机械CAD-与CAM技术第五讲--算机辅助工程设计分析 .ppt

第五讲　计算机辅助工程 机械产品日益向着高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，产品结构日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高。 为了提高设计的正确性和效率，必须发展计算机辅助工程设计分析技术，在产品正式制造之前，即给予充分的分析，减少出错的可能。 计算机辅助工程内容十分丰富，主要包括以下内容：有限元分析，机械运动学和动力学分析，计算机数字仿真等内容。 第一节 有限元分析 对复杂的机械结构分析建模，有限元法是一种应用最广的理论建模方法，是采用高速计算机求解数学物理问题的近似数值解法。它的优点是精度高、适应性强、计算格式规范统一。因此，应用极广，是现代机械产品设计的一种重要工具。市场上的有限元程序很多，像ANSYS、NASTRAN、COSMOS、IDEAS等，为机械设计创造了良好的条件。 一、有限元法建立结构动力学模型和分析的基本原理和方法 有限元法的基本思想是首先假想将连续的结构分割成数目有限的小块体，称为有限单元。各单元之间仅在有限个指定结合点处相联接，用组成单元的集合体近似代替原来的结构。在结点上引入等效结点力以代替实际作用单元上的动载荷。对每个单元，选择一个简单的函数来近以地表达单元位移分量的分布规律，并按弹性力学中的变分原理建立单元结点力与结点位移的关系（刚度矩阵），最后把所有单元的这种关系集合起来，就可以得到以结点位移为基本未知量的动力学方程，给定初始条件和边界条件，就可求解动力学方程，并导出系统的动态特性。 基本原理· 1、结构离散化：将连续结构离散化为杆状单元、三角形平面单元、矩形平面单元、四面体单元、长方体单元等。 2、建立单元动力学方程：主要是基于弹性力学变分原理的各种方法，如虚位移原理、瞬最小势能原理、哈密尔顿变分原理等。 结构离散化举例. 结构离散化举例.. 基本原理·· 3、进行单元特性分析： ①单元位移模式分析：建立以单元结点位移表示单元内任意点位移的关系式； ②单元内应力与结点位移的关系； ③单元内应变与结点位移的关系； ④建立单元的刚度矩阵和质量矩阵； ⑤单元的等效力结点载荷矢量。 基本原理··· 4 、建立整体结构的动力学方程： 根据所有单元在公共结点上的位移相等的原理，对单元的动力学方程进行组集，便可得到整个结构的动力学方程。 二、实际有限元建模和分析的基本方法 实际应用当中，随着有限元技术的不断提高，有限元程序前后处理功能的不断加强，操作者只需要给出结构（或零件）的计算机模型，（三维实体模型），计算机就可自动（亦可人机交互式）划分有限单元。在指定初始条件和约束条件后，系统就可以自动进行分析计算，并输出多种形式的计算结果。 主要是要合理确定初始条件和约束条件。 三、建立有限元模型的策略 目前，流行的微机版本的大型有限元分析软件，功能强大、人机交互性好、前后处理完善、使用方便，使有限元分析的应用日益普及，几万个节点、几万个单元的工程结构有限分析问题已不是什么难事。现在的发展趋势是CAD与有限元分析的集成，有人更提出了有限元自动化的设想，即所谓的”傻爪有限元”的设想，但是如何将实际结构简化为合适的有限元计算模型，仍是一个很棘手的问题。 “有限元建模像一门艺术” 如何对实际结构进行简化，建立计算力学模型，目前没有普遍适用的规律及有效的方法。有限元建模像一门艺术，是对工程理论和判断的巧妙运用。 有丰富实践经验的科技人员，可以凭他们的经验对实际结构进行恰当的简化，作出较合理的计算模型，以下只对有限元建模中具有共性的问题作原则性的论述。 1、有限元建模时一般考虑的几点问题 ①结构对称性的利用； ②删除细节； ③减维； ④有限元网格划分； ⑤边界条件的处理； ⑥建立节点载荷。 ①结构对称性的利用 对于具体对称性的结构，可利用对称性来减少计算的规模，即仅对半边零件进行有限元网格的划分，当然其受力状态和边界条件亦要作相应的改变。 结构对称性的利用举例. 结构对称性的利用举例.. 结构对称性的利用举例… ②删除细节 忽略对问题求解的影响很小的细节： 在建立力学模型时常常将构件或零件上一些细节加以忽略而删去，例如构件的小孔、浅槽、微小的凸台、轴端的倒角、轴的退刀槽、键槽、过渡圆弧等，如图所示。 “删除细节”的进一步说明 “细节”不一定都可删除，尺寸细小是一个必要的条件而不是充分条件，例如有一个小孔横向贯穿于轴，这个小孔对轴的刚度也许没有多大影响，但是对于疲劳强度和应力集中却不一定能予以忽略，所以，细节可否删除，要多方面考虑，诸如分析的目标、载荷与约束情况、细节在结