机械CAD—CAM(第二版)机械CAD—CAM(第二版)第5章 节 计算机辅助工程.pptVIP

第5章　计算机辅助工程; 5.1 计算机辅助工程概述　　1． 计算机辅助工程的概念　　计算机辅助工程广义上是指包括产品设计、 工程分析、 数据管理、 试验、 仿真和制造在内的计算机辅助设计、 分析和生产的综合系统， 狭义上是指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性等分析。 ;　　2． CAE软件简介　　企业的生命力在于产品的创新， 而对于工程师来说， 实现创新的关键除了设计思想和概念之外， 最主要的技术手段就是采用先进可靠的CAE软件。 CAE软件是计算力学、 计算数学、 相关的工程科学、 工程管理学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合型、 知识密集型信息产品， 是CAE理论和工程应用之间的桥梁。;　　现行CAE软件的结构基本相同， 主要包含算法、 软件模块两大部分， 又可简单分类如下： 　　（1） 前处理模块： 包括实现实体建模与参数化建模， 构件的布尔运算， 单元自动剖分， 节点自动编号与节点参数自动生成， 荷载与材料参数直接输入与公式参数化导入， 节点荷载自动生成， 有限元模型信息自动生成等。 ;　　（2） 有限元分析模块： 包括有限单元库、 材料库及相关算法， 约束处理算法， 有限元系统组装模块， 静力、 动力、 振动、 线性与非线性解法库等。 大型通用CAE软件在实施有限元分析时， 大都根据工程问题的物理、 力学和数学特征， 分解成若干个子问题， 由不同的有限元分析子系统完成。;　　3． CAE技术的发展概况　　1） CAE技术的发展过程　　有限元法的通用性使得它可以把固体力学、 流体力学和一般力学这几个不同的力学分支中的问题的求解统一在一个框架中， 组织在一个程序中， 使耦合(流固耦合、 刚柔体耦合)及系统分析成为可能。 　　;　　2） CAE技术的发展趋势　　CAE软件是一个多学科交叉的、 综合性的知识密集型产品， 它由数百到数千个算法模块组成， 其数据库存放着众多的设计方案、 标准构件、 行业性的标准、 规范、 以及判定设计和计算结果正确与否的知识性规则。 智能化的用户界面支持用户有效地使用CAE软件的专家系统， 对设计和计算结果的正确与否作出判断。 ;　　　　5.2 有限元法概述　　1． 有限元法的概念　　1） 有限元法的基本思想　　在求解工程技术领域的实际问题时， 建立基本方程和边界条件还是比较容易的， 但是由于其几何形状、 材料特性和外部载荷的不规则性， 使得求得解析解很困难。 因此， 寻求近似解法就成了求解实际问题近似解的必由之路。 ;　　2） 有限元法分类　　（1） 线弹性有限元法。 　　在这类问题中， 材料的应力与应变呈线性关系， 满足广义胡克定律； 应变与位移也是线性关系。 线弹性有限元问题归结为求解线性方程组问题， 所以只需要较少的计算时间。 如果采用高效的代数方程组求解方法， 则有助于降低有限元分析的时间。 ;　　（2） 非线性有限元法。 　　非线性有限元问题与线弹性有限元问题有很大不同， 主要表现在如下三个方面： 　 ① 非线性问题的方程是非线性的， 因此一般需要迭代求解；　　② 非线性问题不能采用叠加原理；　　③ 非线性问题不总有一致解， 有时甚至没有解。 ;　　（1） 材料非线性问题。 　　材料的应力与应变是非线性关系， 但当应变与位移很微小时， 可以认为应变与位移呈线性关系， 这类问题属于材料非线性问题。 由于从理论上还不能提供被普遍接受的本构关系， 因此， 一般来说， 材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据， 有时非线性特性可用数学模型进行模拟， 尽管这些模型总是有它们的局限性。 ;　　（2） 几何非线性问题。 　　几何非线性是由于位移之间存在非线性关系而引起的。 当物体的位移较大时， 应变与位移的关系是非线性关系， 这意味着结构本身会产生大位移或大转动， 而单元中的应变却可大可小。 研究这类问题时， 一般都假定材料的应力与应变呈线性关系。 这类问题包括大位移大应变问题及大位移小应变问题， 如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题， 橡胶部件形成过程为大应变问题。 ;　　（3） 非线性边界（接触问题）。 　　在加工、 密封、 撞击等问题中， 接触和摩擦的作用不可忽视， 接触边界属于高度非线性边界。 平时遇到一些接触问题， 如齿轮传动、 冲压成型、 轧制成型、 橡胶减振器、 紧配合装配等， 当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时， 通常要考虑非线性边界条件。 ;　　2. 有限元法发展概况　　现代有限元法的第一个成功尝试， 是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题， 这是Turner、 Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。 他们第一