計算機輔助工程-CAE課件

計算機輔助工程——CAE匯報人：高菲李先飛劉華羽指導老師：高琦教授

CAE定義CAE在綜合階段的應用CAE在分析階段的應用CAE在評價階段的應用成組技術和生產工程策略設計與生產工程網(wǎng)絡123456目錄1.CAE定義CAE（Computer-AidedEngineering）是利用計算機技術對工程設計進行分析和評價，計算出產品的工作參數(shù)、性能參數(shù)和制造參數(shù)，這些復雜參數(shù)使用傳統(tǒng)的人工方法將難以完成。CAE在設計過程中應用于綜合、分析和評價階段2.CAE在設計綜合階段的應用在設計過程的綜合階段，CAE的主要工作是使用面向制造和裝配設計方法原理處理生產能力問題。即通過增加基本幾何細節(jié)來完善產品，通過運用面向制造和裝配的設計方法（DFMA）的準則和約束來修改產品。2.1DFMA發(fā)展因素：可加工性工程面向裝配的設計方法（DFA）

面向制造的設計方法（DFM）DFADFMDFMA？？？2.1.1DFA——面向裝配的設計方法定義：指在產品設計階段設計產品使得產品具有良好的可裝配性，確保裝配工序簡單、裝配效率高、裝配質量高、裝配不良率低和裝配成本低。基本原理：通過取消和合并的方法來減少零件數(shù)量，從而獲得簡單化的產品結構。主要作用：制定裝配工藝規(guī)劃，考慮拆裝的可行性;

優(yōu)化裝配的路徑;

在結構設計過程中通過裝配仿真考慮裝配干涉。2.1.2DFM——面向制造的設計方法定義：主要研究產品本身的物理設計與制造系統(tǒng)各部分之間的相互關系，并把它用于產品設計中以便將整個制造系統(tǒng)融合在一起進行總體優(yōu)化?；舅枷耄涸诋a品設計時要同時考慮制造的可能性、高效性和經(jīng)濟性，即產品的可制造性或工藝性。2.1.3DFMA——面向制造和裝配的設計方法定義：是一個設計過程，該過程從產品設計的一開始就考慮生產因素?；纠砟睿簽榱嗽谥圃祀A段，以最短的周期、最低的成本、最好的質量達到最高可能的產量。涉及產品開發(fā)的制造、裝配、檢測、維護、報廢處理等各個階段。DFMDFMADFA

DFMA合理性：早期設計階段，產品的材料、工藝和裝配要求等關鍵設計一旦確定，產品的成本也就確定下來。

設計后期除成本因素外，質量問題也是低劣設計的產物。而DFMA的最大成效在于產品零件數(shù)量的減少。獨立零件之間的結合面是產品失效和質量低下的主要根源，可提高產品質量，減少總成本。同時也減少了沖壓模、鑄模、沖壓機、裝配操作、庫存、物料運輸和各類技術文件數(shù)量，增加產品可靠性。

DFMA的人工方法：DFMA方法有人工和基于計算機兩種。從人工方法來看，在設計期間，DFMA逐一向設計人員詢問有關零件功能、材料限制和裝配時零件存取等問題。DFMA軟件計算裝配時間、產品成本和理論上的基準最小零件數(shù)。目的是獲得最高的零件生產成本效率。發(fā)展首先從效果顯著的DFA開始。在產品設計方法改進后，裝配變得更容易且更快速，成本也被減少。分析設計質量的方法：（1）十條設計準則（2）裝配方法評分表

DFMA的計算機方法：采用DFMA的CAE軟件通過成本計算，幫助設計人員分析備選方案。使用DFMA軟件時，設計人員輸入零件的設計參數(shù)，軟件對備選設計方案進行定量分析。DFMA設計的結果很可能出現(xiàn)更為復雜的單個部件，但最終能設計出較為簡單的產品結構，使得產品成本較為低廉。DFMA優(yōu)點：（1）減少50%之多的設計周期（2）減少30%~70%的零件數(shù)量（3）減少50%~80%的裝配時間3.CAE在設計分析階段的應用

測試產品需要多種CAE軟件，且所選軟件應滿足預期的測試類型。大多數(shù)情況下，CAE的輸入數(shù)據(jù)是CAD中建立的產品圖形。

CAD中產生的幾何造型被用作CAE軟件的分析數(shù)據(jù)。CAE應用：有限元分析（FEA）質量特性分析3.1FEA——有限元分析定義：FEA是一種數(shù)字編程技術，它通過把研究對象劃分為許多稱之為“有限元”的構造單元，來分析和研究某個結構或電路的功能特性。軟件分類：機械系統(tǒng)和電子電路。分析步驟：可分成前置處理、計算求解和后置處理三個階段。前置處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后置處理則是采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結果。離散化位移插值局部坐標系中有限元方程的形成坐標變換整體有限元方程的組裝施加位移約束求解FEA軟件應用：

靜態(tài)分析

瞬時動態(tài)分析

固有頻率分析

熱傳導分析

運動分析

流動性分析

機械運動分析FEA成功的關鍵在于選擇網(wǎng)格，網(wǎng)格單元在結點處連接。網(wǎng)格單元的大小和位置對獲得有效的結果至關重要。通常幾何實體上某處要求分析的效果越明顯，網(wǎng)格單元越小。3.2質量特性分析對分析產品零件的重要性：質量特性分析是設計中常用到的CAE功能。質量特性分析命令通知CAD系統(tǒng)并返回數(shù)值，從而可生成分析質量、邊界框、質心、慣性矩、慣性積等幾何參數(shù)。對制造企業(yè)的重要性：與CAD系統(tǒng)共同確定零件的標準；

CAD數(shù)據(jù)文件的傳送與共享。與DFMA結合：從質量分析軟件獲得數(shù)據(jù)；

從質量特性分析軟件獲得精準參數(shù)值。3.3其他CAE設計和分析軟件回路分析軟件：完成電子電路的數(shù)字分析以確定電子的性能和極端工作條件，可分析任何類型的電路。裝配干涉和公差配合軟件：用于機械零部件的設計與分析。典型代表是Valisys軟件包，展示了如何生成和采集相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)，同時強調了產品設計、制造和質量間的嚴格關系。Valisys工作模塊設計驗證公差分析質量工程檢驗過程控制按照尺寸與公差標準檢查相關信息，使用現(xiàn)有的零件幾何體建立一個“軟量規(guī)”，即硬量規(guī)的線框模型，投資較少有更高質量的檢測效果。可在最大公差條件下分析裝配件之間的配合，設計時考慮零件的配合。幾何造型優(yōu)化設計、圖紙文本空間及緊固件都由軟件自動完成。質量工程功能可完成對已加工零件的檢驗?？墒褂貌杉降臄?shù)據(jù)建立一個“在建”零件的聯(lián)機圖形模型，比較模型與軟量規(guī)，可知零件是否已通過檢驗?？梢钥刂茰y量儀器，并確定零件是否是被接納或被拒絕。根據(jù)在質量檢測階段獲取的數(shù)據(jù)，產生改進工藝的建議。采集質量數(shù)據(jù)并且生成統(tǒng)計過程控制（SPC）必須的控制圖。采集的數(shù)據(jù)用來確定制造過程的精確性和反復性，確定在建零件與設計特征的接近程度，也用來預測加工過程的趨向。4.CAE在設計評價階段的應用

設計評價過程需要對分析過程中得到的大量數(shù)據(jù)進行審查，從而確定實際設計目標和參數(shù)之間的一致程度。但由于設計的反復性，難以劃分CAE功能與分析和評價功能之間的界限，在設計階段，CAE功能是“原型”。

“原型”是一個設計的功能模型，在產品正式投入生產之前，用來評價產品的工作性能。

原型的形式由期望測試的內容而定。建造普通原型的就是常規(guī)的生產設備，多為有色金屬或者塑料。然而，面對復雜的注塑模零件，制造原型的工藝難度也會加大。原型設計仍然是一個關鍵的評價過程，要縮短市場前置時間就要求更加快速的原型技術。4.1原型概念：虛擬原型是一個由零件構造機器部件或產品的過程，零件由不同的設計師設計完成。缺陷：虛擬模型的效果不明顯，因為對應的CAD數(shù)據(jù)集成相當困難，它必須由對CAD軟件和模型軟件二者都熟悉的編程人員實現(xiàn)。模型軟件：1）CATIA、SolidWorks、SolidEdge、Pro/E等都能導入部件的簡化面模型，但是僅僅是顯示不能修改，甚至沒有內部細節(jié)。

2）

IXdesign系統(tǒng)和Alibre系統(tǒng)提供的模型軟件更趨于理想，由中心服務器控制大型的機器模型，在設計子部件時可看到機器的其他細節(jié)

3）

Accupak軟件可提供虛擬原型的線性和非線性應力分析功能。通過計算機模擬機械運動，該軟件也可采用虛擬測試代替物理測試。。4.2虛擬原型4.3快速原型

快速原型將零件的3D（即實體）CAD模型在系統(tǒng)內“切成”一個個很薄的水平面，然后逐層將他們轉化為物理模型，即原型?？焖僭妥鳛橐环N為新設計快速建造模型的技術，核心是增材制造，綠色制造?？焖僭拖到y(tǒng)運行于精簡指令集（RISC）工作站，以CAD3D全封閉表面模型（實體模型文件）為基礎，CAD將幾何體轉化為與快速原型系統(tǒng)兼容的文件格式，大多數(shù)快速原型系統(tǒng)使用STL格式。

主要是為了分析評價，相對于“原型”，周期短，速度快。4.3.1激光后固化成型(SLA)

激光后固化造型：使用一箱感光性液態(tài)聚合物，在聚合物箱內放置一個垂直升降控制臺和一個在聚合物液體表面聚焦的伺服激光裝置。

原理：

造型系統(tǒng)的計算機讀取原型零件的STLCAD文件，然后將零件自上而下切成一些橫截面，計算機系統(tǒng)將這些橫截面數(shù)據(jù)以SLI文件，建立控制激光和升降臺的文件。激光掃描最下面穿過橫截面的區(qū)域，使這部分固化，然后升降臺下降一個截面厚度，層與層涂上一層液體樹脂，激光將下一截面固化，如此反復，直至整個零件形成。適用范圍：適用于要求精度不高、重視細節(jié)而又不需要嚴格物理測試的原型

4.3.2選擇性激光燒結（SLS）選擇性激光燒結：使用以上高能二氧化碳激光將粉末融化（即燒結）成固體零件。原理：與激光固化造型技術原理相似，SLS激光束跟蹤每一個橫截面的形狀，融化粉末薄層。然后機械滾子在已完成層再撒一層粉末，激光再跟蹤下一層橫截面，如此反復，直至形成完整零部件。適用范圍：適合生成那些要求有優(yōu)越性的材料性能，或必須暴露在露天、化學物或高溫等環(huán)境的零件。4.3.3三維打?。?DP)三維打?。耗壳白盍餍械母拍罱Ｏ到y(tǒng)，它誕生于麻省理工學院MIT該工藝將粉狀材料一次撒一薄層。粉狀材料可以是任何材料，包括陶瓷、金屬、聚合物和合成物。然把粘性豁結劑添加到零件的橫截面區(qū)域或零件的模子上。原理：3DP是一層一層地生成整個零件，其過程與SLS相似。每一層首先在粉床表面撒上一薄層粉末，然后黏結劑有選擇地添加上去，形成零件。支撐粉床的活塞一步步地降低，所以下一層粉能夠撒上去。這樣的一層一層的過程一直重復到零件完成后結束。零件形成后，還要用蠟、氰基丙烯酸鹽黏結劑或雙環(huán)氧醋來滲透以增加強度。3DP優(yōu)點：

幾何形狀適應性強，無需為懸掛部分、側面凹槽和內部空腔設置支撐，

任何顏色的材料，只要能制成粉狀，都能使用。

3DP的速度很快。3DP缺點：它不能獲得激光后固化造型技術的表面質量和精度。4.3.4熔融沉積造型（FDM）

熔融沉積造型：一種將各種熱熔性的絲狀材料(蠟、ABS和尼龍等)加熱熔化成形的方法。

原理：熔融沉積造型原理和前面類似，先進行SLT文件類型轉化，然后塑料或者臘等基材被從噴頭中擠出，噴頭會把基材加熱至熔解溫度，從而確保從噴頭流出后基材立刻凝固。當噴頭沿著希望的軌跡移動時，被擠出的基材便形成了截面。一個截面完成后，打印底座降低，噴頭進行下一層的噴涂。FDM的優(yōu)點：(1)快速，材料相對便宜；(2)系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學物質的危險，工藝干凈、簡單、易于操作且不產生垃圾。FDM的缺點：

(1)精度低，某些模型表面呈顆粒狀，表面質量優(yōu)于激光燒結而遜于激光后固化造型；(2)沿成型軸垂直方向的強度比較弱；(3)需要設計與制作支撐結構。4.3.5層積物制造(LOM)層積物制造：由美國Helisys于1986年研制成功，采用薄片材料。原理：LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。1)片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。2)加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接。3)用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內切割出上下對齊的網(wǎng)格。4)激光切割完成后，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材分離。5)供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域。6)工作合上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚。7)再在新層上切割截面輪廓。8)如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完。9)去除切碎的多余部分，得到分層制造的實體零件。LOM優(yōu)點：

（1）成型效率高，LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此成型厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件；（2）無翹曲變形，工藝過程中不存在材料相變，因此沒有熱應力、膨脹和收縮不易引起翹曲變形；（3）無需加支撐，工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐。LOM缺點：材料浪費嚴重，表面質量差。4.3.6多孔噴射造型(MJM)

多孔噴射造型(MJM)是被稱為概念造型的3DP快速原型技術的一種。概念造型方法用來制造強度相對較低的零件，可以快速地、低成本地對產品的早期設計進行評估。在概念造型方法中，3DP對大型零件較好，MJM加則對小型的、突出細部結構的零件更好。

MJM的真正優(yōu)勢在于它的零件細節(jié)和表面質量較好。原理：將融化的蠟狀材料噴灑到平臺上，噴灑工具是打印頭，打印頭噴出墨滴徑向尺寸極小，當墨滴落在零件表面時，它速度冷卻、變硬。一層完成后，生成平臺將下降一個薄層厚度，然后再噴灑新的一層，零件完成后，支撐被清除掉。4.4快速原型的現(xiàn)在和未來在最近的五年內，快速原型已經(jīng)取得了長足的進步。較大的制造廠商對快速原型部門的投資驅動帶動了系統(tǒng)的銷售，較小的生產廠商通過購買服務商的機器使用時間來滿足他們對快速原型系統(tǒng)的需求。快速原型在未來變化的趨勢還是清楚的。在設備方面，將會在精度和工藝速度上有所改進，從材料著眼，當前材料的改進和新材料的引進都將提高原型的穩(wěn)定性、強度和耐用性。這些變化將使快速原型技術向前邁進到定制加工的時代，制造業(yè)仍是主要用戶，醫(yī)學應用也開始啟動。5.成組技術市場競爭日益激烈，產品跟新?lián)Q代快，產品品種增多，但每種產品生產的數(shù)量卻不多，企業(yè)在生產一些產品時采用單件小批量生產，但是這種模式往往存在生產率低、生產周期長、產品成本高、競爭力差的問題。

成組技術是一種揭示和利用事物間的相似性，按照一定的準則分類成組，同組事物能夠采用同一方法進行處理，將產品以中小批模式生產，以便提高效益的技術。

成組技術的定義：

GT是一種制造方法，它利用零部件設計上的和(或)制造工藝上的相似性，將他們組成小批或中批生產。

原理：應用成組技術時，使用專用制造單元，符合編碼條件的零件編成一個零件組，并且在同一套專用于該組零件的機器上生產。

優(yōu)點：

縮短提前期和準備時間

減少在制品和成品庫存

減少材料處理時間

簡化生產計劃和控制

有助于成功應用其他生產工程軟件

5.1零件的分類與編碼在運用成組時需要對零件進行編碼、分類。1）編碼編碼是一項系統(tǒng)性的工作，它以零件的主要特征為基礎，為零件建立一套由文字和數(shù)字編程的唯一識別碼。2）分類分類是根據(jù)零件的編碼系統(tǒng)進行編碼后按照零件的編碼值，將零件進行分組，采用不同的相似性標準，將零件劃分為不同的零件組，創(chuàng)建分類碼。常用的編碼結構主要有：分級編碼結構、鏈式編碼結構和混合編碼結構。1）分級編碼結構分級式編碼結構也稱單一編碼結構或樹結構，在分級編碼結構中，碼位之間是隸屬關系，即除第一碼位內的特征碼外，其他各碼位的確切含義都要根據(jù)前一碼位來確定。分級編碼的優(yōu)點是用少量的編碼可以表達很多的信息。唯一的缺點是復雜性隨分支的增加而增加。2）鏈式編碼結構鏈式編碼，也稱多重編碼，是由編碼表或矩陣建立起來的，在鏈式結構中，每個碼位內的各特征碼具有獨立的含義，與前后無關。多重編碼的主要優(yōu)點是緊湊、易用和易擴展。主要缺點是多重編碼缺乏層次結構表現(xiàn)細節(jié)。3）混合編碼結構混合編碼結構結合了分級編碼和單一編碼的優(yōu)點。典型的混合編碼例子是Optiz分類編碼系統(tǒng)。5.2GT生產單元傳統(tǒng)上，批量生產的場地是按功能布置的，即同類產品設備被集中在一起，零件按照加工要求在各機器間傳送，這種方法有一些缺陷：在制品庫存量高、零件運量大、提前期較長和準備時間較長等。成組技術的零件組應用于批量生產，需要將生產設備重新布置，可采用如下方法：1）按照零件族的生產能力來劃分機器設備不同的“組”。2）生產流分析法。根據(jù)生產操作順序和零件的加工工藝進行分組，具有相同或相似工藝的零件被劃分為同一個零件族。5.3生產與過程的建模和仿真生產和過程的建模

由于系統(tǒng)和環(huán)境的復雜性，無論從經(jīng)濟性還是有效性來考慮，都很難甚至不可能以實際系統(tǒng)進行試驗。而模型作為現(xiàn)實系統(tǒng)的簡化、抽象或模擬，是系統(tǒng)涉及的大量因素中的主要因素的映像，它能反映這些主要因素之間的邏輯關系。設計時，分析模塊依靠數(shù)學方程能精確模擬出在研零件、產品和加工系統(tǒng)的性能。生產系統(tǒng)過程建?？梢詭椭斫狻⒎治龊蛢?yōu)化生產過程，為系統(tǒng)描述、評價和決策提供支持，是生產系統(tǒng)過程重構的重要基礎。5.3生產與過程的建模和仿真生產和過程的仿真計算機仿真是建立一套理論的或實際的生產系統(tǒng)和過程系統(tǒng)模型，以評價系統(tǒng)在各種條件和環(huán)境下的性能。生產和過程的仿真的方法通過給出實際生產系統(tǒng)或假設的生產系統(tǒng)的動態(tài)的三維模型，在計算機中再現(xiàn)實際生產系統(tǒng)的設備、工人和分析生產物流與邏輯順序的其它相關因素生產和過程的仿真的目標主要目標是評價系統(tǒng)的可生產性,減少系統(tǒng)運行成本和維護費用。加工仿真的優(yōu)點：（1）優(yōu)化加工方案，驗證生產物流。（2）對制造中的選擇方案(新產品)以及更