单位文秘网 2021-07-22 08:19:53 点击: 次
摘要 计算机辅助工程,即CAE(Computer Aided Engineering),是一个涉及面广、集多学科与工程技术于一体的综合性、知识密集型技术。在产品开发阶段,企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测,确定产品和零件的相关技术参数,发现产品缺陷、优化产品设计,并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因,分析质量因素等。目前,CAE主要应用于汽车、航空、电子、土木工程、通用机械、兵器、核能、石油和化工等行业。本文主要阐述了计算机辅助工程的发展过程,介绍了计算机辅助工程软件的分类和应用现状,并着重对有限元软件ABAQUS的应用架构进行了详细介绍。
关键词 计算机辅助工程;有限元;ABAQUS
中图分类号TB237文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)25-0232-02
1 CAE技术发展概述
CAE是以有限元法、有限差分法及有限体积法为数学基础发展起来的。其中有限元分析在CAE中运用最广,基于有限元技术的CAE软件,在数量及应用范围上都处于主要地位。有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个简单单元的组合,用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体,从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后,通过对其中各个单元进行单元分析,最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加,解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。
CAE技术发展大致可分为4个阶段(与计算机硬件发展密切相关):第一阶段是上世纪五六十年代,主要开发基本的结构分析程序,基于力法和简单的二维和三维位移有限元法;第二阶段是上世纪七十年代,主要开发通用有限元程序,如NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等,也产生了混合元和杂交元理论,形成高效数值求解器,线性静力问题求解基本成熟;第三阶段是上世纪八十年代,主要完善及扩充通用有限元软件,产生了结构优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统,出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值方法联合求解技术;第四阶段从上世纪九十年代中期至今,是微机、网络和仿真时代,一方面,计算结构技术软件适应新的计算机环境;另一方面,计算结构技术与其他学科的综合技术发展迅速,迎来了结构仿真和虚拟验证时代的到来。
国内的发展从70年代末开始起步,与国际发展对应,可分为两个发展阶段。第一阶段, 80年代至90年代中期,是一个快速发展期,开发了大量结构分析软件和CAE软件。
经过几十年的发展,CAE软件分析的对象逐渐由线性系统发展到非线性系统,由单一的物理场发展到多场耦合系统,并在航空、航天、机械、建筑、土木工程、爆破等领域获得了成功的应用。并随着计算机技术、CAD技术、CAPP技术、CAM技术、PDM技术和ERP技术的发展,CAE技术逐渐与它们相互渗透,向多种信息技术的集成方向发展[1]。
2 CAE软件分类及应用现状
CAE软件通常可以分为通用软件和行业专业软件。通用软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,其覆盖的应用范围比较广。目前,国际上应用的通用软件主要包括:MSC公司的MSC.Nastran、MSC.Marc、MSC.Dytran,ANSYS公司的ANSYS,HKS公司的ABAQUS,LSTC公司的LS-Dyna,NEI公司的NE/Nastran,ADINA公司的ADINA,比利时Samtech公司的Semcef,EDS公司的I-DEAS,SRAC公司的COSMOS,ALGOR公司的ALGOR等。在行业内一般分为线性分析软件、一般非线性分析软件和显示高度非线性分析软件。例如,Nastran、ANSYS、Samcef、I-DEAS都在线性分析方面具有自己的优势,Marc、ABAQUS/Standard、Samcef/Mecano和ADINA在隐式非线性(lmlicit nonlinear)分析方面各具特点;MSC.Dytran、LS-Dyna、ABAQUS/Explicit、Pam-Crash、和Radioss是显示算法非线性(explicitnonlinear)分析软件的代表;LS-Dyna在结构分析方面见长,是汽车碰撞分析(crash)和安全性分析(safety)的首选工具;而MSC.Dytran在流-固耦合分析方面见长,在汽车缓冲气囊和国防领域应用广泛[2]。
3 CAE软件-ABAQUS应用架构
ABAQUS是功能强大的大型通用有限元分析软件,可以分析复杂固体力学和结构力学系统,模拟非常复杂庞大的模型,处理高度非线性问题,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换。
3.1 ABAQUS主要分析功能
1)静态应力/位移分析:包括线性、材料非线性、几何非线性、结构断裂分析等;
2)动态分析:包括频率提取分析、瞬态响应分析、稳态响应分析、随机响应分析等;
3)非线性动态应力/位移分析:包括各种随时间变化的大位移分析、接触分析等;
4)粘弹性/粘塑性响应分析:粘弹性/粘塑性材料结构的响应分析;
5)热传导分析:传导、辐射和对流的瞬态或稳态分析;
6)退火成形过程分析:对材料退火热处理过程的模拟;
7)质量扩散分析:静水压力造成的质量扩散和渗流分析等;
8)准静态分析:应用显示积分方法求解静态和冲压等准静态问题;
9)耦合分析:热/力耦合、热/电耦合、压/电耦合、流/力耦合、声/力耦合等;
10)海洋工程结构分析:模拟海洋工程的特殊载荷,例如,流载荷、浮力、惯性力;分析海洋工程的特殊结构,例如,锚链、管道、电缆;模拟海洋工程的特殊连接,例如,土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动;
11)瞬态温度/位移耦合分析:力学和热响应耦合问题;
12)疲劳分析:根据结构和材料的受载情况统计,进行疲劳寿命预估;
13)水下冲击分析:对冲击载荷作用下的水下结构进行分析;
14)设计灵敏度分析:对结构参数进行灵敏度分析,并据此进行结构的优化设计。
3.2 ABAQUS的主要模块
有限元分析通常包括以下3个步骤:前处理、分析计算和后处理。ABAQUS主要包括以下模块:
1)前处理和后处理
ABAQUS/CAE全面支持求解器的前后处理:采用现代CAD系统普遍采用的基于“特征” 的参数化建模方法,方便快捷地构造模型;为部件定义材料特征、载荷、边界条件等模型参数;具有强大的网格划分功能,并可检验所构造的分析模型,提交、监视和控制分析作业。ABAQUS/CAE的后处理部分又称为ABAQUS/Viewer,分析完成后使用后处理模块读入分析结果数据,以多种方法显示分析结果,包括彩色云纹图、动画、变形图和XY曲线图等。
2)主求解器模块
ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit是ABAQUS的两个主求解器模块:前者能够求解广泛领域的线性和非线性问题,在每一个求解增量步中隐式地求解方程组,对各种大规模计算问题都能十分可靠地快速求解;后者可以进行显式动态分析,它适用于求解复杂非线性动力学问题和准静态问题,特别是用于模拟短暂、瞬时的动态事件、如冲击和爆炸问题。此外,它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效,如模拟成形问题[3- 4]。
3.3ABAQUS应用举例
在现代机身结构中,由于大量采用复合材料,大量的设计需要重新做实验、重新分析,大量的新材料和新结构,将导致大量的实验费用。所以必须利用有限元分析的方法,通过模拟仿真,提前找到结构设计的规律、避免设计缺陷,以减少实验的次数,节省巨额的实验费用。
在航空、航天、汽车结构中大量存在着各种管道零部件,可能涉及到不锈钢、特种钢、合金、橡胶、复合材料、高分子材料等一种或多种材料并存,力学性能从简单线弹性到极端复杂的各向异性。一些特殊用途的管道可能还具有连续屈服特征,无明显的屈服平台,延伸率非常大,明显的各向异性,横向拉伸的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比纵向拉伸的高等特性。往往,结构的截面形状和尺寸对抗拉强度也有一定的影响,而对屈服强度影响不大。同时,由于材料内部的缺陷引起的沿厚度方向强度降低和横向拉应力的作用,断裂时在结构特定区域出现分层开裂等。在实际分析中,往往需要作适当简化,但这种数字化的模拟却是现代工业生产必不可少的步骤之一。
在轧制工字钢、槽钢等带凸缘的异型断面型钢时,传统上最多的加工方法多采用二辊孔型、直轧孔型、弯腰式孔型、弯腰大斜度式孔型以及蝶式孔型等孔型系统,辅助ABAQUS软件进行有限元仿真分析,可以对孔型横断面上各处变形进行精确模拟,能够有效解决轧辊、动力消耗大,产品尺寸精度、轧制效率等问题[5]。
4 结论
随着计算机技术的发展,CAE技术获得越来越广泛的应用,这不仅能够有效地改变设计思想和方法,提高设计能力和技术创新能力,还可以大大降低实验费用,提高效率。
参考文献
[1]杨朝丽.计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述[J].昆明大学学报,2003,2.
[2]马爱军,周传月,王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.
[4]刘展.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2008.
[5].cn.
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