计算机辅助工程分析

计算机辅助工程分析学习目标：了解工程分析在设计/制造中的重要性；学习和理解有限元法的基本概念和步骤；学习优化设计的概念和常用优化设计方法；学习仿真的概念，了解计算机仿真的一般过程。

为使用计算机辅助工程分析（CAE）软件进行工程分析奠定基础。

学习内容：学习重点：有限元法。

学习难点：优化设计方法。

学习建议：复习前序课程学过的力学知识，掌握有限元分析的理论基础；创造条件，通过练习商品化CAE软件（例如：Ideas）、优化设计以及仿真等功能，进一步理解相关知识点，掌握几种工程分析方法解决问题的思路和步骤。

计算机辅助工程分析概述近三十年来，由于计算机的应用及测试手段的不断完善，机械设计已由静态、线性分析向动态非线性过渡；由经验类比向最优设计过渡；由人工计算向自动计算，由近似计算向精确计算过渡。

正是在这种情况下，将计算机引入工程分析领域，是机械设计中的一场巨大变革。

计算机辅助工程分析的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析；按性能要求进行设计和综合评价，以便从多个方案中选择最佳方案。

计算机辅助工程分析通常包括:有限元法优化设计仿真技术有限元法有限元法不仅是结构分析中必不可少的工具，而且广泛应用于磁场强度，热传导，非线性材料的塑性蠕变分析等领域。

有限元方法的基本思想弹性力学基本知识简例及基本解法与步骤归纳有限元的前置处理和后置处理有限元法的基本思想概念先把一个原来是连续的物体剖分成有限个单元，且它们相互连接在有限个节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，再综合求解。

由于单元的个数有限，节点的数目也有限，所以这种方法称为有限元法。

有限元法解决问题的途径力学分析方法可分为解析法和数值法，前者只能应用于求解简单问题，复杂的结构问题只能应用数值法求出问题的近似解。

有限元法解决问题是物理模型的近似，而数学上不做近似处理。

其概念清晰，通用性与灵活性兼备，能灵活妥善处理各种复杂情况。

单元类型采用有限元法对结构进行分析计算时，依据分析对象不同，采用的单元类型也不同。

弹性力学的基本知识(一)弹性力学中常用物理量弹性力学基本方程虚功方程常用物理量外力作用于物体的外力可分为体力和面力两种。

体力是指分布在整个体积内的外力，如重力和惯性力。

面力是指作用于物体表面上的外力，例如流体压力和接触力。

应力从物体内取出一个边长分别为d x，d y，d z的微分体（如下图）。

每个面上的应力可分为一个正应力和两个剪应力。

正应力记为ζx,ζy,ζz。

剪应力记为ηxy，ηyx，ηxz，ηzx，ηyz，ηzy，前一个脚标表明η的作用面所垂直的坐标轴；后一个表明η的作用方向。

根据剪应力互等定律有ηxy=ηyx，ηxz=ηzx，ηyz=ηzy。

微分体的应力状态图应变线段的每单位长度的伸缩称为正应变，记为εx，εy，εz。

线段之间夹角的改变量称为剪应变，记为γxy，γxz，γyz。

微分体的应变示意图位移在载荷（或温度变化等其它因素作用下），物体内各点之间的距离改变称为位移，它反映了物体的变形大小。

记为u,v,w，分别为X，Y，Z三个方向的位移分量。

弹性力学的基本知识(二)弹性力学中常用物理量弹性力学基本方程虚功方程基本方程应变和位移的关系（几何方程）物体受力后变形，其内部任一点的位移与应变的关系如下：, , , ,应力和应变的关系（物理方程）用虎克定律表示：E—材料的弹性模量μ—材料的波松比虚功方程虚功原理假设一个弹性体在虚位移发生之前处于平衡状态，当弹性体产生约束允许的微小位移并同时在弹性体内产生虚应变时，体力与面力在虚位移上所作的虚功等于整个弹性体内各点的应力在虚应变上所作的虚功的总和，即外力虚功等于内力虚功。

虚功方程若用δu、δv、δw分别表示受力点的虚位移分量；用δεx、δεy、δεx、δγxy、δγyz、δγzx表示虚应变分量；用A 表示面力作用的表面积，根据虚功原理，可得虚功方程：有限元法的简单引例例题设有一只受其自重作用的等截面直杆，上端固定，下端自由。

设杆的截面积为A；杆长为L；单位杆长重力为q，试用有限无法求直杆各点的位移。

解题思路有限元法基本解法与步骤有限元法基本求解过程有限元法求解过程示意图位移法的具体解题步骤例题之中所用的方法是有限元法中的位移法，该方法以位移作为基本未知量，进而求出其它相关的未知量。

具体解题步骤如下：1．单元剖分把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编号。

2．单元特征分析以节点位移{△}e为基本未知量，设选一个单元位移函数，之后：（1）用节点位移表示单元位移，{f}=〔N〕{△}e。

（2）通过几何方程用节点位移表示单元应变，{ε}=〔B〕{△}e。

（3）通过物理方程用节点位移表示单元应力，{ζ}=〔G〕{△}e。

（4）通过虚功方程用节点位移表示节点力，{F}e=〔K〕e{△}e，得出单元刚度矩阵。

3．总体结构合成（1）分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程：〔K〕{△} ={F}。

（2）对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。

进而由{ζ}=〔G〕{△}e可求得单元应力。

解题过程有限元法基本解法与步骤有限元法基本求解过程有限元法求解过程示意图位移法的具体解题步骤例题之中所用的方法是有限元法中的位移法，该方法以位移作为基本未知量，进而求出其它相关的未知量。

具体解题步骤如下：1．单元剖分把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编号。

2．单元特征分析以节点位移{△}e为基本未知量，设选一个单元位移函数，之后：（1）用节点位移表示单元位移，{f}=〔N〕{△}e。

（2）通过几何方程用节点位移表示单元应变，{ε}=〔B〕{△}e。

（3）通过物理方程用节点位移表示单元应力，{ζ}=〔G〕{△}e。

（4）通过虚功方程用节点位移表示节点力，{F}e=〔K〕e{△}e，得出单元刚度矩阵。

3．总体结构合成（1）分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程：〔K〕{△} ={F}。

（2）对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。

进而由{ζ}=〔G〕{△}e可求得单元应力。

有限元法基本解法与步骤有限元法基本求解过程有限元法求解过程示意图位移法的具体解题步骤例题之中所用的方法是有限元法中的位移法，该方法以位移作为基本未知量，进而求出其它相关的未知量。

具体解题步骤如下：1．单元剖分把连续弹性体分割成许多个有限大小的单元，并为单元和节点编号。

2．单元特征分析以节点位移{△}e为基本未知量，设选一个单元位移函数，之后：（1）用节点位移表示单元位移，{f}=〔N〕{△}e。

（2）通过几何方程用节点位移表示单元应变，{ε}=〔B〕{△}e。

（3）通过物理方程用节点位移表示单元应力，{ζ}=〔G〕{△}e。

（4）通过虚功方程用节点位移表示节点力，{F}e=〔K〕e{△}e，得出单元刚度矩阵。

3．总体结构合成（1）分析整理各单元刚度矩阵，通过节点的平衡方程形成节点载荷列阵、合成总体刚度矩阵，建立以节点位移为未知量的、以总体刚度矩阵为系数的线性代数方程：〔K〕{△} ={F}。

（2）对线性代数方程组进行边界条件处理，求解节点位移。

进而由{ζ}=〔G〕{△}e可求得单元应力。

有限元法的前置处理用有限元法进行结构分析时,要输入大量的数据，如单元数、单元的几何特性、节点数、节点编号、节点位置坐标等。

故有限元计算程序要进行前置处理。

前置处理的基本功能：前置处理的显示方式前置处理提供不同的显示方式让用户检查和控制剖分的网格。

通常从一个角度看不清结构形状和单元划分的情况，就将图像绕不同的轴旋转若干的角度。

半圆管的有限元网格显示举例有限元分析的精度取决于网格划分的密度。

为了提高分析精度，同时又避免计算量过大，可以采取将网格在高应力区局部加密的办法。

网格局部加密图有限元法的后置处理当结构经过有限元分析后，会输出大量的数据，如静态受力分析后节点的位移量、固有频率计算后的振型等。

故有限元计算程序要进行后置处理。

将有限元计算分析结果进行加工处理并形象化为变形图、应力等值线图、应力应变彩色浓淡图、应力应变曲线以及振型图等。

矩形悬臂梁的有限元振型图齿轮有限元分析的前后置处理图前置处理网格图 后置处理应力应变色彩浓淡图仿真的基本概念（一）仿真的类型物理仿真：在物理模型基础上进行的仿真。

1.特点：物理模型与实际系统之间具有相似的物理属性，所以，物理仿真能观测到难以用数学来描述的系统特性，但要花费较大的代价。

2.分类：半物理仿真和全物理仿真。

半物理仿真的模型，有一部分是数学模型，另一部分是已研制出来的产品部件或子系统，从而对产品整体性能和实际部件或子系统进行功能测试。

全物理仿真的模型则全部是实物模型。

数学仿真（又称计算机仿真）即建立系统（或过程）的可以计算的数学模型（仿真模型），并据此编制成仿真程序放入计算机进行仿真试验，掌握实际系统（或过程）在各种内外因素变化下性能的变化规律。

特点：与物理仿真相比，数学仿真系统的通用性强，可作为各种不同物理本质的实际系统的模型，故其应用范围广，是目前研究的重点。

仿真类型的选取策略：是按工程阶段分级选取。

1.在产品的分析设计阶段，采用计算机仿真，边设计、边仿真、边修改。

2.进入研制阶段，为提高仿真可信度和实时性，将部分已试制成品（部件等）纳入仿真模型。

此时，采用半物理仿真。

3.到了系统研制阶段，说明前两级仿真均证明设计满足要求，这一级只能采用全物理仿真才能最终说明问题，除非这种全仿真是不可实现的。

计算机仿真与物理仿真之间的关系示意图仿真的基本概念(二)计算机仿真的发展和意义计算机仿真的应用类型1.系统分析和设计例如柔性制造系统的仿真，在设计阶段，通过模型仿真来研究系统在不同物理配置情况下和不同运行策略控制下的特性，从而预先对系统进行分析、评价，以获得较好的配置和较优的控制策略；系统建成后，通过仿真，可以模拟系统在不同作业计划输入下的运行情况，用以择优实施作业计划，提高系统的运行效率。

2.制成训练用的仿真器例如飞行模拟器、船舶操纵训练器、汽车驾驶模拟器等。

这些仿真器既可以保证被训练人员的安全，也可以节省能源，缩短训练周期。

计算机仿真的意义1.替代许多难以或无法实施的实验2.解决一般方法难以求解的大型系统问题3.降低投资风险、节省研究开发费用4.避免实际实验对生命、财产的危害5.缩短实验时间、不受时空限制计算机仿真的特点1.以计算机为实验环境，依赖实际系统的抽象仿真模型。