物医学等。仿真技术处理能够降低投资风险，避免实际试验对生命财产的危害，缩短试验时间并不受时空的限制，可以处理一般方法难于求解的大型系统的问题。 　　1.仿真的基本概念 　　为了对系统进行分析、研究，首先要建立实际系统的模型（模拟系统），然后在此模型上进行试验研究，这一过程就是仿真（S