產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAE實(shí)例

1、產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)2主講人：曾富洪攀枝花學(xué)院攀枝花學(xué)院29.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法1) 結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)靜力分析 結(jié)構(gòu)靜力分析用來分析由于穩(wěn)態(tài)外部載荷引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。靜力分析包括線性靜力分析和非線性靜力分析 結(jié)構(gòu)非線性可以分為：幾何非線性，材料非線性和狀態(tài)非線性三種類型。39.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法1) 結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)靜力分析幾何非線性指物體在外部載荷作用下所產(chǎn)生的變形與其本身的幾何尺寸相比不能忽略時(shí)，由物體的變形引起的非線性響應(yīng)。材料非線性指物體材料變形時(shí)，材料所表現(xiàn)的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。常見的材料非線性有彈塑性、超彈性、粘

2、彈塑性等。許多因素可以影響材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如加載歷史、環(huán)境溫度、加載的時(shí)間總量等。 49.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法1) 結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)構(gòu)靜力分析 狀態(tài)非線性是指結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的一種與狀態(tài)相關(guān)的非線性行為，如二個(gè)變形體之間的接觸。隨著接觸狀態(tài)的變化，其剛度矩陣發(fā)生顯著的變化 59.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）。它也是其它瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)，如諧響應(yīng)分析、譜分析等。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中常用的模態(tài)提取方法有：冪掃描法、子空間(Subspace)法、分塊的蘭索斯(Bloc

3、k Lanczos)法、PowerDynamics法、豪斯霍爾德(Reduced Householder)法、Damped法以及Unsysmmetric法等。69.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 諧響應(yīng)分析用于分析連續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生的連續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)），以及確定線性結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按正弦（簡(jiǎn)諧）規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種分析方法，這種分析只計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，不考慮發(fā)生在激勵(lì)開始時(shí)的瞬態(tài)振動(dòng)，諧響應(yīng)分析是一種線性分析，但也可以分析有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。 79.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

4、 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）是用于確定承受任意隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？捎盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。 89.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法3) 熱分析及熱應(yīng)力分析熱分析及熱應(yīng)力分析 熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量獲取或損失，熱梯度、熱流密度（熱通量）等。 穩(wěn)態(tài)傳熱分析。在穩(wěn)態(tài)傳熱分析中，系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化。穩(wěn)態(tài)傳熱分析用于研究穩(wěn)定的熱載荷對(duì)系統(tǒng)或部件的影響。穩(wěn)態(tài)傳熱分析的有限元計(jì)算可以確定由穩(wěn)定的熱載荷引起的溫度、熱梯度、熱流率、熱流密

5、度等參數(shù)。 99.3 常用的有限元分析方法常用的有限元分析方法3) 熱分析及熱應(yīng)力分析熱分析及熱應(yīng)力分析瞬態(tài)傳熱分析。瞬態(tài)傳熱分析中，系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間明顯變化。瞬態(tài)傳熱分析的有限元可以計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)及其它熱物理參數(shù)。在工程中一般用瞬態(tài)傳熱分析計(jì)算溫度場(chǎng)，并將其結(jié)果作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。109.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹1）ANSYS軟件軟件 John Swanson于1970年在美國(guó)賓夕法利亞州的匹茲堡創(chuàng)建了ANSYS公司，30多年來ANSYS公司致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，目前ANSYS軟件融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件 (1) 結(jié)

6、構(gòu)靜力分析： (2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析 (3) 結(jié)構(gòu)非線性分析 (4) 動(dòng)力學(xué)分析 (5) 熱分析 (6) 電磁場(chǎng)分析 (7) 流體力學(xué)分析 (8) 聲場(chǎng)分析 (9) 壓電分析： 119.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹2) ADINA軟件軟件 K.J.Bathe于1986年在美國(guó)馬薩諸賽州Watertown成立了ADINA R&D公司，ADINA 是Automatic Dynamic Increment Nonlinear Analysis的首字母縮寫。 ADINA軟件專注求解結(jié)構(gòu)、流體、流體結(jié)構(gòu)耦合等復(fù)雜的非線性問題。 (1) 靜力、動(dòng)力分析(2）結(jié)構(gòu)屈曲分析 (3) 斷裂力學(xué)分析

7、(4) CFD流動(dòng)分析 (5）流-固耦合分析 (6）滲流（結(jié)構(gòu)-滲流-溫度場(chǎng)耦合）分析 (7) 溫度場(chǎng) 129.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹3）ABAQUS軟件軟件 ABAQUS是由美國(guó)Hibbitt、Karlsson & Sorensen（HKS）公司開發(fā)并且提供售后服務(wù)的先進(jìn)的通用有限元程序系統(tǒng)。 (1) 靜態(tài)應(yīng)力/位移分析 (2) 動(dòng)態(tài)分析 (3) 粘彈性-粘塑性響應(yīng)分析 (4) 熱分析 (5) 質(zhì)量擴(kuò)散分析 (6) 耦合分析 (7) 非線性動(dòng)態(tài)應(yīng)力-位移分析 (8) 瞬態(tài)溫度-位移耦合分析 (9) 準(zhǔn)靜態(tài)分析 (10) 退火成型過程分析 (11) 海洋工程結(jié)構(gòu)分析 (12

8、) 水下沖擊分析 (13) 疲勞分析 (14) 設(shè)計(jì)靈敏度分析 139.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹4) MSC. NASTRAN分析軟件分析軟件 NASTRAN分析軟件是MSC公司的拳頭產(chǎn)品，MSC.NASTRAN的 主要功能模塊有:基本分析模塊(含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流固耦合及數(shù)據(jù)庫(kù)管理等)。動(dòng)力學(xué)分析模塊、熱傳導(dǎo)模塊、非線性分析模塊、設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動(dòng)彈性分析模塊、DMAP用戶開發(fā)工具模塊及高級(jí)對(duì)稱分析模塊。 在世界上具有較大影響力的是其動(dòng)力學(xué)分析模塊，主要功能有：（1）正則模態(tài)分析、（2）復(fù)特征值分析、（3）瞬態(tài)響應(yīng)分析(時(shí)間-歷程分析)、（4）

9、頻率響應(yīng)分析、（5）隨機(jī)振動(dòng)分析、（6）響應(yīng)譜分析、（7）聲學(xué)分析。149.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹5) MSC.MARC分析軟件分析軟件 是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件，具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力?？梢蕴幚砀鞣N線性和非線性結(jié)構(gòu)分析包括：線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡(jiǎn)諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、動(dòng)力響應(yīng)分析、自動(dòng)的靜/動(dòng)力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。為滿足工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的各種需求，提供了層次豐富、適應(yīng)性強(qiáng)、能夠在多種硬件平臺(tái)上運(yùn)行的系列產(chǎn)品。 159.4 著名著名CAE軟件介紹軟件介紹6) MSC.Fatigue分析軟件分析軟件 MSC.Fatigue是美國(guó)MSC公

10、司的用于耐久性疲勞壽命預(yù)測(cè)仿真軟件，具有強(qiáng)大的疲勞壽命分析功能，全套MSC.Fatigue包括以下模塊：1、全壽命及初始裂紋分析 2、裂紋擴(kuò)展分析 3、多軸初始裂紋分析 4、振動(dòng)疲勞分析 5、點(diǎn)焊的疲勞壽命分析 6、虛擬應(yīng)變片測(cè)量 7、高級(jí)疲勞和加載功能 8、疲勞壽命分析前后處理器 16建立有限元模型車架三維模型CAE分析知識(shí)庫(kù)/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否還可優(yōu)化整車評(píng)價(jià)基于三維的設(shè)計(jì)改進(jìn)是是否否否有限元模型修改是否符合要求是9.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用基于基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 179.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)

11、用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 該車車架為復(fù)雜的空間板殼結(jié)構(gòu)，車架橫梁、縱梁上的貨箱支承、發(fā)動(dòng)機(jī)支承、水箱支承、油箱支承、備胎支承、駕駛室支承等及其相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)件為主要承載部件。其中縱梁由前段、中斷和后段組成，它們均為“U”字型空間板殼結(jié)構(gòu)。由于車架每一個(gè)零件都是厚度不超過2.5mm的鈑金件或薄壁圓筒件，因此采用曲面模型來構(gòu)建整個(gè)結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，圖為簡(jiǎn)化后的幾何模型 1) 車架的有限元模型建立車架的有限元模型建立189.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE

12、技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 1) 車架的有限元模型建立車架的有限元模型建立199.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 1) 車架的有限元模型建立車架的有限元模型建立 根據(jù)車架是板殼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在建立有限元模型的時(shí)候采用四邊形板殼單元來離散整個(gè)車架，對(duì)其中部分復(fù)雜的地方采用三角形單元進(jìn)行離散。在一些主要承載零件和一些對(duì)車架強(qiáng)度影響比較大的地方采用尺寸比較小的單元，其它部位采用比較大的單元，圖為車架的有限元模型，整個(gè)模型分31432個(gè)單

13、元，31413個(gè)節(jié)點(diǎn)。209.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 1) 車架的有限元模型建立車架的有限元模型建立219.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模態(tài)分析車架模態(tài)分析 利用NASTRAN軟件中Lanczos對(duì)有限元模型進(jìn)行了自由模態(tài)分析，計(jì)算了車架的前十階模態(tài)，左圖為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)（24.16HZ），右圖為二階彎曲模態(tài)（48.45HZ），與類似車

14、架的模態(tài)分析結(jié)果比較接近，這說明所建的車架有限元模型是比較可靠的，能夠描述該車架的主要結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，可以有效的用于車架的設(shè)計(jì)分析中去。229.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模態(tài)分析車架模態(tài)分析 239.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模態(tài)分析車架模態(tài)分析 從車架的第一階扭轉(zhuǎn)固有振型來看，該車架以繞縱向?yàn)檩S線的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主，車架的尾部振動(dòng)

15、幅度較大為振型腹部區(qū)域，而車架中部振動(dòng)幅度較小，為振型結(jié)點(diǎn)位置（如圖所示）。鑒于振型的特征，動(dòng)態(tài)應(yīng)力較大的位置一般集中在駕駛室背板下方的區(qū)域。249.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模車架模態(tài)分析態(tài)分析 259.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模態(tài)分析車架模態(tài)分析 從車架的第二階彎曲固有振型來看，該車架前部、尾部和車架乘員位置的振幅較大，

16、為振型腹部區(qū)域，而車架第二橫梁和后鋼板彈簧緩沖塊位置振動(dòng)幅度較小，為振型結(jié)點(diǎn)位置，鑒于振型的特征，動(dòng)態(tài)應(yīng)力較大的位置一般集中在車架第二橫梁和后鋼板彈簧緩沖塊位置區(qū)域 269.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 2)車架模車架模態(tài)分析態(tài)分析 279.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 3)車架的靜強(qiáng)度分析車架的靜強(qiáng)度分析 車架的彎曲靜強(qiáng)度分析，主要是模擬汽車在靜止

17、滿負(fù)荷下的彎曲工況，此時(shí)車架的變形主要在垂直方向，其載荷和約束基本對(duì)稱。作靜力有限元分析時(shí)，其主要目的是求出車架各處的應(yīng)力及變形情況，特別是高應(yīng)力分布區(qū)。圖為車架靜強(qiáng)度解算邊界條件289.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 3)車架的車架的靜強(qiáng)度分靜強(qiáng)度分析析 299.5 CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例：基于實(shí)例：基于CAE技術(shù)的技術(shù)的XX型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程型小汽車后橋設(shè)計(jì)驗(yàn)證優(yōu)化過程 3)車架的靜強(qiáng)度分析車架的靜強(qiáng)度分析 車架的載荷主要有貨箱

18、及貨物重量、發(fā)動(dòng)機(jī)重量、水箱重量、油箱重量、備胎重量、駕駛室（包括儀表板、座椅）及乘員重量等。其中貨箱及貨物重量通過貨箱的六個(gè)支承及駕駛室背板，以壓力的形式施加載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)重量、水箱重量、油箱重量、備胎重量以集中載荷的形式施加載荷。 對(duì)于汽車懸架的處理，其前螺旋彈簧簡(jiǎn)化為線彈簧單元，剛度參數(shù)為36N/mm，對(duì)于鋼板彈簧，根據(jù)其剛度，前后支承的位置，進(jìn)行剛度分配，等效為前后吊耳的兩個(gè)線彈簧單元，其剛度分別為23.4N/mm和26.6N/mm。圖為車架彎曲位移云圖，其最大位移發(fā)生在車架的尾部，為96mm。從車架應(yīng)力分布云圖可見，車架前部，前橫梁不是主要承載部位，應(yīng)力值很低，等效應(yīng)力值都在40MN/m2內(nèi)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在與汽車第三、四橫梁相連接的縱梁處，其槽底等效應(yīng)力值較高，最大為117 MN/m2，接近材料的許用極限，屬于危險(xiǎn)區(qū)域，此處結(jié)構(gòu)應(yīng)該得到加強(qiáng)。309.5 C