【教学课件】第5章计算机辅助工程分析.ppt

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1、第五章 计算机辅助工程分析,工程分析的主要内容及分析计算方法有限元分析计算优化设计计算机仿真,5.1工程分析的主要内容及分析计算方法,工程分析在实际工程问题中，存在多个参数和因素间的相互影响和相互作用，依据科学理论，建立反映这些参数和因素间的相互影响和相互作用的关系式并进行求解。计算机辅助分析利用计算机技术提供的辅助分析计算的支撑环境和工具进行工程分析。过程：首先 按求解内容的物理规律确定计算关系，建立计算模型；其次 确定求解策略和方法，并用软件实现,CADCAM中CAE工作：,(1)力学性能分析(2)运动分析(3)温度场、电磁场、流体场分析求解(4)最优设计参数和加工规则(5)计算刀具加工位

2、置，生成数控加工代码(6)对已形成的设计方案和加工方案进行仿真分析,CAE工作特点,以产品三维实体模型为基础，并能和CAD/CAM其它子系统方便地进行数据交换和连接，协同工作。Pro/Engineer、I-DEAS、UGII等均已集成工程分析软件,5.2 有限元分析计算,有限元分析基本原理用于：求解连续介质和场的力学及数学物理方程问题。基本思想：连续弹性体有限个单元根据一定精度要求，用有限个参数来描述各单元体的力学特性而整个连续体的力学特性就是构成它的全部单元体的力学特性的总和。,有限元方法分类,有限元方法：位移法以应力分析计算为例，以节点位移为未知量，选择适当的位移函数，进行单元的力学特征分

3、析。在节点处建立平衡方程（单元的刚度方程），合并组成整体刚度方程，求解出节点位移。再由节点位移求解应力。力法以节点力为基本未知量，在节点上建立位移连续方程解出节点力后，再计算节点位移和应力特别提示：对大型复杂结构，在保证计算精度前提下，尽可能进行简化。,平面问题的有限元分析,平面问题的有限元分析平面问题离散化单元分析整体分析有限元分析软件有限元软件组成有限元前处理有限元分析有限元后处理,有限元分析数据前处理,有限元前处理在进行有限元分析前，需要输入大量的数据，包括各个节点和单元编号、坐标、载荷、材料和边界条件数据等。基本内容：网格自动划分生成有限元属性数据数据自动检查,有限元分析数据后处理,有

4、限元后处理对有限元分析后产生的大量结果数据，需要筛选出或进一步转换为设计人员所需要的数据，如危险截面应力值、应力集中区域等。还可利用计算机的图形功能，形象有效地表示有限元分析的结果数据，使设计人员可以直观、迅速地了解有限元分析计算结果。,有限元分析数据后处理包括,有限元分析数据后处理包括对结果数据的加工处理结果数据的编辑输出有限元数据的图形表示,有限元分析软件与CAD系统其它软件的连接和集成,有限元分析软件与CAD系统其它软件的连接和集成集成化商品软件集成不同公司的软件连接内容产品模型与有限元的连接有限元与优化设计连接数据接口（IGES、STEP）外部数据文件作为接口中央数据库接口程序模块,5

5、.3 优化设计,包括内容：建立优化设计数学模型采用适当的最优化方法，求解数学模型优化设计数学模型设计变量约束条件目标函数建立优化设计数学模型,例优化设计数学模型的建立,求解优化问题的基本思路和策略,求解优化问题的基本思路和策略解析法利用数学解析方法（如微分、变分等方法）来求解。数值迭代法利用函数在某一局部区域的某些性质和函数值，采用某种算法逐步逼近到函数极值点的方法。搜索、迭代、逼近迭代方法核心搜索方向、计算最佳步长,迭代终止准则,迭代终止准则相邻两迭代点的间距充分小时相邻迭代点的目标函数值的下降量或相对下降量已达充分小时目标函数在迭代点的梯度已达充分小时机械设计中常用优化方法黄金分割法（0.

6、618法）插值法坐标轮换法梯度法共轭方向法复合形法罚函数法,5.4 计算机仿真,计算机仿真基本概念仿真 采用模拟真实系统的模型，通过对模型的分析和试验去研究真实系统的工作行为。物理仿真 采用实际系统在物理上相似的实物模型分析。数字仿真（计算机仿真）是在计算机内建立实际系统的计算模型，通过运行仿真软件代替实际系统运行工作，以便观察和考核试验。,计算机仿真的一般过程,CADCAM中常采用仿真技术对设计产品的工作性能和加工过程考核和评估，仿真系统由设计产品模型及工作和加工环境组成。仿真计算模型连续系统模型离散系统模型计算机仿真的一般过程计算机仿真工作分以下几个阶段：(1)建立数学模型(2)模型变换(3)编制仿真程序(4)进行仿真试验(5)仿真结果整理分析,仿真在CADCAM系统中作用,仿真在CADCAM系统中作用CADCAM系统中，仿真分析数据取自CADCAM产品模型和系统数据库，仿真结果作为性能质量的评价，反馈回设计和规划模块，对设计和规划进行动态修改。应用方面：(1)产品形态仿真(2)零件部件装配关系仿真以及工作环境窨的配置仿真(3)运动学仿真(4)动力学仿真(5)工作物理场仿真(6)加工过程仿真(7)零件工艺过程的几何仿真(8)生产过程仿真,平面问题离散化,单元分析,三角形单元的虚位移,整体分析实例,