CAE(计算机辅助工程)技术及其应用.pptVIP

*CAE（计算机辅助工程）技术及其应用河北理工大学机械工程学院孟宪举教授博士后从广义上说，计算机辅助工程包括很多，从字面上讲，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面。一、什么是计算机辅助工程（1）CAD（ComputerAidedDesign）：计算机辅助设计。（2）CAE（ComputerAidedEngineering）：计算机辅助工程。（3）CAM（ComputerAidedManufacturing）计算机辅助制造。1、计算机辅助工具2、CAE（ComputerAidedEngineering）传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。三环减速器输入轴与内齿板的应力分析第二阶振型第一阶振型三环减速器振动特性分析第一阶固有频率第二阶固有频率输入输出扭矩的有限元分析与试验误差为1.437%长期以来，机械设备的分析与计算一直沿用理论力学、材料力学和弹性力学所提供的公式来进行。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求二、CAE出现的背景为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。杆：受轴力作用，发生单向拉伸或压缩变形。轴：受扭矩作用，发生扭转变形。梁：受法向力作用，发生弯曲变形。压杆失稳：杆受轴向力，发生失稳变形。组合构件：以上三种基本变形的组合。材料力学的研究对象：杆状构件（长度远大于宽度和厚度的构件）。（1）材料力学拉伸或压缩扭转变形弯曲变形压杆稳定材料力学不能解决的工程实际问题举例1940年，美国华盛顿州塔库马大桥（世界第三）倒塌情况材料力学的研究范围弹性范围内的小变形。各向同性、均质、连续材料。低碳钢材料性能拉伸实验材料力学对构件截面变形引用了一些假设。这样虽然大大简化了数学推演，但结果是近似的，而不是精确的。例如：随着构件的几何形状由梁向体转化，用弯曲公式：计算的误差会越来越大。弹性力学的研究对象：杆状构件、板、壳、实体（两个尺寸远大于第三个尺寸，或三个尺寸相当的构件）弹性力学研究的范围：与材料力学研究的范围相同。（2）弹性力学弹性力学的优点：弹性力学研究的对象是构件中的点，分析方法更严密，结果更精确，应用范围更广泛。弹性力学的缺点：由于研究对象的变形状态较复杂，处理的方法较严谨，因而解算问题时，往往需要冗长的数学运算。能够解决的工程实际问题极其有限。材料力学和弹性力学研究的对象都是弹性范围内的小变形，对于大变形、塑性问题等工程实际中经常遇到的问题，皆无能为力。理论上的缺陷为工程实际的计算和产品的优化设计造成了很大的困难。（3）计算机辅助工程（CAE）CAE技术是有限单元法（包括有限条、有限体积、有限差分等）与计算机结合的产物。有限单元法的基本思想是将结构离散化，用有限个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，然后根据变形协调条件综合求解。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。在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。钢板的VonMises应力钢板的弹性变形有限单元法解的特点有限单元法作为一种数值解法，有完整、严密的理论根据，其解具有以下的特点：1、当单元尺寸趋向无穷小时，位移、应力近似解单调趋向精确解。2、应力近似解在精确解上下振荡。在单元内，某些点上的近似解等于精确解。。三、CAE技术在工程中的应用举例早在70年代初期就有人给出结论：有限元法在产品设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。CAE从60年代初在工程上开始应用到今天，已经历了30多年的发展历史，其理论和算法都经历了从发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具。CAE的应用领域由最初的固体力学发展到热传导、流体动力学、电场分析、磁场分析以及多场耦合等领域。在力学领域的应用已由最初的强度、刚度问题发展到屈曲稳定性、动力响应、接触问题、弹塑性、大变形等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等。屈曲分析热场分析模态分析静力分析流体速度场与压力场分析流体二次流速度场分析*