机床结构动态优化创新设计CAE关键技术研究

机床制造业是国民经济的命脉，但落后现状使国产高速精密机床面临进口机床挤出效应的严峻形势。原因之一是新机床设计开发理念落后，许多能有效提高机床性能的动力学、热力学、声学和信息等先进理论和技术未能在设计中研究应用。加入WTO后，低档次机床不仅无法参与竞争，而且拖了国家工业化和国防现代化的后腿。.针对国际上机床设计技术发展趋势，本项目结合典型机床研究高速精密机床结构动态优化设计关键理论与技术，包括：机床三维CAD造型和参数化全相关设计，CAE动力学、热力学和声学建模、模型修整和结构动态优化设计、高速回转系统结构与优化、界面特性描述、基于BP神经网络的结构优化、基于Web的机床设计信息集成与快速开发平台。.项目创新点为系统、全面地研究应用动力学、热力学、声学和信息等新技术新理论，提升高速精密机床的设计水平和产品性能，通过基于Web的机床设计信息集成，形成快速开发平台，为机床现代化提供技术支持.

CAXA CAE 有嵌入到CAXA实体设计2015中的CAXA CAE 2015，以及嵌入到CAXA实体设计2016中的CAXA CAE 2016。以上两个版本均提供免费版和付费版。用户可在CAXA官网自行下载CAXA CAE。下载后直接使用、未购买license的CAXA CAE license即为自动成为免费版。免费版拥有全部功能，但使用一个月后会有节点限制。

用户在使用CAXA CAE前需安装CAXA 3D 实体设计。2100433B

下面就简单举例说明有限元在线公司CAE分析的具体内容。

CAE工程咨询网格分析

有限元在线的专业技术工程师可以为客户提供高质量的网格“设计”服务，可以熟练应用ANSA和其他常用的网格划分工具来进行网格生成，在确保网格质量的前提下，实现快速及时的网格划分，从而为您节省大量的时间和精力，使得您可以集中精力于实际工程问题的分析与求解。

在进行数值模拟计算（包括FEA、CFD等）中，网格的质量对分析计算的结果有至关重要的影响。高质量的网格是高精度分析结果的保证，而质量不好或者差的网格，则可能会导致计算的无法完成或者得到无意义的结果。

在一个完整的分析计算过程中，与网格设计与修改相关的前处理工作占到了CAE工程师工作量的70%-80%，CAE工程师往往要花费大量的时间来进行网格处理，真正用于分析计算的时间很少，所以主要的瓶颈在于如何快速准备好高质量的满足分析计算要求的网格。

准备高质量的分析模型是一件很费时间和精力的事情，而且，要求完成该项工作的技术人员具有相当的技术经验和背景，才能完成高质量的网格。具体地说，就是要求前处理工程师能够根据CAE工程师提出的分析要求“设计”出能满足CAE工程师分析要求的合适的网格，然后提交给CAE工程师进行分析计算。

之所以是网格“设计”而不是网格划分，说明了要设计出能够满足分析计算要求的高质量的网格，并不是一件容易的事情，要完成这项工作需要很多方面的知识和技术要求。

针对一个具体的分析计算要求，要获得一个满足该分析技术的高质量的网格，一个承担该项目网格设计的前处理工程师需要从以下几个方面进行综合考虑：

◇分析计算的目的。（定性还是定量）

◇分析计算的类型，如强度分析、刚度分析、耐久性分析、NVH分析、碰撞分析、CFD分析、 热流分析、动力学响应分析等。（分析类型对网格的质量和形状有不同的要求。）

◇分析计算的时间要求。（要求时间的紧迫与否也决定了采用何种网格形式）

◇分析据算所采用的求解器。（不同的求解器对不同的分析问题有特定的网格形式和要求）

◇尽可能采用最好的单元类型。（所应用的求解器可以采用的单元类型，也会决定网格的质量与形状要求）

◇尽可能采用最好的网格类型。（最好的网格类型意味着对于面，尽可能采用四边形网格；对于体，尽可能采用六面体单元）

由此可见，满足计算分析要求的高质量的网格是由前处理工程师精心“设计”出来的，而不是随随便便“划分”出来的。

第一类是复杂结构的中面网格，主要针对薄壁件。

尤其是汽车，航天航空，电子这个行业里大量存在，像手机、汽车上的仪表板、汽车的车身，这样的结构件壁度单元很薄。很难用实体单元来描述，这样的部件要用壳单元描述。用壳单元描述，首先要得到这个结构的几何中面。一般来说像塑料件，薄壁件有一个共同的特点就是结构比较复杂，有很多的筋圆孔等等。难度在于如何得到这个复杂结构的中面网格，中面有圆角、加强筋、圆孔等等，抽完中面之后，怎样把它们连接起来；得到几何之后如何保证高质量的面网格。对于中面网格来说，最好的单元形式就是四边形网格。

第二类网格就是复杂结构的六面体。

像结构体，譬如发动机的缸盖、活塞、缸体、曲轴、转向节、变速箱的壳体，这样的结构最好的形式是用六面体，因为六面体精度比较高。六面体的生成完全依靠人工来完成，这就需要非常专业的工程师才能完成。

第三类比较复杂的网格，就是流体网格CFD网格。

流体网格几何的外表面是封闭的，对于一个结构来说，比如整车，导弹的外流场，飞机等的外流场，有大量的曲面间隙需要去缝合修补，要生成面网格，还要考虑附面层，流体网格的特点是几何清理极其复杂，工作量特别大，对附面层的质量要求非常苛刻。根据你选择的不同的流体方程，附面层网格的质量有不同的要求。

CAE工程咨询有限元（FEA）

有限元法是适应使用电子计算机而发展起来的数值方法。起源于上个世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。世界力学名著“有限元法”的作者监凯维奇教授对有限元法曾做过如下定义：

（a）把连续体分成有限个部分，其性态由有限个参数所规定。

（b）求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则，如力平衡规则等。

有限元方法所能解决实际工程问题：

静态应力/位移分析

包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等

动态分析

包括结构固有频率的提取，瞬态响应分析，稳态响应分析，以及随机响应分析等

粘弹性/粘塑性响应分析

粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析

热传导分析

传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析

质量扩散分析

静水压力造成的质量扩散和渗流分析等

耦合分析

热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等

非线性动态应力/位移分析

可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等

瞬态温度/位移耦合分析

解决力学和热响应及其耦合问题

准静态分析

应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题

退火成型过程分析

可以对材料退火热处理过程进行模拟

海洋工程结构分析

对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟

对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟

对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟

水下冲击分析

对冲击载荷作用下的水下结构进行分析

疲劳分析

根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估

设计灵敏度分析

对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计

有限元在线最强的优势在非线性分析。所有的工程问题都是非线性的，在实际中并不存在完全线性的。有时候人们为了求解问题的方便性，考虑自身的条件和限制，可以用线性来代替，但是如果材料本身是非线性的话，那么就没有办法用线性来代替。我们在非线性分析方面有超过十年的经验，完成了大量的项目。尤其对材料非线性，几何非线性和接触非线性，具有非常丰富的经验。像汽车的碰撞，铁路里面的碰撞，电视机手机的跌落，都是高度的非线性问题。

应用有限元技术可以帮助：

1. 产品设计与开发：缩短产品开发周期；

降低开发成本；

提高产品质量；

1. 对现有结构进行评估：分析产品破坏原因；

评估产品在设计中无法考虑因素作用下的安全性能

1. 进行产品的失效分析：发展与建立材料模型等

CAE工程咨询流体分析

有限元在线提供的流体分析服务包括：

■ 整车空气动力学特性分析　 －外形设计优化（经济性/操纵稳定性等）

■ 车灯除雾，除冰除霜分析

■ 空调系统及内流场特性分析 －流量分配/除霜/舒适性分析/风机

■ 发动机进排气系统分析

■ 空气噪声分析

■ 发动机缸内燃烧分析

■ 发动机机舱散热分析　 －热管理/风扇

■ 制动散热分析

CAE工程咨询优化分析

应用CAE分析技术，可以帮助设计工程师在设计阶段快速的进行设计验证，找到设计缺陷和不足，然而当在CAE分析以后找到产品设计缺陷和不足时，如何对产品的结构进行改进和优化，以期使得产品能够在满足给定设计要求的前提下具有最佳的性能（最轻、最强、最安全等），则是每一个设计工程师和CAE工程师希望达到的目标。

CAE工程咨询电机电磁分析

有限元在线能提供优质快速的电机设计与电磁分析服务，内容包括：

（1）电机设计

◇同步发电机设计与优化

◇无刷直流电机设计与优化

◇传统有刷整流电机设计与优化

◇感应电机设计与优化

（2）电机电磁分析

◇电机结构分析

◇电机基本性能分析

◇电机电场分析

◇电机冷却分析

◇磁屏蔽分析

◇永磁电机的交直轴电感计算

（3）电机温度场和流体场计算

◇电机内温度场计算

◇大型电机的水冷却分析、空气冷却分析、油冷却分析

◇电机风扇冷却分析

◇噪声分析

电磁场分析：

稳态磁场分析: 激励不随时间变化,如永磁体的磁场、稳恒电流产生的磁场等

谐性磁场分析: 激励按正余弦规律变化,如感应式电机

瞬态磁场分析: 激励随时间无规律变化

温度场分析：

通过温度场计算,得到电机整机或部件的温度分布、热量的获取和损失、热梯度、热流密度等。

稳态温度场分析:热源不随时间变化

瞬态温度场分析:热源随时间变化

结构分析：部件刚强度计算，接触应力计算，固有频率计算，动态响应计算，临界转速计算等

CAXA CAE是与CAXA实体设计软件直接耦合的CAE分析模块。它使用Sefea技术 ，能直接耦合应力、热、电、流体物理性，分析精度可达二阶元素分析精度，而计算成本仅与一阶元素相当，适于非线性分析。 与CAXA实体设计无缝耦合，形成CAD/CAE集成工具，方便用户对产品进行产品轻量化、优化设计，以及对设计进行验证。