机械CAE分析原理及工程实践

《机械CAE分析原理及工程实践》内容涉及：大型机械结构和特殊结构的强度CAE分析技术；机械结构的局部稳定性CAE分析技术和二次开发；基于CAE分析的机械结构优化设计方法；网络化CAE分析系统的构建及实现，并分析了目前CAE分析的研究趋势。

《机械CAE分析原理及工程实践》可供从事CAE分析技术的科研人员、工程实际中相关技术的应用人员以及高校机械工程专业师生参考。

机械CAE分析原理及工程实践前言

第1章 CAE基本原理及模拟仿真

1.1 CAE技术基本概念

1.2 CAE发展历史

1.3 CAE分析过程及模拟仿真步骤

1.3.1 有限元法的分析过程

1.3.2 基于虚拟样机技术的仿真步骤

1.4 CAD/CAE/CAM集成化

1.5 部分CAE通用软件介绍

第2章 机械结构强度分析中的CAE技术

2.1 机械结构强度CAE分析原理——有限元分析基础理论与方法

2.1.1 有限元分析方法的基本概念

2.1.2 结构静力的有限元分析过程

2.1.2.1 单元特性推导

2.1.2.2 总刚度矩阵的形成

2.1.2.3 载荷移置

2.1.2.4 约束处理

2.1.2.5 求解线形方程组

2.1.2.6 计算其他物理量

2.1.2.7 计算结果处理

2.1.2.8 结果显示

2.2 机械结构强度有限元分析过程中的关键技术

2.2.1 实体模型的有效建立

2.2.1.1 分析对象的有效简化

2.2.1.2 降维处理

2.2.1.3 对称与反对称性的利用

2.2.1.4 复杂结构中构件的连接

2.2.2 模型网格划分

2.2.2.1 单元精度与单元选择

2.2.2.2 网格划分原则

2.2.3 位移边界确定及力的边界条件

2.2.3.1 位移边界条件确定

2.2.3.2 力的边界条件

2.2.4 求解策略

2.2.4.1 求解方法

2.2.4.2 多载荷步求解

2.2.5 计算精度的改善

2.3 大型工程机械结构的强度CAE分析示例

2.3.1 汽车起重机伸缩吊臂结构有限元分析

2.3.1.1 伸缩吊臂有限元建模过程

2.3.1.2 QY25K吊臂分析示例

2.3. 1.3 QAYI25吊臂分析示例

机械CAE分析原理及工程实践小结

2 3 2 汽车起重机车架有限元分析

2.3.2.1 车架部分有限元建模过程

2.3.2.2 固定支腿与活动支腿有限元建模

2.3.2.3 QY35K车架分析示例

2.3.2.4 QAYI25车架分析示例

2.4 特殊结构CAE分析示例

2.4.1 锚具组件有限元分析

2.4.1.1 单孔锚具有限元分析模型

2，4.1.2 两种锚板锥角的计算结果比较

2.4.1.3 夹片与锚板间摩擦因数对锚固性能的影响

2.4.2 质量流量计测量管有限元建模及分析

2.4.2.1 有限元模型建立

2.4.2.2 有限元法与解析法结果的比较

2.4.2.3 U形管科氏流量计的分析

2.4.2.4 科氏质量流量计的仿真分析

第3章 机械结构稳定性的CAE分析

3.1 机械结构屈曲稳定性分析原理

3.1.1 杆的稳定性

3 1 2 板的稳定性

3.2 结构屈曲稳定性CAE分析过程

3.3 分析示例——汽车起重机伸缩吊臂结构局部稳定性分析

3.3.1 伸缩吊臂结构局部稳定性分析的有限元建模

3.3.2 分析不例

3.4 吊臂结构局部稳定性的二次开发

3.4.1 二次开发方案

3.4.2 二次开发过程

3.4.3 实例运行

第4章 机械CAE分析中的优化设计

4.1 优化设计基本原理

4.1.1 优化设计建模

4.1.2 优化设计问题的基本求解方法

4.1.3 优化设计的一般过程

4.1.4 机械优化设计的分类

4.2 CAE分析中的优化设计方法

4.2.1 提高优化设计CAE分析效率的近似方法

4.2.2 CAE分析中的优化技术特点

4.3 CAE优化设计过程

4.3.l CAE优化过程基本要素

4 3.2 CAE优化设计步骤

4.4 示例——吊臂CAE参数优化设计

第5章 CAE分析技术的网络化

5.1 CAE分析网络化的体系结构

5.1.1 基于应用服务提供商模式的CAE远程分析服务体系结构

5.1.2 基于动态服务器网页ASP技术及CAE软件集成的Web-CAE体系结构

5.2 基于CAE分析网络化系统实现

5.2.1 基于应用服务提供商模式的CAE远程分析服务系统

5.2.2 基于动态服务器网页ASP技术及CAE软件集成的Web-CAE系统

5.3 CAE分析网络化工程示例

5.3.1 锚具零件网络化有限元分析

5.3.2 齿轮传动网络化有限元分析

第6章 CAE分析的研究趋势

6.1 基于知识的CAE分析

6.2 协同CAE分析技术

6.3 CAD/CAE集成化建模

参考文献

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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

CAE（计算机辅助工程）是一种迅速发展的计算技术，是实现重大工程和工业产品设计分析、模拟仿真与优化的核心技术，是支持工程师、科学家进行理论研究、产品创新设计最重要的工具和手段。经过几十年的发展，CAE已在航空、航天、核工业、兵器、造船、汽车、机械、电子、土木工程、材料等领域获得了成功的应用，正在逐步成为制造企业深化应用的关键技术。目前，全球制造业的高速发展加快了企业对CAE仿真技术的探索和依赖，越来越多的企业将CAE仿真技术平台作为创新平台规划的重要部分。

中国CAE年会创办于2005年，是我国CAE领域一年一届规模最大、层次最高、影响深远的专业技术会议，被媒体誉为模拟仿真技术领域的“奥斯卡”盛会。会议的研讨及展览内容涵盖仿真、分析、高性能计算、数据模拟与仿真、流体计算等多个领域。年会举办七年来已有来自航空、航天、汽车、机械、船舶、兵器、电子、土木工程、教育等行业累计超过3100多位专业人士进行深入研讨和交流。已经成为我国模拟仿真技术领域重要的交流平台。2100433B

内容简介

《工程实践(机械及近机械类)》是2001年湖北省教育厅“工程材料及机械制造工艺基础教学体系与教学内容”改革项目的成果之一。根据课题组提出的“加强基础，重视实践，培养创新能力”的要求和新的课程体系的要求，将原“金工实习”课程改为“工程实践”课程，并对教学内容进行了较大的改革，从培养学生工程意识、基本工艺技能和综合实践能力的高度，组织新的课程体系和教学内容。

《工程实践(机械及近机械类)》主要论述基本制造工程方法、工艺过程及现代工程技术和方法。将工程技术的学习分为工程背景及工业生产过程认知、基本工艺技能训练、综合工艺制造训练及现代制造技术训练、工程工艺中的设计和实验研究入门等部分。除基本工艺方法的内容外，《工程实践(机械及近机械类)》突出了综合制造工艺训练和计算机辅助设计及制造训练的教学内容。为实现英汉双语教学，书中的重要术语标有英语注释。同时，在每一篇给出内容提要，每一章前给出内容重点和学习方法指导。书中配备了相应的项目及选择图表，供学生在任课教师和实践指导人员的指导下，自主选择制造方法、工艺参数和制造结果及分析，并作为评定学生实践能力的重要依据之一。《工程实践(机械及近机械类)》是“工程材料”和“材料成形及机械制造工艺基础”课程的先修课，是培养具有分析和解决工程实际问题能力、综合制造工艺能力和现代制造技术人才的入门教材，可供高等工科院校机械及近机械类专业“工程实践”，包括“金工实习”、“认识实习”、“生产实习”和“毕业实习与设计”等实践性教学环节之用。

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