機械CAE分析原理及工程實踐

《機械CAE分析原理及工程實踐》內容涉及：大型機械結構和特殊結構的強度CAE分析技術；機械結構的局部穩(wěn)定性CAE分析技術和二次開發(fā)；基于CAE分析的機械結構優(yōu)化設計方法；網絡化CAE分析系統的構建及實現，并分析了目前CAE分析的研究趨勢。

《機械CAE分析原理及工程實踐》可供從事CAE分析技術的科研人員、工程實際中相關技術的應用人員以及高校機械工程專業(yè)師生參考。

機械CAE分析原理及工程實踐前言

第1章 CAE基本原理及模擬仿真

1.1 CAE技術基本概念

1.2 CAE發(fā)展歷史

1.3 CAE分析過程及模擬仿真步驟

1.3.1 有限元法的分析過程

1.3.2 基于虛擬樣機技術的仿真步驟

1.4 CAD/CAE/CAM集成化

1.5 部分CAE通用軟件介紹

第2章 機械結構強度分析中的CAE技術

2.1 機械結構強度CAE分析原理——有限元分析基礎理論與方法

2.1.1 有限元分析方法的基本概念

2.1.2 結構靜力的有限元分析過程

2.1.2.1 單元特性推導

2.1.2.2 總剛度矩陣的形成

2.1.2.3 載荷移置

2.1.2.4 約束處理

2.1.2.5 求解線形方程組

2.1.2.6 計算其他物理量

2.1.2.7 計算結果處理

2.1.2.8 結果顯示

2.2 機械結構強度有限元分析過程中的關鍵技術

2.2.1 實體模型的有效建立

2.2.1.1 分析對象的有效簡化

2.2.1.2 降維處理

2.2.1.3 對稱與反對稱性的利用

2.2.1.4 復雜結構中構件的連接

2.2.2 模型網格劃分

2.2.2.1 單元精度與單元選擇

2.2.2.2 網格劃分原則

2.2.3 位移邊界確定及力的邊界條件

2.2.3.1 位移邊界條件確定

2.2.3.2 力的邊界條件

2.2.4 求解策略

2.2.4.1 求解方法

2.2.4.2 多載荷步求解

2.2.5 計算精度的改善

2.3 大型工程機械結構的強度CAE分析示例

2.3.1 汽車起重機伸縮吊臂結構有限元分析

2.3.1.1 伸縮吊臂有限元建模過程

2.3.1.2 QY25K吊臂分析示例

2.3. 1.3 QAYI25吊臂分析示例

機械CAE分析原理及工程實踐小結

2 3 2 汽車起重機車架有限元分析

2.3.2.1 車架部分有限元建模過程

2.3.2.2 固定支腿與活動支腿有限元建模

2.3.2.3 QY35K車架分析示例

2.3.2.4 QAYI25車架分析示例

2.4 特殊結構CAE分析示例

2.4.1 錨具組件有限元分析

2.4.1.1 單孔錨具有限元分析模型

2，4.1.2 兩種錨板錐角的計算結果比較

2.4.1.3 夾片與錨板間摩擦因數對錨固性能的影響

2.4.2 質量流量計測量管有限元建模及分析

2.4.2.1 有限元模型建立

2.4.2.2 有限元法與解析法結果的比較

2.4.2.3 U形管科氏流量計的分析

2.4.2.4 科氏質量流量計的仿真分析

第3章 機械結構穩(wěn)定性的CAE分析

3.1 機械結構屈曲穩(wěn)定性分析原理

3.1.1 桿的穩(wěn)定性

3 1 2 板的穩(wěn)定性

3.2 結構屈曲穩(wěn)定性CAE分析過程

3.3 分析示例——汽車起重機伸縮吊臂結構局部穩(wěn)定性分析

3.3.1 伸縮吊臂結構局部穩(wěn)定性分析的有限元建模

3.3.2 分析不例

3.4 吊臂結構局部穩(wěn)定性的二次開發(fā)

3.4.1 二次開發(fā)方案

3.4.2 二次開發(fā)過程

3.4.3 實例運行

第4章 機械CAE分析中的優(yōu)化設計

4.1 優(yōu)化設計基本原理

4.1.1 優(yōu)化設計建模

4.1.2 優(yōu)化設計問題的基本求解方法

4.1.3 優(yōu)化設計的一般過程

4.1.4 機械優(yōu)化設計的分類

4.2 CAE分析中的優(yōu)化設計方法

4.2.1 提高優(yōu)化設計CAE分析效率的近似方法

4.2.2 CAE分析中的優(yōu)化技術特點

4.3 CAE優(yōu)化設計過程

4.3.l CAE優(yōu)化過程基本要素

4 3.2 CAE優(yōu)化設計步驟

4.4 示例——吊臂CAE參數優(yōu)化設計

第5章 CAE分析技術的網絡化

5.1 CAE分析網絡化的體系結構

5.1.1 基于應用服務提供商模式的CAE遠程分析服務體系結構

5.1.2 基于動態(tài)服務器網頁ASP技術及CAE軟件集成的Web-CAE體系結構

5.2 基于CAE分析網絡化系統實現

5.2.1 基于應用服務提供商模式的CAE遠程分析服務系統

5.2.2 基于動態(tài)服務器網頁ASP技術及CAE軟件集成的Web-CAE系統

5.3 CAE分析網絡化工程示例

5.3.1 錨具零件網絡化有限元分析

5.3.2 齒輪傳動網絡化有限元分析

第6章 CAE分析的研究趨勢

6.1 基于知識的CAE分析

6.2 協同CAE分析技術

6.3 CAD/CAE集成化建模

參考文獻

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下面就簡單舉例說明有限元在線公司CAE分析的具體內容。

CAE工程咨詢網格分析

有限元在線的專業(yè)技術工程師可以為客戶提供高質量的網格“設計”服務，可以熟練應用ANSA和其他常用的網格劃分工具來進行網格生成，在確保網格質量的前提下，實現快速及時的網格劃分，從而為您節(jié)省大量的時間和精力，使得您可以集中精力于實際工程問題的分析與求解。

在進行數值模擬計算（包括FEA、CFD等）中，網格的質量對分析計算的結果有至關重要的影響。高質量的網格是高精度分析結果的保證，而質量不好或者差的網格，則可能會導致計算的無法完成或者得到無意義的結果。

在一個完整的分析計算過程中，與網格設計與修改相關的前處理工作占到了CAE工程師工作量的70%-80%，CAE工程師往往要花費大量的時間來進行網格處理，真正用于分析計算的時間很少，所以主要的瓶頸在于如何快速準備好高質量的滿足分析計算要求的網格。

準備高質量的分析模型是一件很費時間和精力的事情，而且，要求完成該項工作的技術人員具有相當的技術經驗和背景，才能完成高質量的網格。具體地說，就是要求前處理工程師能夠根據CAE工程師提出的分析要求“設計”出能滿足CAE工程師分析要求的合適的網格，然后提交給CAE工程師進行分析計算。

之所以是網格“設計”而不是網格劃分，說明了要設計出能夠滿足分析計算要求的高質量的網格，并不是一件容易的事情，要完成這項工作需要很多方面的知識和技術要求。

針對一個具體的分析計算要求，要獲得一個滿足該分析技術的高質量的網格，一個承擔該項目網格設計的前處理工程師需要從以下幾個方面進行綜合考慮：

◇分析計算的目的。（定性還是定量）

◇分析計算的類型，如強度分析、剛度分析、耐久性分析、NVH分析、碰撞分析、CFD分析、 熱流分析、動力學響應分析等。（分析類型對網格的質量和形狀有不同的要求。）

◇分析計算的時間要求。（要求時間的緊迫與否也決定了采用何種網格形式）

◇分析據算所采用的求解器。（不同的求解器對不同的分析問題有特定的網格形式和要求）

◇盡可能采用最好的單元類型。（所應用的求解器可以采用的單元類型，也會決定網格的質量與形狀要求）

◇盡可能采用最好的網格類型。（最好的網格類型意味著對于面，盡可能采用四邊形網格；對于體，盡可能采用六面體單元）

由此可見，滿足計算分析要求的高質量的網格是由前處理工程師精心“設計”出來的，而不是隨隨便便“劃分”出來的。

第一類是復雜結構的中面網格，主要針對薄壁件。

尤其是汽車，航天航空，電子這個行業(yè)里大量存在，像手機、汽車上的儀表板、汽車的車身，這樣的結構件壁度單元很薄。很難用實體單元來描述，這樣的部件要用殼單元描述。用殼單元描述，首先要得到這個結構的幾何中面。一般來說像塑料件，薄壁件有一個共同的特點就是結構比較復雜，有很多的筋圓孔等等。難度在于如何得到這個復雜結構的中面網格，中面有圓角、加強筋、圓孔等等，抽完中面之后，怎樣把它們連接起來；得到幾何之后如何保證高質量的面網格。對于中面網格來說，最好的單元形式就是四邊形網格。

第二類網格就是復雜結構的六面體。

像結構體，譬如發(fā)動機的缸蓋、活塞、缸體、曲軸、轉向節(jié)、變速箱的殼體，這樣的結構最好的形式是用六面體，因為六面體精度比較高。六面體的生成完全依靠人工來完成，這就需要非常專業(yè)的工程師才能完成。

第三類比較復雜的網格，就是流體網格CFD網格。

流體網格幾何的外表面是封閉的，對于一個結構來說，比如整車，導彈的外流場，飛機等的外流場，有大量的曲面間隙需要去縫合修補，要生成面網格，還要考慮附面層，流體網格的特點是幾何清理極其復雜，工作量特別大，對附面層的質量要求非?？量獭８鶕氵x擇的不同的流體方程，附面層網格的質量有不同的要求。

CAE工程咨詢有限元（FEA）

有限元法是適應使用電子計算機而發(fā)展起來的數值方法。起源于上個世紀50年代航空工程中飛機結構的矩陣分析。世界力學名著“有限元法”的作者監(jiān)凱維奇教授對有限元法曾做過如下定義：

（a）把連續(xù)體分成有限個部分，其性態(tài)由有限個參數所規(guī)定。

（b）求解離散成有限元的集合體時，其有限單元應滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則，如力平衡規(guī)則等。

有限元方法所能解決實際工程問題：

靜態(tài)應力/位移分析

包括線性，材料和幾何非線性，以及結構斷裂分析等

動態(tài)分析

包括結構固有頻率的提取，瞬態(tài)響應分析，穩(wěn)態(tài)響應分析，以及隨機響應分析等

粘彈性/粘塑性響應分析

粘彈性/粘塑性材料結構的響應分析

熱傳導分析

傳導，輻射和對流的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析

質量擴散分析

靜水壓力造成的質量擴散和滲流分析等

耦合分析

熱/力耦合，熱/電耦合，壓/電耦合，流/力耦合，聲/力耦合等

非線性動態(tài)應力/位移分析

可以模擬各種隨時間變化的大位移、接觸分析等

瞬態(tài)溫度/位移耦合分析

解決力學和熱響應及其耦合問題

準靜態(tài)分析

應用顯式積分方法求解靜態(tài)和沖壓等準靜態(tài)問題

退火成型過程分析

可以對材料退火熱處理過程進行模擬

海洋工程結構分析

對海洋工程的特殊載荷如流載荷、浮力、慣性力等進行模擬

對海洋工程的特殊結構如錨鏈、管道、電纜等進行模擬

對海洋工程的特殊的連接，如土壤/管柱連接、錨鏈/海床摩擦、管道/管道相對滑動等進行模擬

水下沖擊分析

對沖擊載荷作用下的水下結構進行分析

疲勞分析

根據結構和材料的受載情況統計進行生存力分析和疲勞壽命預估

設計靈敏度分析

對結構參數進行靈敏度分析并據此進行結構的優(yōu)化設計

有限元在線最強的優(yōu)勢在非線性分析。所有的工程問題都是非線性的，在實際中并不存在完全線性的。有時候人們?yōu)榱饲蠼鈫栴}的方便性，考慮自身的條件和限制，可以用線性來代替，但是如果材料本身是非線性的話，那么就沒有辦法用線性來代替。我們在非線性分析方面有超過十年的經驗，完成了大量的項目。尤其對材料非線性，幾何非線性和接觸非線性，具有非常豐富的經驗。像汽車的碰撞，鐵路里面的碰撞，電視機手機的跌落，都是高度的非線性問題。

應用有限元技術可以幫助：

1. 產品設計與開發(fā)：縮短產品開發(fā)周期；

降低開發(fā)成本；

提高產品質量；

1. 對現有結構進行評估：分析產品破壞原因；

評估產品在設計中無法考慮因素作用下的安全性能

1. 進行產品的失效分析：發(fā)展與建立材料模型等

CAE工程咨詢流體分析

有限元在線提供的流體分析服務包括：

■ 整車空氣動力學特性分析　 －外形設計優(yōu)化（經濟性/操縱穩(wěn)定性等）

■ 車燈除霧，除冰除霜分析

■ 空調系統及內流場特性分析 －流量分配/除霜/舒適性分析/風機

■ 發(fā)動機進排氣系統分析

■ 空氣噪聲分析

■ 發(fā)動機缸內燃燒分析

■ 發(fā)動機機艙散熱分析　 －熱管理/風扇

■ 制動散熱分析

CAE工程咨詢優(yōu)化分析

應用CAE分析技術，可以幫助設計工程師在設計階段快速的進行設計驗證，找到設計缺陷和不足，然而當在CAE分析以后找到產品設計缺陷和不足時，如何對產品的結構進行改進和優(yōu)化，以期使得產品能夠在滿足給定設計要求的前提下具有最佳的性能（最輕、最強、最安全等），則是每一個設計工程師和CAE工程師希望達到的目標。

CAE工程咨詢電機電磁分析

有限元在線能提供優(yōu)質快速的電機設計與電磁分析服務，內容包括：

（1）電機設計

◇同步發(fā)電機設計與優(yōu)化

◇無刷直流電機設計與優(yōu)化

◇傳統有刷整流電機設計與優(yōu)化

◇感應電機設計與優(yōu)化

（2）電機電磁分析

◇電機結構分析

◇電機基本性能分析

◇電機電場分析

◇電機冷卻分析

◇磁屏蔽分析

◇永磁電機的交直軸電感計算

（3）電機溫度場和流體場計算

◇電機內溫度場計算

◇大型電機的水冷卻分析、空氣冷卻分析、油冷卻分析

◇電機風扇冷卻分析

◇噪聲分析

電磁場分析：

穩(wěn)態(tài)磁場分析: 激勵不隨時間變化,如永磁體的磁場、穩(wěn)恒電流產生的磁場等

諧性磁場分析: 激勵按正余弦規(guī)律變化,如感應式電機

瞬態(tài)磁場分析: 激勵隨時間無規(guī)律變化

溫度場分析：

通過溫度場計算,得到電機整機或部件的溫度分布、熱量的獲取和損失、熱梯度、熱流密度等。

穩(wěn)態(tài)溫度場分析:熱源不隨時間變化

瞬態(tài)溫度場分析:熱源隨時間變化

結構分析：部件剛強度計算，接觸應力計算，固有頻率計算，動態(tài)響應計算，臨界轉速計算等

CAE（計算機輔助工程）是一種迅速發(fā)展的計算技術，是實現重大工程和工業(yè)產品設計分析、模擬仿真與優(yōu)化的核心技術，是支持工程師、科學家進行理論研究、產品創(chuàng)新設計最重要的工具和手段。經過幾十年的發(fā)展，CAE已在航空、航天、核工業(yè)、兵器、造船、汽車、機械、電子、土木工程、材料等領域獲得了成功的應用，正在逐步成為制造企業(yè)深化應用的關鍵技術。目前，全球制造業(yè)的高速發(fā)展加快了企業(yè)對CAE仿真技術的探索和依賴，越來越多的企業(yè)將CAE仿真技術平臺作為創(chuàng)新平臺規(guī)劃的重要部分。

中國CAE年會創(chuàng)辦于2005年，是我國CAE領域一年一屆規(guī)模最大、層次最高、影響深遠的專業(yè)技術會議，被媒體譽為模擬仿真技術領域的“奧斯卡”盛會。會議的研討及展覽內容涵蓋仿真、分析、高性能計算、數據模擬與仿真、流體計算等多個領域。年會舉辦七年來已有來自航空、航天、汽車、機械、船舶、兵器、電子、土木工程、教育等行業(yè)累計超過3100多位專業(yè)人士進行深入研討和交流。已經成為我國模擬仿真技術領域重要的交流平臺。2100433B

內容簡介

《工程實踐(機械及近機械類)》是2001年湖北省教育廳“工程材料及機械制造工藝基礎教學體系與教學內容”改革項目的成果之一。根據課題組提出的“加強基礎，重視實踐，培養(yǎng)創(chuàng)新能力”的要求和新的課程體系的要求，將原“金工實習”課程改為“工程實踐”課程，并對教學內容進行了較大的改革，從培養(yǎng)學生工程意識、基本工藝技能和綜合實踐能力的高度，組織新的課程體系和教學內容。

《工程實踐(機械及近機械類)》主要論述基本制造工程方法、工藝過程及現代工程技術和方法。將工程技術的學習分為工程背景及工業(yè)生產過程認知、基本工藝技能訓練、綜合工藝制造訓練及現代制造技術訓練、工程工藝中的設計和實驗研究入門等部分。除基本工藝方法的內容外，《工程實踐(機械及近機械類)》突出了綜合制造工藝訓練和計算機輔助設計及制造訓練的教學內容。為實現英漢雙語教學，書中的重要術語標有英語注釋。同時，在每一篇給出內容提要，每一章前給出內容重點和學習方法指導。書中配備了相應的項目及選擇圖表，供學生在任課教師和實踐指導人員的指導下，自主選擇制造方法、工藝參數和制造結果及分析，并作為評定學生實踐能力的重要依據之一?！豆こ虒嵺`(機械及近機械類)》是“工程材料”和“材料成形及機械制造工藝基礎”課程的先修課，是培養(yǎng)具有分析和解決工程實際問題能力、綜合制造工藝能力和現代制造技術人才的入門教材，可供高等工科院校機械及近機械類專業(yè)“工程實踐”，包括“金工實習”、“認識實習”、“生產實習”和“畢業(yè)實習與設計”等實踐性教學環(huán)節(jié)之用。

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