计算机辅助设计应用.docx
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计算机辅助设计应用
计算机辅助设计应用
西南交通大学材料学院授课教师：
黄兴民
课程名称
计算机辅助设计应用
英文名称
ComputerAidedDesignandEngineering（CAD&E）
授课专业
材料科学与工程学院
课程类型
专业限选课
授课方式
课堂讲授+上机实践
教学手段
多媒体+板书
总学时（学分）
32学时（2学分）
本课时教学时间
90min
预前课程
材料学基础课程、高等数学、理论力学、机械制图、
计算机辅助制图、传热学等
教材名称
作者
出版社
出版时间
ANSYS10.0材料工程有限元分析实例教程
胡红军等著
电子工业出版社
2008.4
参考书目
大型有限元程序的原理﹑结构与使用
康国政等著
西南交通大学出版社
2008.3
ANSYS9.0经典产品基础教程与实例详解
博弈创作室编著
中国水利水电出版社
2006.1
有限元分析基础
傅永华著
武汉大学出版社
2003.8
使用ANSYS6.1进行结构力学分析
易日著
北京大学出版社
2002.10
ANSYS7.0教学范例
洪庆章等著
中国铁道出版社
2003.8
通用有限元分析
ANSYS7.0实例精解
倪栋等著
电子工业出版社
2003.10
教学目的
教学重点
通过本课程的学习，了解计算机辅助设计应用的基本原理和过程，有限元分析软件ANSYS在材料工程及其他领域内的应用，能熟练操作和应用ANSYS软件工具，具有初步的计算机辅助设计的建模和分析能力。
有限单元分析法的原理，使用ANSYS软件对物理等工程问题进行建模，划分网格单元，加载运算，分析结果，优化设计。
第一章绪论
教学内容安排细化方案
教学目的
了解计算机辅助设计应用的基本知识，在工业生产和科学研究方面的应用和作用。
什么是有限单元分析法？
有限元分析法的结构，ANSYS有限元分析软件的发展历程，特点和应用范围。
通过实例展示计算辅助设计的运算思路和强大功能。
教学重点
结合实际，告诉同学们计算机辅助设计是什么，能做什么？
其特点和思路。
有限元法的基础知识。
ANSYS软件有何特点，我们如何学习ANSYS软件。
教学难点
计算机辅助设计应用有很多，结合材料专业特色，使教学过程能够紧密结合专业知识和行业背景。
结合当前高速铁路蓬勃发展的现状以及西南交通大学悠久的铁路传统，以及大四学生即将面临的就业问题，说明计算机辅助设计应用这门课程的重要性和实用性。
教学内容概要及时间分配
内容铺垫：
计算机与专业知识的结合－计算机辅助设计。
什么是计算机辅助设计?
5min
内容导入：
（1） CAD/CAE/CAM的概念及常见软件。
10min
（2）计算机辅助设计应用的重要作用。
内容展开：
（3）有限元分析法基本原理。
60min
（1）ANSYS的起源和行业地位。
（2）ANSYS的特点和运算步骤。
（4）实例分析。
内容总结：
课程安排和考核方式，上课时间和地点
10min
作业布置：
了解工业中ANSYS软件的应用实例
5min
合计
90min
开场白
大家好，上课之前简单的介绍下自己……
在学习的课程中，我个人希望大家记住两点：
1.教与学是一个互动的过程。
老师在讲授和演示的时候，大家应有积极反馈。
2.师生之间应该彼此尊重。
讲台下是朋友，课堂上是师生，希望大家不要迟到，早退，遵守好课堂纪律。
有什么goodidea可以一起分享。
一、内容铺垫
进入二十一世纪，随着科学技术的发展，计算机的软硬件技术的不断得到发展，其计算功能越来越强大，性能也越来越稳定。
与此同时，计算机及软件使用渗透到人类生活每个方面。
比如：
普遍使用的office软件，杀毒软件诺顿，瑞星，卡巴斯基，游戏软件魔兽世界，极品飞车等，图形处理软件photoshop，文献阅读软件，AdobeReader，CAJviewer，网络资源下载软件：
Bt，迅雷，网际快车，网络聊天工具：
QQ，MSN，skype等。
另外一方面，这是个知识爆炸的时代，新知识和新理论层出不穷专业划分愈来愈细，大脑的物理容量相对有限。
因此，在工业生产和科学研究上，计算机软件发挥着越来越重要的辅助作用。
不同领域，不同行业，不同公司，都在不同程度上使用和依赖着一种以上的专业计算机软件。
提问？
同学们已经接触到或者了解过的计算机辅助软件有哪些？
AUTOCAD,Pro/Engineer，Solidworks，Solidedge，UniGraphics（全拼），CATIA等专业绘图软件，AUTOCAD,Pro/E,UGCATIA,SOLIDWORKS,SOLIDEGDE,等等。
在科研领域，也常常使用到一些辅助分析软件。
比如：
Jad5.0有助于处理X射线衍射数据，
originPro8.0用于实验数据的处理和绘制
NetzchTA4.5分析DSC（DSC）差示量热扫描仪。
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机械制造领域，（CAD/CAE/CAM软件）
CAD即计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD），其概念和内涵正在不断地发展中。
在早期是英文ComputerAidedDrafting（计算机辅助绘图）的缩写。
AUTOCAD随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。
二维工程图设计只是产品设计中的一小部分；于是CAD的缩写也由ComputerAidedDrafting改为ComputerAidedDesign，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。
AUTOCAD
一般认为，CAD（ComputerAidedDesign,计算机辅助设计）指几何建模，它是利用计算机技术进行几何设计、修改和绘图。
CAD使得工程师们彻底摒弃了画图纸和三角板。
著名的CAD软件如AutoCAD（2D即平面制图的老大）、UG、solidworks、solidedge、Pro/E（都是优秀的3D制图软件,其实如UG等也带有CAM功能）。
CAE是计算机辅助工程（Computer-AidedEngineering）的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。
在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。
在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。
CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程）指的是利用计算机进行模拟分析计算，当然在分析计算之前少不了要进行几何建模。
CAE软件的出现使得工程师们可以根据科学理论利用计算机有效的预测产品设计是否合理。
著名的MSC公司的软件及ANSYS和ABAQUAS等。
CAM（computerAidedManufacturing，计算机辅助制造）：
利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。
它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。
CAM（ComputerAidedManufacturing,计算机辅助生产）包括工艺设计、NC（NumericalControl）编程及机器人程序编制，这属于自动化的范畴。
当CAD/CAE/CAM充分发展并且全部集成时，一个智能化制造系统就诞生了，工程师们只要坐在电脑前与计算机对话，只要其能够充分的表达创意，在工厂里出现什么样的产品这个过程也不再是梦。
这时候，产品的标准化也向个性化发展了。
相关软件有华铸CAE等。
“华铸CAE”铸造工艺分析软件是分析和优化铸造工艺的重要工具，是华中科技大学（原华中理工大学）经20多年研究开发，并在长期的生产实践中不断改进，完善起来的集成软件系统，目前发行的版本是V8.0。
它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化工作。
多年来在提高产品质量，降低废品，减少消耗，缩短试制周期，赢得外商订单等方面为众多的厂家创造了显著的经济效益，在行业内享有广泛的声誉和信誉。
Deform3DV5.0Deform英文5.0有限元分析
DEFORM-3D是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。
适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。
如：
材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。
DEFORM-3D功能与2D类似，但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等
＊CAD是CAE、CAM和PDM的基础。
在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计；而PDM则更需要CAD进行产品装配后的关系及所有零件的明细（材料、件数、重量等）。
在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE、CAM和PDM中有所反应。
所以如果CAD开展的不好，CAE、CAM和PDM就很难做好。
PDM的中文名称为产品数据管理（ProductDataManagement）。
PDM是一门用来管理所有与产品相关信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关过程（包括过程定义和管理）的技术。
＊
职场竞争异常激烈的今天，掌握一门计算机辅助设计软件将使你占据求职和升职的制高点。
……..
二、内容导入
前面介绍了计算机辅助设计的定义和一些常用软件，现在结合本专业相关领域，来介绍计算机辅助设计软件的作用和重要性。
根据有关资料介绍，一个新产品的问题约有50%～70%以上可以在设计阶段消除。
在国际上，几乎所有重要的机械产品和装备都必须要采用数值方法进行计算分析和技术校核。
对于新型轿车的设计和制造，如果采用全数字化的设计和高精度模拟，可以减少接近60%以上的实物试验，新型号的开发时间可以缩短一半，开发费用也可以降低三分之一以上。
案例1：
波音飞机，采用CATIA等行业软件进行先期设计。
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比如：
美国Boeing公司设计的B-777飞机，就在计算机上完全实现了原型和制造工艺的“无纸设计”，计算机辅助设计提高了公司的行业竞争力，节省了资源
点评：
其中大规模计算（模拟和仿真）起到了核心技术的支撑作用。
实际上，大规模计算在科学研究上，已经成为探知复杂对象本质规律的定量分析手段，在工程设计和工艺设计上，可以成为替代大量实物试验的数字化“虚拟实验”，做到高效率和低成本。
数值模拟技术简介
工程中的许多问题，包括固体力学位移场和应力场分析，流体力学中的流场分析，传热学中的温度场分析，振动特性分析等等，都可归结为在给定的边界条件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题。
那些性质比较简单，且边界条件相当规则的少数工程问题，——用解析方法能求出精确解。
对大多数的工程问题，由于物体的几何形状较复杂或者某些特征是非线性的，则很少有解析解。
——用解析方法不能求出精确解
求解此类复杂的工程问题通常有两种解决途径：
一、是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题而得到简化状态下的解。
这种方法在有限的情况下是可行的，但过多的简化可能导致错误的解；
二、是在广泛吸收数学、力学理论的基础上，借助于计算机来获得满足工程要求的数值解——数值模拟技术。
在过去五十年里，伴随着高速电子计算机的出现和发展，用于求解数学物理方程的数值计算方法得到了长足的发展，其中尤以有限单元法为甚。
与有限差分法、边界元法等数值方法相比，有限单元法具有对复杂几何形状及边界条件的适应性好、近似解连续、易于处理复杂本构关系及非线性问题等优点。
有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法。
如今，有限单元法已经发展得非常完善，以致于被认为是有效地求解各种数学物理方程问题的最好方法之一。
利用该方法可以获取几乎任意复杂工程结构的各种信息，还可以直接对工程设计进行各种评判，可以对各种工程事故进行技术分析。
在现在的主流CAE软件中，有限元分析法的运用最为广泛。
有限单元法：
（FiniteElementMethod）是一种离散化的数值方法。
古代数学家以正多边形来逼近圆的方法求出了圆周长，其中就包含了有限单元法的思想。
有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。
物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。
随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。
离散化是有限元方法的基础。
必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式等。
离散后的单元与单元间只通过节点相联系。
1956年，M.J.Turneretal发表了在结构力学中采用有限单元法的第一篇论文；1960年，R.W.Clough将这一方法从结构力学推广到弹性力学——处理了平面应变的问题，提出了“有限单元”（FiniteElement）。
有限单元法的基本过程
1.将介质的复杂几何区域离散为具有简单几何形状的有限单元。
2.离散后的单元与单元间只通过节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。
3.对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面上都满足一定的条件，得到方程。
4.然后把所有的方程组合起来，得到整个机构的方程组，求解该方程组，就可得到整体结构的近似解。
可以看出，有限单元法的基本思想是"一分一合"，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。
现代意义的有限单元法，是在电子计算机诞生以后才出现的，计算机为完成有限单元法中的大量计算提供了一种快速的手段，并使该方法切实可行。
在1960年随后的四十年间，伴随着计算机软硬件的飞速发展，有限单元法得到了极大的完善和广泛应用。
现今，在数学物理方程的大多数领域，有限单元法已经被工程师和应用科学家们认为是一种具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具。
同时，已经出现了大量成熟的有限元商业软件包，如NASTRAN、MARC、ANSYS等。
这些软件促进了有限单元法在工程实践中的广泛的应用，而这又反过来为有限单元法的进一步发展提供了新的发展动力。
有限元分析法的发展有以下几点：
1.分析区域的几何形式，已由最初的平面区域扩展到空间三维分析；由静力平衡问题扩展到非线性稳定问题、瞬态分析和波动问题。
2.分析的介质从线弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等新材料领域；
3.分析领域也从最初的固体力学扩展到传热学、声学、电磁场等连续介质力学领域以及多物理场的耦合分析。
总之，有限元方法作为一种成熟的分析手段，在科学研究，工程设计和评判中发挥着巨大的作用。
三、内容展开
通过以上讲解，相信大家已经对计算机辅助设计软件的功能和重要性，以及有限元分析法有了有了初步的理解和认识，下面就介绍一下本门课程的主角――――ANSYS有限元分析软件：
ANSYS软件的前世今生
1970年，JohnSwanson博士创建了ANSYS公司，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。
30年来，ANSYS公司不断吸收新的计算方法和计算技术，致力于软件的开发，领导着世界有限元技术的发展并为全球工业广泛接受，其50000多用户遍及全世界。
由最初的ANSYS2.0版本发展到ANSYS12.0版本。
ANSYS软件的功能:
●结构高度非线性分析；●电磁分析；●计算流体动力学分析；
●设计优化；●接触分析；●自适应网格划分；●大应变/有限转动功能；
●利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能
ANSYS的特点：
功能强大，界面友善，多场耦合，应用领域广泛
●唯一能实现多场及多场耦合分析的功能软件
●唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化FEA软件
●唯一具有多物理场优化功能的软件●强大的非线性功能
●多种求解器分别适用于不同问题的硬件配置●多种网格划分技术
●可与大多数的CAD软件集成并有接口●良好的用户开发环境
至今为止，ANSYS软件成为国际知名的大型通用有限元软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
该软件可在PC机及工作站上运行。
●波音747客机
●在Kid’sToy公司的儿童滑梯上●在Motorola公司的手机上
●在壳牌润滑油油桶上●三大汽车公司的各类汽车上
●在Wilson公司的高尔夫球杆上
是第一个通过中国压力容器标准化委员会认证并在全国压力容器行业推广的软件。
全国100多所理工科院校采用ANSYS进行有限元分析。
点评：
对材料专业的学生而言，掌握一种以上的计算机辅助设计软件，能大大的提高自己就业竞争力。
5.ANSYS有限元软件在材料工程中的应用实例
案例1显示器玻壳强度分析
在实际生产中经常发现玻壳在抽真空时有裂纹出现，通过采用ANSYS软件进行强度分析后发现：
应力最大值位置正是裂纹出现的位置，最大值位置的应力计算结果与试验结果非常吻合。
案例2汽车发动机分析
发动机机体在工作的时候同时承受着高温热载荷以及机械载荷，本质上是多物理场耦合体，ANSYS多物理场分析功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。
案例3直升飞机的螺旋桨转动部件的装配分析
直升飞机的螺旋桨转动部件模型共358个零件，769个装配联结关系。
采用AWB的自动探测接触功能，可以轻松地实现零件之间的接触以及装配联结关系。
案例4国家体育馆鸟巢
结构的主要荷载包括：
恒荷载、活荷载，雪荷载、风荷载、温度作用。
其中恒荷载含结构自重、吊顶、水槽和马道设备等等，活荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）不上人屋盖确定，雪荷载由《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）取设计基准期100年雪压，风荷载采用风洞报告数据，温度作用根据北京市近30年的气候统计资料确定。
建筑物安全等级为一级，重要性系数取1.1，分项系数、组合系数按《建筑结构荷载规范》（GB5009-2001）及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）选取，。
抗震分析：
结构的设防烈度为8度，设计地震分组为第一组。
工程场地为III类。
地震分析采用振型分解反应谱法，地震作用效应采用CQC法。
整体模型取振型120个，表1为前30振型的频率与周期。
图2为其主振型图。
国家体育场“鸟巢”结构造型特殊、屋盖结构跨度巨大，钢结构自重在构件内力中所占比重很大。
由于钢结构直接暴露于室外，温度变化将在结构中引起很大的内力和变形。
对于这种特殊的结构体系来说，保证结构在罕遇地震作用时的安全性至关重要。
因此，减少用钢量不但对节约投资、控制造价有直接的益处，同时对于减小地震与温度作用、增强结构的安全性也具有十分重大的意义。
在国家体育场设计过程中，为了减轻结构的自重，对于受力较小的次结构构件，有两种设计方案，一种是采用格构式构件加外覆装饰性薄钢板的做法。
另外一种是考虑在箱型截面构件内部采用设置横向和纵向加劲肋的办法。
因此设计人员专门研究了加肋构件和非加肋构件的承载力。
由于国家体育场的体型十分复杂，模型中很多部位出现大量杆件汇交的情况，这时必须对节点进行有限元分析才能判断节点构造的有效性。
为此设计人员专门制定了节点有限元设计的技术条件。
节点分析的一般流程为：
ANSYS/sap2000整体运算得到构件内力→建立节点实体并加载→求解并观察后处理，看结果是否满意
点评：
通过ANSYS软件平台的使用，项目组面对繁琐的结构设计时，不再显得束手无策。
有助于项目组快速地把握核心和关键目标，梳理出完整的关键设计要素，大大提高了项目组的工作效率和质量，大大减少了无谓的返工设计和浪费，确保项目的实现。
从源头上保障质量及可靠性，节约大量的研发成本。
四、内容总结
今天我们主要简要的介绍了计算机辅助设计应用，并介绍了有限元分析法和ANSYS软件的基本特点，对这门课程的内容有了初步的认识。
随后，我们将通过理论讲授课和上机实践课交插进行的方式来完成课程教学。
除了教材以外，有时间和兴趣的同学还可以逛逛下面几个网站。
1、安世亚太这个是官方网站当然要去。
2、仿真论坛
仿真论坛，国内最早的CAE论坛之一，会员和帖子数都比较多，高手也不错，讨论气氛不错。
3、中国CAE联盟
这个网站是后起之秀，分类比较全面系统，资料比较多，讨论气氛还算可以，值得一提的是搜索功能比较强大，很方便，搜索地址
4、傲雪论坛http:
//www.aoxue.org
国内最早的CAE论坛之一，遗憾的是最近不能注册了。
5、仿真在线http:
//www.simu-还可以，可以去看看。
/////
6、中国机械CAD论坛7、开思网8、http:
//www.e-9、振动联盟
10、可以看看,资料还不错的。
下面介绍下课程安排和考核方式，上课时间和地点（见幻灯片）
考核通过很easy，但是考勤很tough。
下堂课开始，我们将进入第二章的学习，及了解和掌握ANSYS软件的用户界面，基本操作命令，工作环境，以及初步的建模过程。
这是我们本门课程的基础，希望大家在上课前简单的预习一下。
好了，今天的课就上到这里，谢谢大家，再见!
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