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文檔簡介

CAE技術(shù)及其航天領(lǐng)域的應(yīng)用傅德彬CAE技術(shù)及其航天領(lǐng)域的應(yīng)用傅德彬諸論----初識CAE兩個問題:

計算機(jī)在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著怎樣的作用?計算機(jī)如何幫助解決科學(xué)研究和工程設(shè)計中的問題?信息存儲信息傳遞(數(shù)值)計算諸論----初識CAE兩個問題:信息存儲諸論----初識CAE三個情況現(xiàn)代計算機(jī)的誕生是為了解決核爆炸中的計算問題(以計算機(jī)為工具的)數(shù)值計算已成為理論分析、實驗分析之外的新的研究手段高速計算機(jī)依然為解決科學(xué)計算中的復(fù)雜問題而不斷推陳出新

在過去、現(xiàn)在和將來,計算與仿真都是計算機(jī)主要的功能和發(fā)展的動力諸論----初識CAE三個情況在過去、現(xiàn)在和將來諸論----初識CAECAE(ComputerAidedEngineering)

計算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 在這里所介紹的CAE還包括CFD(ComputationalFluidDynamic)、計算多體動力學(xué)(ComputationalDynamicofMulti-bodySystem)等其它利用計算機(jī)輔助求解的數(shù)值計算方法。諸論----初識CAECAE(ComputerAided諸論----初識CAE齒輪接觸應(yīng)力分析V式6缸發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力分析整車碰撞模擬諸論----初識CAE齒輪接觸應(yīng)力分析V式6缸發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場分析隱身特性分析諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場諸論----初識CAE大型建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核魚游動特性分析芯片散熱特性諸論----初識CAE大型建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核魚游動特性分析芯片諸論----初識CAE結(jié)構(gòu)碰撞(瞬態(tài)動力學(xué))諸論----初識CAE結(jié)構(gòu)碰撞(瞬態(tài)動力學(xué))諸論----初識CAE多體動力學(xué)發(fā)射過程諸論----初識CAE多體動力學(xué)發(fā)射過程諸論----初識CAE流動分析諸論----初識CAE流動分析諸論----課程概況課程目標(biāo)掌握CAE的基本概念和一般應(yīng)用重點掌握有限元分析基本概念,學(xué)會應(yīng)用ANSY工具軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)(多體動力學(xué))基本概念,學(xué)會應(yīng)用Adams工具軟件進(jìn)行多體動力學(xué)分析掌握CFD基本概念,學(xué)會應(yīng)用Fluent進(jìn)行簡單流場分析諸論----課程概況課程目標(biāo)諸論----課程概況課程內(nèi)容CAE概況與分析思路Ansys入門與提高(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))有限元分析基礎(chǔ)Adams入門(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)Fluent入門(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))CFD基礎(chǔ)CAE在航天領(lǐng)域的應(yīng)用(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))諸論----課程概況課程內(nèi)容諸論----課程概況課程要求積極實踐(上機(jī)操作,課后練習(xí))加強(qiáng)基礎(chǔ)(了解數(shù)值計算基礎(chǔ)和專業(yè)理論)提高理論(利用數(shù)值方法對理論中涉及的問題進(jìn)行驗證分析)考核方式平時成績(30%)上機(jī)操作(40%)理論考核(30%)諸論----課程概況課程要求一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中,利用計算機(jī)進(jìn)行建模及性能仿真分析性能仿真的內(nèi)容涉及產(chǎn)品(或系統(tǒng))的力學(xué)性能(變形,應(yīng)力)、熱學(xué)性能、流動性能、振動特性和噪聲控制等可替代大多數(shù)昂貴而費時的物理樣機(jī)實驗,即用數(shù)字化樣機(jī)取代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)實驗廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域什么是CAE(計算機(jī)輔助工程)一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中,利用計算機(jī)進(jìn)行建一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機(jī)技術(shù),節(jié)省了大量物理樣機(jī)試飛次數(shù),僅一次試飛即獲得成功,每次物理樣機(jī)實驗需花費1億美元CAE技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,使新車開發(fā)周期由原來的5~6年縮減到現(xiàn)在的1~2年美國NASA的噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)應(yīng)用CAE技術(shù)成功地實現(xiàn)了火星探測器“勇氣號”、“機(jī)遇號”在火星上的軟著陸仿真分析。仿真結(jié)果預(yù)測到由于制動火箭和火星風(fēng)的相互作用,使探測器在著陸時可能出現(xiàn)翻滾,從而改進(jìn)了技術(shù)方案,保證了登陸成功

為什么用CAE一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機(jī)技

方案設(shè)計

建模物理建模,數(shù)學(xué)建模,計算建模

仿真計算機(jī)仿真,解析方法,實驗方法

結(jié)果可視化照片,錄像帶,計算機(jī)圖形,虛擬現(xiàn)實

詳細(xì)設(shè)計

物理樣機(jī)制造

物理樣機(jī)測試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機(jī)分析

一.CAE概況產(chǎn)品研發(fā)的一般過程方案設(shè)計建模仿真結(jié)果可視化一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE相關(guān)課程材料力學(xué),彈性力學(xué)流體力學(xué),熱力學(xué)等理論力學(xué),機(jī)械原理,機(jī)械振動計算機(jī)三維造型(CAD技術(shù))有限元分析(有限元理論及軟件的使用)虛擬樣機(jī)理論及應(yīng)用(多體系統(tǒng)動力學(xué)理論)計算流體力學(xué)(CFD)一.CAE概況CAE相關(guān)課程材料力學(xué),彈性力學(xué)一.CAE概況CAE應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包括:CAD/CAE/CAM/PLMCAD已普及(大多數(shù)工程師必須掌握)CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達(dá)國家及一些大公司中利用CAE技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計以降低成本,縮短研發(fā)周期已達(dá)80%~95%CAE的應(yīng)用已含蓋機(jī)械工程的各個方面(包括運動分析,動力學(xué)分析,強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析,液壓傳動分析,振動和噪聲的控制等)CAE方面的專業(yè)人才短缺(包括發(fā)達(dá)國家)一.CAE概況CAE應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包括:C一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PLM的軟件被廣泛應(yīng)用(“CAE計算器”)每個工程師都具備CAE的知識和能力大規(guī)模、多尺度、多場耦合分析,虛擬工程CAE全球化(如中國、印度的工程師承接美國的CAE項目)在線分析:新一代高速因特網(wǎng)實現(xiàn)軟件共享,協(xié)同分析打好基礎(chǔ),做好準(zhǔn)備,適應(yīng)未來發(fā)展的需要一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PL二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法,求解問題包羅萬象,幾乎涵蓋各個學(xué)科及各個工程領(lǐng)域。技術(shù)最成熟,商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法二.CAE方法體系及軟件有限差分法

最早的數(shù)值分析方法,使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,不需要域積分,建模、計算簡單。適于分析幾何形狀簡單的問題,尤其是流動性問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件有限差分法最早的數(shù)值分二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有限元法(歐拉結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)。多用于分析流體動力學(xué)問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采用,如FLUENT,CFX…二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上劃分網(wǎng)格,適于分析無界、連續(xù)介質(zhì)問題,如聲學(xué)問題和波的傳播問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法

一種最新的數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分的限制,采用有限元法而不易解決的問題。如大變形、裂紋擴(kuò)展、爆炸等,商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法一種最新的二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學(xué)的虛擬樣機(jī)技術(shù)

針對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的整機(jī)性能優(yōu)化技術(shù)。所建立的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)-液-控的耦合。商業(yè)分析軟件包括ADAMS,SIMPACK,DADS…二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學(xué)的虛擬樣機(jī)技術(shù)三.理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)概念 結(jié)構(gòu)在(靜定或超靜定)載荷作用下的內(nèi)力分布;結(jié)構(gòu)抵御變形和破壞的能力。問題描述 結(jié)構(gòu)+載荷+約束應(yīng)力(應(yīng)變)。強(qiáng)度校核準(zhǔn)則第一強(qiáng)度理論(拉應(yīng)力—脆性材料)第二強(qiáng)度理論(最大伸長線應(yīng)變—脆性材料受壓)第三強(qiáng)度理論(最大切應(yīng)力—壓力容器)第四強(qiáng)度理論(應(yīng)變能—常用)三.理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)三.理論基礎(chǔ)彈性力學(xué)基本方程三.理論基礎(chǔ)彈性力學(xué)基本方程三.理論基礎(chǔ)有限元法示意(1)三.理論基礎(chǔ)有限元法示意(1)三.理論基礎(chǔ)有限元法示意(2)三.理論基礎(chǔ)有限元法示意(2)三.理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)基礎(chǔ)研究對象

研究由剛體及柔性體所組成的系統(tǒng)經(jīng)歷大范圍空間運動時的動力學(xué)行為。幾個基本概念物體:多體系統(tǒng)中的構(gòu)件鉸(約束副):限制相對運動(運動學(xué)約束和驅(qū)動約束)外力:系統(tǒng)外物體對系統(tǒng)中物體的作用力元:系統(tǒng)中物體間相互作用坐標(biāo):(注意力學(xué)中慣性坐標(biāo)系與非慣性坐標(biāo)系的應(yīng)用)三.理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)基礎(chǔ)三.理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)基本方程矢量力學(xué)方法 利用牛頓定律、虛功原理、達(dá)朗貝爾原理等建立矢量力學(xué)方程并求解分析力學(xué)方法 選擇廣義坐標(biāo)系,建立拉格朗日方程并求解動力學(xué)普遍方程

一般拉格朗日方程

三.理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)基本方程動力學(xué)普遍方程一般拉格朗日方三.理論基礎(chǔ)拉格朗日方法 利用鉸鄰接的一對物體為單元建立拉格朗日方程笛卡爾方法。 利用各物體為單元建立動力學(xué)普遍方程,并給出約束限制多體動力學(xué)計算方法三.理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)計算方法三.理論基礎(chǔ)流場基本方程三.理論基礎(chǔ)流場基本方程三.理論基礎(chǔ)有限體積法示意i-1,ji+1,ji,j-1i,j+12431Vi,jA3A1A4A2三.理論基礎(chǔ)有限體積法示意i-1,ji+1,ji,j-CAE技術(shù)及其航天領(lǐng)域的應(yīng)用傅德彬CAE技術(shù)及其航天領(lǐng)域的應(yīng)用傅德彬諸論----初識CAE兩個問題:

計算機(jī)在現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著怎樣的作用?計算機(jī)如何幫助解決科學(xué)研究和工程設(shè)計中的問題?信息存儲信息傳遞(數(shù)值)計算諸論----初識CAE兩個問題:信息存儲諸論----初識CAE三個情況現(xiàn)代計算機(jī)的誕生是為了解決核爆炸中的計算問題(以計算機(jī)為工具的)數(shù)值計算已成為理論分析、實驗分析之外的新的研究手段高速計算機(jī)依然為解決科學(xué)計算中的復(fù)雜問題而不斷推陳出新

在過去、現(xiàn)在和將來,計算與仿真都是計算機(jī)主要的功能和發(fā)展的動力諸論----初識CAE三個情況在過去、現(xiàn)在和將來諸論----初識CAECAE(ComputerAidedEngineering)

計算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。 在這里所介紹的CAE還包括CFD(ComputationalFluidDynamic)、計算多體動力學(xué)(ComputationalDynamicofMulti-bodySystem)等其它利用計算機(jī)輔助求解的數(shù)值計算方法。諸論----初識CAECAE(ComputerAided諸論----初識CAE齒輪接觸應(yīng)力分析V式6缸發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力分析整車碰撞模擬諸論----初識CAE齒輪接觸應(yīng)力分析V式6缸發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場分析隱身特性分析諸論----初識CAE飛行過程表面壓力分布垂直起降飛行器流場諸論----初識CAE大型建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核魚游動特性分析芯片散熱特性諸論----初識CAE大型建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核魚游動特性分析芯片諸論----初識CAE結(jié)構(gòu)碰撞(瞬態(tài)動力學(xué))諸論----初識CAE結(jié)構(gòu)碰撞(瞬態(tài)動力學(xué))諸論----初識CAE多體動力學(xué)發(fā)射過程諸論----初識CAE多體動力學(xué)發(fā)射過程諸論----初識CAE流動分析諸論----初識CAE流動分析諸論----課程概況課程目標(biāo)掌握CAE的基本概念和一般應(yīng)用重點掌握有限元分析基本概念,學(xué)會應(yīng)用ANSY工具軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)(多體動力學(xué))基本概念,學(xué)會應(yīng)用Adams工具軟件進(jìn)行多體動力學(xué)分析掌握CFD基本概念,學(xué)會應(yīng)用Fluent進(jìn)行簡單流場分析諸論----課程概況課程目標(biāo)諸論----課程概況課程內(nèi)容CAE概況與分析思路Ansys入門與提高(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))有限元分析基礎(chǔ)Adams入門(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))虛擬樣機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)Fluent入門(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))CFD基礎(chǔ)CAE在航天領(lǐng)域的應(yīng)用(上機(jī)培訓(xùn)與練習(xí))諸論----課程概況課程內(nèi)容諸論----課程概況課程要求積極實踐(上機(jī)操作,課后練習(xí))加強(qiáng)基礎(chǔ)(了解數(shù)值計算基礎(chǔ)和專業(yè)理論)提高理論(利用數(shù)值方法對理論中涉及的問題進(jìn)行驗證分析)考核方式平時成績(30%)上機(jī)操作(40%)理論考核(30%)諸論----課程概況課程要求一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中,利用計算機(jī)進(jìn)行建模及性能仿真分析性能仿真的內(nèi)容涉及產(chǎn)品(或系統(tǒng))的力學(xué)性能(變形,應(yīng)力)、熱學(xué)性能、流動性能、振動特性和噪聲控制等可替代大多數(shù)昂貴而費時的物理樣機(jī)實驗,即用數(shù)字化樣機(jī)取代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)實驗廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域什么是CAE(計算機(jī)輔助工程)一.CAE概況CAE是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中,利用計算機(jī)進(jìn)行建一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機(jī)技術(shù),節(jié)省了大量物理樣機(jī)試飛次數(shù),僅一次試飛即獲得成功,每次物理樣機(jī)實驗需花費1億美元CAE技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用,使新車開發(fā)周期由原來的5~6年縮減到現(xiàn)在的1~2年美國NASA的噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)應(yīng)用CAE技術(shù)成功地實現(xiàn)了火星探測器“勇氣號”、“機(jī)遇號”在火星上的軟著陸仿真分析。仿真結(jié)果預(yù)測到由于制動火箭和火星風(fēng)的相互作用,使探測器在著陸時可能出現(xiàn)翻滾,從而改進(jìn)了技術(shù)方案,保證了登陸成功

為什么用CAE一.CAE概況波音777的研發(fā)過程中采用CAE數(shù)字化樣機(jī)技

方案設(shè)計

建模物理建模,數(shù)學(xué)建模,計算建模

仿真計算機(jī)仿真,解析方法,實驗方法

結(jié)果可視化照片,錄像帶,計算機(jī)圖形,虛擬現(xiàn)實

詳細(xì)設(shè)計

物理樣機(jī)制造

物理樣機(jī)測試

批量生產(chǎn)

虛擬樣機(jī)分析

一.CAE概況產(chǎn)品研發(fā)的一般過程方案設(shè)計建模仿真結(jié)果可視化一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE解決問題的一般過程一.CAE概況CAE相關(guān)課程材料力學(xué),彈性力學(xué)流體力學(xué),熱力學(xué)等理論力學(xué),機(jī)械原理,機(jī)械振動計算機(jī)三維造型(CAD技術(shù))有限元分析(有限元理論及軟件的使用)虛擬樣機(jī)理論及應(yīng)用(多體系統(tǒng)動力學(xué)理論)計算流體力學(xué)(CFD)一.CAE概況CAE相關(guān)課程材料力學(xué),彈性力學(xué)一.CAE概況CAE應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包括:CAD/CAE/CAM/PLMCAD已普及(大多數(shù)工程師必須掌握)CAM/PLM仍處于研發(fā)階段CAE在發(fā)達(dá)國家及一些大公司中利用CAE技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計以降低成本,縮短研發(fā)周期已達(dá)80%~95%CAE的應(yīng)用已含蓋機(jī)械工程的各個方面(包括運動分析,動力學(xué)分析,強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析,液壓傳動分析,振動和噪聲的控制等)CAE方面的專業(yè)人才短缺(包括發(fā)達(dá)國家)一.CAE概況CAE應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)有先進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)包括:C一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PLM的軟件被廣泛應(yīng)用(“CAE計算器”)每個工程師都具備CAE的知識和能力大規(guī)模、多尺度、多場耦合分析,虛擬工程CAE全球化(如中國、印度的工程師承接美國的CAE項目)在線分析:新一代高速因特網(wǎng)實現(xiàn)軟件共享,協(xié)同分析打好基礎(chǔ),做好準(zhǔn)備,適應(yīng)未來發(fā)展的需要一.CAE概況CAE的未來CAD/CAE/CAM/PL二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法,求解問題包羅萬象,幾乎涵蓋各個學(xué)科及各個工程領(lǐng)域。技術(shù)最成熟,商業(yè)軟件十分豐富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…二.CAE方法體系及軟件有限元法CAE的最主要方法二.CAE方法體系及軟件有限差分法

最早的數(shù)值分析方法,使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,不需要域積分,建模、計算簡單。適于分析幾何形狀簡單的問題,尤其是流動性問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件有限差分法最早的數(shù)值分二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有限元法(歐拉結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)。多用于分析流體動力學(xué)問題。被大多數(shù)商業(yè)流體分析軟件采用,如FLUENT,CFX…二.CAE方法體系及軟件有限體積法一種特殊形式的有二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上劃分網(wǎng)格,適于分析無界、連續(xù)介質(zhì)問題,如聲學(xué)問題和波的傳播問題。商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件邊界元法僅在分析域的邊界上二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法

一種最新的數(shù)值分析方法。多用于分析受網(wǎng)格劃分的限制,采用有限元法而不易解決的問題。如大變形、裂紋擴(kuò)展、爆炸等,商業(yè)軟件很少。二.CAE方法體系及軟件無網(wǎng)格法一種最新的二.CAE方法體系及軟件基于多體動力學(xué)的虛擬樣機(jī)技術(shù)

針對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的整機(jī)性能優(yōu)化技術(shù)。所建立的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)-液-控的耦合。商業(yè)分

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