数字化设计剖析.pptx

数字化仿真技术 （有限元分析法） ——张亚男 仿真（Simulation) 技术概述 概念： 对系统模型的试验，研究已存在的或设计中的系统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统的状态、动态行为及其性能特征，用于分析系统培配置是否合理、性能十分满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。 仿真（Simulation) 技术概述 分类： 仿真模型的不同：物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真。 物理仿真对实际存在的模型进行试验，研究系统的性能 数学仿真用数学模型代替实际系统进行试验研究 物理-数学仿真。 仿真（Simulation) 技术概述 分类： 系统状态变化：连续系统和离散系统 连续系统指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压-气动、铣削加工等。 离散事件系统指只在离散的时间点上发生“事件”时，系统状态才发生变化的系统。 应用性质不同：系统研制和系统应用。 系统研制：用于系统分析、设计、制造、装配、检测及优化 系统应用：用于系统操作及管理人员培训 仿真（Simulation) 技术概述 仿真技术在制造系统中各阶段的应用： 概念化设计阶段：对设计方案进行技术、经济分析和可行性研究 设计建模：建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意 设计分析：分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标 设计优化：调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化 制造：刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题 样机试验：系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标 系统运行：调整系统结构及参数，实现性能的持续改进和优化 仿真（Simulation) 技术概述 数字化仿真的优势 提高产品质量：再现全生产周期的各种复杂工作环境。 缩短产品开发周期：各环节的仿真、样机试验。 降低产品开发成本：虚拟样机试验。 完成复杂产品的操作和使用训练：再现系统实际工作过程，设计各种“故障”，“险情”。 数字化仿真的基本步骤 系统建模 系统建模 数学建模：根据仿真目标建立的数学模型（相似度和精度） 演绎法 归纳法 仿真建模：采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系统的数学模型转化为计算机能够接受的技术程序。 数字化仿真的基本步骤 数字化仿真的基本步骤 仿真试验 运行仿真程序、进行仿真研究的过程，即对建立的仿真模型进行数值试验和求解的过程 研究对象： 已有或设计中的系统 数学模型： 系统的几何及数学模型 仿真模型： 仿真算法及程序 数学建模 仿真试验 仿真建模 数字化仿真的基本步骤 仿真结果分析 采用图形化技术，通过图形、图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态，使得仿真数据更加直观、丰富和详尽，有利于对仿真结果的分析。 仿真技术中包括主观方法、抽象化、直观感受和设想，因此必须对仿真结果做全面的分析。 数字化仿真软件 现代仿真软件技术 开放式结构（便于数据交流） “事件驱动”的编程方法 模块化建模（提高效率） 数据处理技术 数字化仿真软件 软件分类 基于仿真语言：应用较广泛，但缺乏针对性，用户需要具备一定的专业知识、建模能力及编程技巧，仿真模型开发的工作量大。GPSS, SIMSCIPT,SIMAN 基于专用仿真环境：针对特定的应用领域，用户可以将精力集中在系统分析和建模上，有利于提高仿真效率和质量。CACI的Sifactory, Promodel solution的Promodel 数字化仿真软件 支持机械产品开发的数字化仿真软件 MATLAB 美国Math Works 控制系统仿真语言及系统 MSC.Nastran 美国MSC Software Corp. 结构、机械系统动力学仿真软件 ANSYS 美国ANSYS, INC 结构、热、电磁、流体、声学等仿真软件 COSMOS 美国solidworks Corp. 机械机构、流体及运动仿真软件 PAM-SAFE 法国ESI Group 汽车被动安全性仿真软件 有限元法 基本概念 有限元（Finite Element Method, FEM)是一种基于计算机的数值仿真技术。 基本思想： 将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的有效组合体，单元之间通过有限个结点相互连接； 根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续体的特性就是全部单元体特性的叠加； 根据单元之间的协调条件，建立方程组，联立求解就可以得到所求的参数特征。 有限元法 基本方法 位移法：以应力计算为例，位移法是以节点位移为基本未知量，选择适当的位移函数，进行单元的力学特性分析，在节点处建立单元的平衡方程，即单元刚度方程，有单元刚度方程组成整体刚度方程，求解节点位移，再