计算机辅助工程CAE

计算机辅助工程CAE---------2012.11.10

1.1、举例说明工程实际中计算机辅助工程的问题。P3

答：借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件MS C.Dytran和MSC.Ma r c重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为科么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。

1.3、传统的工程分析和计算机辅助工程分析的异同点?

答：（1）共同点：所遵循的步骤和摸型完全一致；（2）不同点：计算机辅助的工程分析部分由计算机全自动的来处理，另外一部分则由工程师和计算机互相协调来进行；传统工程分析则完全由工程师自己完成。

1.5、传统的机械产品或工程设计与现代机械产品或工程设计的异同点。P3

答：(1]共同点：保证性能指标；保证可靠性、使用寿命；最大限度降低成木。（2）不同点：①依据理论: 传统的机械产品依据材料力学、理论力学、弹性力学公式；现代机械产品借助于计算机和CAE(Computea} Aided Engineering软件。②传统的机械产品进行简化，计算精度较低，为保证设备的安全可靠运行，加大安全系数，导致结构尺寸过大，浪费材料，造成结构性能地降低；现代机械产品高速、高效、高精度、低成木、节省能源和高性能。③传统的机械产品采用串联设计：设计，制造或施上，物理样机或工程结构，性能测试和评价，改进设计，反复循环；现代机械产品采用并行设计:借助于计算机和CAE软件进行，设计，分析计算，仿真，改进设计，设计阶段性能测试和评价，直至满足设计要求，加工制造，物理样机或工程结构，性能测试和评价，改进。④传统的机械产品研发周期长，费用高，性能很难保证；现代机械产品研发周期短，费用相对较低，性能容易保证。

1.7、简述CAE软件的结构与功能。P5

答：（1）现行CAE软件的基木结构包含以下模块：前处理模块，有限元分析模块，后处理模块，用户界面模块、数据管理系统与数据库、专家系统、知识库。(2) C A E的作用： 1.增加设计功能、借助计算机分析计算.确保产品设计的合理性，减少设计成本； 2.缩短设计和分析的循环周期；3.CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上代替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；4.采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成木； 5.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；6.模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；7.进行机械事故分析，查找事故原因。

2.1、简述材料力学研究工程问题的范畴和方法。

答：材料力学主要研究杆梁柱在载荷作用下的应力应变位移等，只限于简单的载荷和一般载荷。

方法：理论分析法：对实际问题进行合理抽象和转化，建立力学数学模型，并进行理论分析，给出问题的答案；试验方法：用实验直接解决工程问题，验证理论分析的正确性，确保理论分析的参数。

3.1、有限元的基本思想和基本概念是什么? P18-24

答：有限元的基本思想：把作为对象的物体分割成小部分并输入边界条件把各个小部分的结构特征用公式近似，把这些小的部分组合起来就可得到力的平衡，以结果求的单元内部的应力应变位移等。物理有限元FEM 的基本思想是：一分一合，化整为零，积零为整把复杂的问题看成由有限个单元组成的整体。概念1：有限元是将实体单元结构划分成网格单元，网格间相互联系的点称为结点，网格与网格的交界线称为边界，节点数与单元数都是有限的。(概念2):物理解释的基本概念是分离或离散一个复杂的机械系统成为更加简单的互不连接的称做为有限元或简称单元的部件。单元的机械响应由有限个节点自由度位移表示，这些节点由度位移表示为未知函数的值。单元响应由数学和实验的形成的代数方程定义，原系统的响应认为是由连接或组装所有单元形成的离散模型的近似值。

3.3物理FEM分析的基本步骤是什么？P23 答：（1）结构的离散化。（2）单元特性分析：

①选择位移模式；②分析单元的力学特性，建立单元刚度方程；③计算单元等效节点力。（3）单元集成。（4）求解方程，得出节点位移。（5）由单元节点位移计算单元应变和应力。

3.4、简述弹性伦理学研究工程问题的范畴和方法与材料力学研究工程问题的范畴和方注有什么不同。P24

答：弹性力学的任务是分析弹性体在受力作用并处于平衡状态下产生的应力、应变和位移状态及其相互关系等。弹性力学用于二三维连续弹性体问题要考虑平衡微分方程、物理方程、几何方程和边界条件，最终归结为偏微分方程的边值问题。材料力学研究构件在载荷作用下的变形，应力，应变。只要有载荷存在就有位移、应变、应力的存在，这四种只要有其一的存在就会有其他三种存在，用数学公试表示这四种量关系的科学称为材料力学。

3.6、最小势能原理是什么?它和虚功原理有什么关系? P33-34

答：最小势能可叙述为：与精度解（真是位移）相应的势能小于与任何其它可能位移相应的势能。虚功原理是：弹性体在给定的体积力和边界处的表面力条件下处于平衡状态，当物休产生偏离这个状态的任意微小可能允许位移时，其应变能增量等于外力势能增量。虚功原理是最小势能的一种表达形式，在进行有限元计算时可以直接利用虚功原理求出真正位移。

3.8、为什么说有限元方法就是一种能量方法?它和传统的弹性力学和材料力学求解方法相比有何优点? P35

答：因为能量方法都要用有限元方法来建立模型和方法，当欧拉方程不易求解时可以把它转化为泛函数变分的极值问题，即有限元方法可以假设一组位移，用位移函数表示出，把他们带入泛函数试中，由一定条件确定所有需要的正确解，这就是变分问题的近似解或称变分问题的直接法，而有限元位移法则就是变分原理建立单元方程。

4.2、物理有限元建立过程中主要误差来自那些方面？P37

答：物理化、离散化和求解，每个步骤都会产生误差。

4.3如何对一工程和机械的理想化过程? P37

答：所谓理想化就是一个工程师或科学家经过研究把一个实际的物理系统抽象成一个系统的数学模型的过程，这个过程之所以被称为理想化是因为数学模型是物理现实的必要的抽象，由数学模型所产生的解析的或数字的结果.实际上仅仅是物理系统特征的方方面面的再现。

4.5、何谓离散模型，何谓连续模型，何谓离散化？P36、P38

答：如果自由度的数量是有限的，这个模型称为离散模型；否则称为连续模型。为了进行数字化仿真，必须将无限多个自由度简化到有限个自由度，这个简化就称为离散化。

4.6、有限元常用的一维、二维和三维单元有那些？机械结构常用的单元有那些？P40

答：在一维单元中，单元的形状通常是直线或曲线段；在二维单元中，单元是三角形或四边形；在三维单元中，最常用的形状是四面体、五面体和六面体。

4.7、机械结构划分单元（离散化）时应该遵守的一般原则是什么？P43

答：（1）网格细化：在你预测的应变或应力的高（低）梯度区域，使用相对精细（粗糙）的离散化，对于应变或应力的高梯度区域应注意的是：靠近拐角或边突然弯曲变化处；在集中载荷、集中反作用力、裂缝和剪切块附近；在结构内部厚度、材料特征或横截面突然变化的位置。（2）单元形状化。

4.8、在使用商用或通用有限元程序化时应该遵循的一般原侧是什么？P43

答：应该遵循的一般原则：（1）使用最简单的有限单元类型来完成工作。（2）决不要乱用复杂的或特殊的单元，除非你对所做的问题很肯定。（3）使用你认为是最简单的网格将迅速获取物理系统主要的物理特征，特别是在工程设计应用中非常重要。用几个字来概括就是“坚持简单”。

5.1、如何区分桁架结构、梁结构和框架结构？P45

答：（1）从架构上看：桁架杆件的连接点一般指的是铰链（用销钉连接或特殊加工），杆件可以相互转动，因而，不传递弯矩，杆件也没有弯矩，为二力杆，可轴向拉伸或压缩（论力学中定义的桁架二力杆是刚体，只承受拉力或压力，不产生任何变形。在有限元方法中，我们仍然沿用结构力学中桁架二力杆的名称，也仍然认为桁架杆件为二力杆，不承受弯矩，也不弯曲，但这里认为杆件沿轴向可以有拉伸或压缩变形）。而梁系结构或框架结构侧不然，一般连节点是固定死的（用铆钉、螺栓或焊接方法连接），杆件不能有相对转动，能传递弯矩，杆件有弯曲变形，也有轴向拉压变形和扭曲变形。（2）从受力角度讲：桁架二力杆只承受轴向力，没有弯曲。而梁和框架则可以承受弯矩，也有弯曲。