CADCAE在航天领域中的应用概述(二).

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计算机辅助造型以及有限元法是随着计算机技术的应用而发展起来的一种先进的CAD/CAE技术,广泛应用于各个领域中的科学计算、设计、分析中,成功的解决了许多复杂的设计和分析问题,已成为工程设计和分析中的重要工具。

此次设计中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的压力成型分析，具有工程上的实际意义。

在三维设计中，设计了一个尾喷管，一个舵，还有一个机翼，其中尾喷管由四部分组成，包括内部的支撑部分，和外部的蒙皮部分。

舵和机翼都是由两个以上的蒙皮表面构成。

在有限元分析中，包括金属薄板的弹塑性分析，以及舵面的弹塑性分析，其中还对薄板进行了超塑性分析。

2.4 有限元分析在工程上的应用
图4.7 Msc/Marc的系统结构
目前,有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面:
静力学分析:这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形分析,是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。

当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时何的变化十分缓慢,应进行静力学分析。

模态分析:这是动力学分析的一种,用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。

进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。

谐响应分析和瞬态动力学分析:这两类分析也属动力学分析,用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。

热应力分析:这类分析用于研究、结构的工作温度不等于安装温度时,或工作时结构内部存在温度分布时,结构内部的温度应力。

接触分析:这是一种状态非线性分析,用于分析2个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。

由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的,所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。

但是,以前受计算能力的制约,接触分析应用的较少。

屈曲分析:这是一种几何非线性分析,用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状,例如压杆稳定性问题。

在竞争激烈的市场环境中,为取得竞争优势,企业迫切需要能够迅速开发出高质量、低成本的产品,并迅速抢占市场。

因此企业界迫切需要高技术、高速度、低成本的设计方法。

随着计算机技术的快速发展和普及,有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域,成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法,有限元在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性,使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具。

2.5 有限元法分析的基本步骤
物体离散化。

将分析的对象离散为有限个单元,单元的数量根据需要和计算精度而定。

一般情况下,单元划分越细则描述变形情况越精确,越接近实际变形,但计算量越大。

单元特性分析。

首先进行位移模式选择。

有限元法通常采用位移法,因此应先选择合理的位移模式(位移函数) 。

然后分析单元的力学性质。

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义,找出单元节点力和节点位移的关系式,亦即导出单元刚度矩阵,这是分析中的关键一步。

最后计算等效节点力。

将单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地转移到节点上,也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

单元组集。

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联结起来,形成整体刚度矩阵。

求解未知节点位移。

解有限元方程求出节点位移,然后根据节点位移求出所有的未知量。

归根到底,有限元法是求解常,偏微分方程的一种方法。

理论上讲,凡能够归纳为求解微分方程的工程问题都可以用有限元法来解决。

因此有限元法可以进行结构、热、电磁、流体、声学等分析。

图4.8 有限元分析流程图
本次讨论主要进行弹塑性分析。

弹塑性是最常见，被研究得最透彻的材料非线性行为。

采用屈服面，塑性势和流动定律得弹塑性力学模型，在20世纪初就几经建立起来，这些理论已经在金属和泥土塑性领域得到了广泛的应用，并已经编成数值成形分析工具，但塑性有限元发已经获得了广泛的应用。