CAE技术及其航天领域应用课件.ppt

CAE技术及其航天领域的应用,傅德彬,诸论-初识CAE,两个问题：计算机在现代技术发展中发挥着怎样的作用？计算机如何帮助解决科学研究和工程设计中的问题？,信息存储 信息传递（数值）计算,诸论-初识CAE,三个情况现代计算机的诞生是为了解决核爆炸中的计算问题（以计算机为工具的）数值计算已成为理论分析、实验分析之外的新的研究手段高速计算机依然为解决科学计算中的复杂问题而不断推陈出新,在过去、现在和将来，计算与仿真都是计算机主要的功能和发展的动力,诸论-初识CAE,CAE(Computer Aided Engineering)计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。在这里所介绍的CAE还包括CFD(Computational Fluid Dynamic)、计算多体动力学(Computational Dynamic of Multi-body System)等其它利用计算机辅助求解的数值计算方法。,诸论-初识CAE,齿轮接触应力分析,V式6缸发动机爆发压力分析,整车碰撞模拟,诸论-初识CAE,飞行过程表面压力分布,垂直起降飞行器流场分析,隐身特性分析,诸论-初识CAE,大型建筑结构强度校核,鱼游动特性分析,芯片散热特性,诸论-初识CAE,结构碰撞（瞬态动力学）,诸论-初识CAE,多体动力学,发射过程,诸论-初识CAE,流动分析,诸论-课程概况,课程目标掌握CAE的基本概念和一般应用重点掌握有限元分析基本概念，学会应用ANSY工具软件进行结构分析掌握虚拟样机技术(多体动力学)基本概念，学会应用Adams工具软件进行多体动力学分析掌握CFD基本概念，学会应用Fluent进行简单流场分析,诸论-课程概况,课程内容CAE概况与分析思路Ansys入门与提高（上机培训与练习）有限元分析基础Adams入门（上机培训与练习）虚拟样机技术基础Fluent入门（上机培训与练习）CFD基础CAE在航天领域的应用(上机培训与练习),诸论-课程概况,课程要求积极实践（上机操作，课后练习）加强基础（了解数值计算基础和专业理论）提高理论（利用数值方法对理论中涉及的问题进行验证分析）考核方式平时成绩（30%）上机操作（40%）理论考核（30%）,一.CAE概况,CAE是在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析性能仿真的内容涉及产品（或系统）的力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制等可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验广泛应用于各工业领域,什么是CAE（计算机辅助工程）,一.CAE概况,波音777的研发过程中采用CAE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，每次物理样机实验需花费1亿美元CAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的56年缩减到现在的12年美国NASA的喷气推进实验室（JPL）应用CAE技术成功地实现了火星探测器“勇气号”、“机遇号”在火星上的软着陆仿真分析。仿真结果预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，使探测器在着陆时可能出现翻滚，从而改进了技术方案，保证了登陆成功,为什么用CAE,一.CAE概况,产品研发的一般过程,一.CAE概况,CAE解决问题的一般过程,一.CAE概况,CAE相关课程,材料力学，弹性力学流体力学，热力学等理论力学，机械原理，机械振动计算机三维造型（CAD技术）有限元分析(有限元理论及软件的使用)虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论）计算流体力学(CFD),一.CAE概况,CAE应用现状,现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLMCAD已普及（大多数工程师必须掌握）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）,一.CAE概况,CAE的未来,CAD/CAE/CAM/PLM 的软件被广泛应用（“CAE计算器”）每个工程师都具备CAE的知识和能力大规模、多尺度、多场耦合分析，虚拟工程CAE全球化（如中国、印度的工程师承接美国的CAE项目）在线分析：新一代高速因特网实现软件共享，协同分析打好基础，做好准备，适应未来发展的需要,二.CAE方法体系及软件,有限元法,CAE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ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA,二.CAE方法体系及软件,有限差分法,最早的数值分析方法，使用结构化网格，不需要域积分，建模、计算简单。适于分析几何形状简单的问题，尤其是流动性问题。商业软件很少。,二.CAE方法体系及软件,有限体积法,一种特殊形式的有限元法（欧拉结构化网格）。多用于分析流体动力学问题。被大多数商业流体分析软件采用，如FLUENT,CFX,二.CAE方法体系及软件,边界元法,仅在分析域的边界上划分网格，适于分析无界、连续介质问题，如声学问题和波的传播问题。商业软件很少。,二.CAE方法体系及软件,无网格法,一种最新的数值分析方法。多用于分析受网格划分的限制，采用有限元法而不易解决的问题。如大变形、裂纹扩展、爆炸等，商业软件很少。,二.CAE方法体系及软件,基于多体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。所建立的复杂机械系统包括机-液-控的耦合。商业分析软件包括ADAMS,SIMPACK,DADS,三.理论基础,结构分析基础概念结构在（静定或超静定）载荷作用下的内力分布；结构抵御变形和破坏的能力。问题描述结构+载荷+约束应力（应变）。强度校核准则第一强度理论（拉应力脆性材料）第二强度理论（最大伸长线应变脆性材料受压）第三强度理论（最大切应力压力容器）第四强度理论（应变能常用）,三.理论基础,弹性力学基本方程,三.理论基础,有限元法示意(1),三.理论基础,有限元法示意(2),三.理论基础,多体动力学基础研究对象研究由刚体及柔性体所组成的系统经历大范围空间运动时的动力学行为。几个基本概念物体:多体系统中的构件铰(约束副)：限制相对运动（运动学约束和驱动约束）外力：系统外物体对系统中物体的作用力元：系统中物体间相互作用坐标：（注意力学中惯性坐标系与非惯性坐标系的应用）,三.理论基础,多体动力学基本方程矢量力学方法利用牛顿定律、虚功原理、达朗贝尔原理等建立矢量力学方程并求解分析力学方法选择广义坐标系，建立拉格朗日方程并求解,动力学普遍方程,一般拉格朗日方程,三.理论基础,拉格朗日方法利用铰邻接的一对物体为单元建立拉格朗日方程笛卡尔方法。利用各物体为单元建立动力学普遍方程，并给出约束限制,多体动力学计算方法,三.理论基础,流场基本方程,三.理论基础,有限体积法示意,