大学精品课件:现代制造系统(v4.1)13B CAE其它.ppt
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1、现代制造系统,第13章 现代设计方法(3-4) 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13.3 计算机辅助工程技术,计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)主要指在三维实体模型的基础上,对产品进行结构强度、刚度、弹塑力、动力响应、热传导等力学性能分析。 其主要方法为有限元分析(finite element analysis,FEA),此外还有边界元分析(boundary element analysis,BEA)、
2、机构运动分析、流场分析、电路分析和磁场分析等。,有限元分析(finite element analysis,FEA)分析, 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。 有限元分析的整体思想可概括为“化整为零、积零为整”。,有限元分析的主要步骤: (1)问题及求解域定义。 案例1,求某零件受力后的变形, 首先构造该零件的三维几何模型。,有限元分析的步骤:(2)求解域离散化。 根据一定方法划分单元格,可适当忽略细节。 例如,选择三节点三角形平面作为应力单元。,有限元分析步骤: (3)确定状态变量及控制方法。
3、 根据简单的弹性变形公式, 查找零件材质的相关系数, 计算出局部单元的变形。,有限元分析步骤:(4)单元推导。 从直接受力的单元,逐步计算相邻单元受力。,有限元分析步骤:(5)总装求解。 由局部单元的位移量计算零件总体位移量。,有限元分析步骤:(6)联立方程组求解。 最后显示分析结果, 通常采用应力分析图或位移分析图等形式。,对零件的受力和变形进行分析是保证机械工程质量的基本方法之一,特别是对于载荷较大的重型机械,有限元分析显得必不可少。 参考视频:“大型重工的CAE分析”。 除了校核零件强度这类基本工作外,有限元分析还可进一步用于零件结构的优化研究。 案例2,机床床身结构拓扑优化。 思考:为
4、何要在床身上打孔和安置筋板。,案例2,机床床身的综合载荷图谱:,筋板方案1,筋板方案2,由此获得筋板布置方案:,原始方案,改进方案1,改进方案2,建立原始与改进方案实体模型:,原始方案的应力及变形,改进方案的应力及变形,方案1,方案2,对原始与改进方案实体模型进行受力分析, 选出成本与承载性能综合最优的方案。,除了静力分析,动力和温度也是常见的分析对象。 案例3,引擎管道内流体动态压力分布图。,案例3,引擎管道壁温度分布图:,与CAE相关的概念和技术: 多种CAE分析技术的综合应用: (1)物理引擎; 结合专用的输入、输出设备: (2)虚拟现实; 进一步在制造系统中广泛应用: (3)虚拟设计和
5、虚拟制造。,(1)物理引擎: 应用CAE技术,可以让CAD构造的三维实体根据现实中的物理规律更加真实地运动。 能够实现上述功能的软件开发工具包称为物理引擎,其被广泛地应用于各种仿真工具以及三维游戏中。 参考视频: “刚体破坏模拟“, “水的模拟“, “汽车碰撞模拟“。,(2)虚拟现实(Virtual Reality,VR) : 将物理引擎与一些专用的输入、输出设备配合,让人在计算机构造的虚拟三维环境中体验或练习一些现实中操作。,虚拟现实中常用的输入设备为 数据手套、位置传感器; 常用的输出设备为 虚拟现实头盔。 参考视频: “动作捕捉1”, “动作捕捉2”。,利用虚拟现实技术可以实现对多种复杂
6、操作的模拟,从而减少训练成本。 参考视频:“起重机操作模拟”。,虚拟现实技术在很多领域都有应用。,(3)虚拟设计(virtual design) 和虚拟制造(virtual manufacturing): 虚拟制造除了指虚拟企业(virtual organization)、企业动态联盟(dynamic alliance of enterprises)等跨企业层制造模式外(参考第6.4节) , 另一层含义就是使用虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)建立 零件、产品、加工、装配和车间等模型, 辅助解决实际生产中的各种设计或制造问题, 这也称为虚拟设计或虚拟制造。,虚拟设计和虚拟制造
7、产品模型: 目前三维建模技术在设计领域已普遍使用, 代表软件有 Pro/E、UG、 Solidwork、 ANSYS等。,虚拟设计和虚拟制造加工模型: 目前,Pro/E、UG等主流CAD软件的新版本都提供设备加工建模功能。,虚拟设计和虚拟制造加工模型:,虚拟设计和虚拟制造装配模型:,虚拟设计和虚拟制造车间模型: 指各种仿真类生产过程模型。,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13.4 其它现代设计方法,现代设计理论与方法是目前机械设计相关专业普遍开设的一门课程。 其中“现代”的含义与现代制
8、造系统中“现代”的含义类似,都是指距今50年以内提出的新方法和新技术。 现代设计理论与方法课程通常包括创新设计、有限元分析、优化设计和可靠性设计4大主要部分,而CAD、CAM等内容会有其它课程专门讲授。,参考现代设计理论与方法课程内容,补充其它先进设计方法,本课程将各种现代设计方法按照其主体思想分成4大类: (1)首先是计算机辅助技术, 即利用计算机及相应的软件提高现有设计工作的效率和质量,并降低设计成本。 其中代表性的方法是前面介绍的CAD、CAM和CAE,以及与之相关的CAPP、PDM和虚拟设计等技术。(参考第13.1节至13.3节。),现代设计方法的主体思想: (2)其次是优化设计技术,
9、 即对现有的设计目标精益求精,提高产品的工作精度、简化结构、降低制造成本等。 其中用到的关键技术之一是产品的三维建模技术,这之中CAD与CAE技术的广泛应用功不可没。它们提供了许多传统设计方法难以实现的分析手段。 关键技术之二就是优化算法,除了传统的数学规划方法外,智能优化算法成为近期的研究热点,包括遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法和粒子群算法等(参考第10.3节)。,广义上的优化设计还包括对设计工作上的优化, 除了应用ERP、MES、PDM和CAPP等能够辅助设计管理工作的软件外, 还包括使用一些偏管理方面的现代设计理论,主要有 并行工程(参考第10.1节), 产品全生命周期管理(参考第6.
10、4节), 协同设计(参考第13.2节), 相似性设计(把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法,类似于模块化设计中的系列产品设计),等等。,现代设计方法的主体思想: (3)再次是扩展产品优化目标的范围, 其中当前研究最多的是可靠性设计, 其它还有动态设计、模块化设计、绿色设计和人因工程等。,可靠性设计(reliability design): 可靠性的定义是产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力。 相对于传统研究直接拿平均值定义产品的寿命、强度等质量信息,可靠性研究则通过概率函数模拟产品的质量相关信息,从而可以更准确的描述并且能够更细致地优化这些设计信息。 例如,可靠性设
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