CAE与有限元分析.ppt

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CAD/CAM的工程分析的工程分析组成员：

曹展组成员：

曹展曾恩曾恩刘胜平刘胜平祝严刚祝严刚CAD/CAM的工程分析的工程分析1CAE的主要内容和分析方法的主要内容和分析方法2有限元的基本原理和分析步骤有限元的基本原理和分析步骤3有限元软件的组成与数据前处理、后处理有限元软件的组成与数据前处理、后处理一、一、CAE的主要内容和分析方法的主要内容和分析方法CAE（ComputerAidedEngineering）是用）是用计算算机机辅助求解复助求解复杂工程和工程和产品品结构构强度、度、刚度、屈度、屈曲曲稳定性、定性、动力响力响应、热传导、三、三维多体接触、多体接触、弹塑性等力学性能的分析塑性等力学性能的分析计算以及算以及结构性能的构性能的优化化设计等等问题的一种近似数的一种近似数值分析方法分析方法广泛广泛应用于各工用于各工业领域域CAE系统的核心思想是结构的离散化，系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，度的近似结果来替代对实际结构的分析，其基本过程是将一个形状复杂的连续体其基本过程是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，通过将连续体离散化，把求解连区域，通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限的单元节点度等）问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。

上的场变量值。

CAECAE的成功案例的成功案例l波音波音777的研发过程中采用的研发过程中采用CAE数字化样机技术，节省了数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费理样机实验需花费1亿美元亿美元lCAE技术在汽车工业中的应用，使新车开技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的发周期由原来的56年缩减到现在的年缩减到现在的12年年在机械工程中的应用在机械工程中的应用在土木工程中的应用在土木工程中的应用在航空工程中的应用在航空工程中的应用在电子工程中的应用在电子工程中的应用在生物工程中的应用在生物工程中的应用CAECAE方法体系方法体系机械系统物理模型：

机械系统物理模型：

结构模型，机构模型结构模型，机构模型数学模型：

数学模型：

偏微分方程，常微分方程偏微分方程，常微分方程数学模型：

数学模型：

物体运动：

常微分方程，物体运动：

常微分方程，铰约束：

代数方程铰约束：

代数方程解析法：

材料力学，解析法：

材料力学，弹性力学等弹性力学等数值法数值法解析法：

理论力学，解析法：

理论力学，机械原理等机械原理等数值法数值法有限差分法有限差分法FDM有限元法有限元法FEM边界元法边界元法BEM有限体积法有限体积法FVM无网格法无网格法Meshfree多体动力学多体动力学或虚拟样机或虚拟样机结构模型结构模型机构模型机构模型CAECAE方法体系方法体系数值分析工具箱数值分析工具箱有限元法有限元法：

CAECAE的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各个学科及各个工程领域。

技术最成熟，商业软件十分丰富。

如：

个学科及各个工程领域。

技术最成熟，商业软件十分丰富。

如：

ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINAANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINACAECAE方法体系方法体系数值分析工具箱数值分析工具箱基于多体系统动力学的虚拟样机技术基于多体系统动力学的虚拟样机技术：

针对复杂机械系统的整机性能优化技术。

：

针对复杂机械系统的整机性能优化技术。

所建立的复杂机械系统包括机所建立的复杂机械系统包括机-液液-控的耦合。

商业分析软件包括控的耦合。

商业分析软件包括ADAMS,SIMPACK,DADSADAMS,SIMPACK,DADSCAECAE应用现状应用现状现有先进产品开发技术包括:

CAD/CAE/CAM/PLM（ProductLifecyeleManagement）CAD已普及（要求每个工程师必须掌握）CAM/PLM仍处于研发阶段CAE在发达国家及一些大公司中利用CAE技术优化产品设计以降低成本，缩短研发周期已达80%95%CAE的应用已含盖机械工程的各个方面（包括运动分析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，振动和噪声的控制等）CAE方面的专业人才短缺（包括发达国家）CAE软件的应用软件的应用CAE软件可以分件可以分为专用型、通用型和嵌套型用型、通用型和嵌套型专用型用型专用型用型CAE软件是件是针对特定特定类型的工程或型的工程或产品所开品所开发的的用于其性能分析、用于其性能分析、预测和和优化，主要特点是在某一化，主要特点是在某一专门领域内，开域内，开发了了专门的功能，的功能，强调专业性和性和专用性，如用性，如ADAMS、ADAS、和、和MAC/FATIGUE等。

等。

通用型通用型通用型通用型CAE软件是能件是能够对多种多种类型的工程和型的工程和产品的物理、品的物理、力学性能力学性能进行模行模拟、分析、分析、预测、评价和价和优化，化，以实现产品技术提升和创新的软件，主要特点是自成体系，解决工程问题和领域比以实现产品技术提升和创新的软件，主要特点是自成体系，解决工程问题和领域比较宽，适应性强，如较宽，适应性强，如ABSQUS、ANSYS、ADINA、MARC和和RASYRAN等属于这类等属于这类软件。

软件。

嵌套型嵌套型嵌套型嵌套型CAE软件是指嵌套在软件是指嵌套在CAD软件或软件或CAD/CAM系统中的系统中的CAE分析模块，主要分析模块，主要特点是能直接使用特点是能直接使用CAD软件或软件或CAD/CAM系统中的系统中的CAE分析软件模块，主要特点是分析软件模块，主要特点是能直接使用能直接使用CAD模块投入相应模块投入相应CAE分析，操作界面与分析，操作界面与CAD软件相同，有利于被设计软件相同，有利于被设计工程师所接受使用，如工程师所接受使用，如PRO/E、CATIA、AIP、I-DEAS、SOLIDWORKS等等CAD软软件中的运动学、动力学或有限元分析模块。

件中的运动学、动力学或有限元分析模块。

CAE的相关软件的相关软件软件名称软件名称软件描述软件描述Hyperworks主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看输出结果和仿真）输出结果和仿真）Pro/ENGINEERMechanica综合的综合的CAE软件，软件，Pro/ENGINEER包含完整的包含完整的CAD/CAM功能功能Ansys很经典的很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高，尤，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。

其是在高校科研领域。

2006年收购了年收购了Fluent，2008年收购了年收购了AN-SOFT。

Fluent是应用最广的流体分析是应用最广的流体分析软件，软件，AN-SOFT是应用最广的电磁分析软件。

在收是应用最广的电磁分析软件。

在收购整合的过程中，购整合的过程中，Ansys的多物理场耦合成为一大特的多物理场耦合成为一大特色。

色。

ADINA强大的非线性功能、能做直接流固耦合强大的非线性功能、能做直接流固耦合Abaqus强大的非线性复杂动态问题求解器，专门汽车分析模强大的非线性复杂动态问题求解器，专门汽车分析模块，块，CAE实现基本过程实现基本过程n11、将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有、将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；由有限个单元组合的等效组合体；n22、通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量、通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。

限的单元节点上的场变量值。

n33、此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不、此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。

求是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。

求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。

用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。

有限元分析的基本原理有限元分析的基本原理有限元分析软件的组成有限元分析软件的组成有限元分析的步骤有限元分析的步骤有限元分析的数据处理有限元分析的数据处理有限元分析有限元分析-基本原理基本原理n有限元方法的基本思想：

是将结构离散化，用有有限元方法的基本思想：

是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。

同时由于单元的数目是有限的，条件综合求解。

同时由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

这节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解的解。

有限元分析基本步骤有限元分析基本步骤nn11、数据输入阶段数据输入阶段nn22、单元分析阶段、单元分析阶段nn33、整体分析阶段、整体分析阶段数据输入阶段，输入以下数据数据输入阶段，输入以下数据n11、控制数据：

如结点总数、单元总数、约束条件、控制数据：

如结点总数、单元总数、约束条件总数等总数等n22、结点数据：

如结点编号、结点坐标、约束条件、结点数据：

如结点编号、结点坐标、约束条件等等n33、单元数据：

如单元编号、单元结点序号、单元、单元数据：

如单元编号、单元结点序号、单元的材料特性、几何特性等的材料特性、几何特性等n44、载荷数据：

包括集中载荷、分布载荷等、载荷数据：

包括集中载荷、分布载荷等在单元分析阶段，通常需要计算：

在单元分析阶段，通常需要计算：

n11、各单元的、各单元的bbii，ccii（i,j,m）,（i,j,m）,面积面积AAn22、应变矩阵、应变矩阵BB，应力矩阵，应力矩阵SSn33、单元刚度矩阵、单元刚度矩阵KKn44、单元移置载荷向量、单元移置载荷向量FFee在整体分析阶段在整体分析阶段n11、整体刚度矩阵、整体刚度矩阵KK的组装的组装n22、整体载荷列阵、整体载荷列阵FF的形成的形成n33、引入位移约束条件、引入位移约束条件n44、解线性方程组、解线性方程组有限元分析软件有限元分析软件由以下三方面组成由以下三方面组成11、数据前处理：

即建立有限元模型，并按软件使用手、数据前处理：

即建立有限元模型，并按软件使用手册规定的格式准备一份输入数据文件。

其中主要内容册规定的格式准备一份输入数据文件。

其中主要内容是结点和单元数据、材料物理性质数据、边界条件数是结点和单元数据、材料物理性质数据、边界条件数据和载荷数据。

前处理中的主要工作是划分有限元网据和载荷数据。

前处理中的主要工作是划分有限元网格，生成结点和单元数据。

如果配有前处理软件，则格，生成结点和单元数据。

如果配有前处理软件，则可由程序划分网格，并通过图形显示检查和确认网格可由程序划分网格，并通过图形显示检查和确认网格划分及生成数据的正确性。

划分及生成数据的正确性。

2、运行有限元分析程序，进行计算。

3、对计算结果的后处理：

即分析、整理输出的计算结果数据，判断计算是否合理。

如有必要则修改有限元模型，重新分析计算。

数据前处理数据前处理n有限元前