《深度分析计算平台(广工机电cae课题组)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深度分析计算平台(广工机电cae课题组)（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、广东工业大学机电工程学院 计算机集成制造省重点实验室 广州市工业产品设计技术服务平台子平台 联系人：杨志军，博士，教授 13711287640 yangzj 主要内容 数字样机技术 深度分析计算平台简介 深度分析计算平台架构 分析案例 数字样机分析流程 设计问题 节省时间与成本 建造零件实体模型、有限元模 型、系统约束力 测试系统虚拟样机、虚拟试验 机器、虚拟试验场 验证对照物理试验，对操纵性 和平顺性、NVH、耐久性 改进柔性体 力函数 液压 控制 系统 DOE 自动化基于模板的设计，与DMU、 CAD、CAE及PDM集成 结果匹配吗？ 否 是 提高质量提高效率 改进产品 CAE平台组成平台
2、组成 运动/ 动力学 应力 疲劳 非线性 变 形 噪声/ 振动 传导/ 热传导 碰撞/ 冲击 液压/ 控制 CFD多领域 混 合 Adams DADS Simpack RecurDyn FE-Safe Fatige Marc Abaqus Adina Sysnois e AutoSea Ansys Marc Nastran LS- Dyna Dytran Adina Amesim Matlab Adams Star/CD Fluent Flow3D Matlab Dymola Easy5 多体系 统理论 有限元 疲劳 有限元 非线性 有限元 模态 有限元 热传导 有限元 大变形 有限元 CFD
3、 液压控 制论 多领域 仿真 CAD/CAE/CAM技术进入实用阶段，它们主要关注 产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程 分析和制作过程控制和软件工具，达到设计和制造 高质量零件的目的。 CAD 技术基于三维实体几何造型技术，支持产品 零部件的详细结构（参数化）设计和形态分析。 CAE技术主要指利用有限元软件，完成产品零件的 结构分析、热分析、振动特性等功能分析问题。 CAM技术旨在提高产品零部件的可制造性、提供对 机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等 方面更好的控制。 数字样机（或虚拟样机）：以CAX/DFX技术为基 础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心， 融合虚拟现
4、实、仿真技术、三维计算机图形技术，将 分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品 的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形 象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测 试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的 数字化设计方法 平台简介 快速设计中心 （中山大学） 模具设计分析服务 基地 （广州红地技术有 有限公司） 深度分析计算中心 （广东工业大学） 广州市工业产品设计 技术服务平台 网络技术 网络技术网络技术 网络技术 快速制造基地 （广州生产力促进中心） 整合我市与工业产品设计 相关的优质资源，集成产品 设计开发过程中的共性技 术，搭建一个可高度资源共 享、可异地协同的
5、设计服务 平台，在该平台基础上，为 我市制造业、特别是中小企 业的工业产品开发提供先进 设计技术支持与服务。 作为广州市产品设计技术服 务子平台，广东工业大学深 度分析计算中心以数字样机 为中心，以协同仿真计算为 主题，进行科学研究和技术 服务。 深度计算平台组成深度计算平台组成 深度 计算 平台 深度 计算 平台 硬 件 支 撑 硬 件 支 撑 软 件 支 撑 软 件 支 撑 分析平台分析平台 高性能计算机 图形工作站 参数测试及结 果校核 参数测试及结 果校核 应变仪 振动测试仪 测力仪 温度仪 几何建模软件几何建模软件 Pro/E,UG,Solidworks 多体动力学仿真软件多体动力学
6、仿真软件 ADAMS,Recedyn 控制系统仿真软件控制系统仿真软件 Simulink, EASY5 开发辅助建模软件开发辅助建模软件 CablewayBuilder, PrinterBuilder 有限元分析软件有限元分析软件 Nastran,Ansys, Abaqus, Deform, I-DEAS等 模态测试和分析软件模态测试和分析软件 I-DEAS等 开发灵敏度分析软件开发灵敏度分析软件 Sensitivity 机电产品的性能=机构性能（功 能）+结构性能（动态响应特性）+ 控制性能（运动特性） 传统方法：传统方法： 机电产品设计= 机构选型+ 结构设计+控制系统设计 CAE技术引入
7、CAE技术引入： 机构设计：多刚体动力学分析及优化 结构设计：有限元分析（刚度，强度，模态，动力学响应，接触，疲劳等） 控制系统设计：零极点配置，最优控制 本平台多学科协同仿真：本平台多学科协同仿真： 机构结构柔性多体动力学 机构控制系统多刚体动力学控制仿真 机构结构控制系统柔性多体动力学控制仿真 解决方案 (1) 机械设计解决方案(1) 机械设计解决方案 功能要求机构选型机构尺寸优化动力学分析构件结构优 化控制系统联合分析最优控制和运动速度规划疲劳寿命分析 样机制造测试检验 (2) 成型过程解决方案(2) 成型过程解决方案 塑性成型过程仿真材料流动分析模具参数灵敏度分析工艺参数 影响温度、摩
8、擦影响模具参数优化加工温度确定润滑方案确 定工艺参数确定（各配合速度比）的确定 (3) 设计标准的确定(3) 设计标准的确定 设计要求分析极限工况确定刚度分析强度分析振动响应分 析预紧力分析碰撞跌落分析设计参数建议 基础研究和共性技术基础研究和共性技术 轴承、V轨、滚珠丝杠等标准执行部件的动态特性，材料特性，材料疲劳属 性 几何建模 载荷边界条件 网格剖分 确定分系类型 建立载荷工况 计算求解 结果处理 网格质量检查Hypermesh等 Pro/E, UG等 Ansys,Nastran等 参数识别测试 结果检验测试 赋零部件材料属性 建立样机几何模型 添加运动副约束 施加驱动和载荷 联合计算求
9、解 零件有限元模型 超单元（子机构）求解 柔性体模型 多刚体动力学模型柔性多体动力学模型 控制系统模型 状态变量变量化研究参数优化 Pro/E,UG等 A N S Y S 等 A D A M S 等 EASY5等 有限元分析流程多体动力学流程有限元分析流程多体动力学流程 分析流程 分析流程 参数化几何模型 （空间尺寸参数） 参数化有限元模型 （厚度、截面尺寸） 参数化单元模型 (密度、弹性模量) 定义分析类型 施加载荷工况 施加载荷工况 参数优化 形状优化 拓扑优化 综合优化 参数校核 计算求解 灵敏度计算灵敏度综合 目标 判断 模型修改 新的模型 自主开发灵 敏度分析和 快速求解软 件 Y
10、N 优化设计流程自主开发的灵敏度分析软件优化设计流程自主开发的灵敏度分析软件 吹瓶机开吹瓶机开/合模机构凸轮廓线最优化设计合模机构凸轮廓线最优化设计 OR 吹瓶机凸轮开合模系统 开合模机构PID控制系统框 无约束下时间最小的运动曲线 最大超调量约束下时间最小的运动曲线 不同位移偏置量下的接触力 优化后凸轮半径曲线 优化设计后的凸轮 应力响应分布对数应力疲劳寿命 自卸车举升机构受力分析自卸车举升机构受力分析 底盘悬挂系统模型模型参数底盘轴荷 三种载荷下油缸对支座的动反力三种载荷下油缸对支座的动反力 支座有限元动力响应分析结果支座断裂情况 电动汽车车身分析及优化电动汽车车身分析及优化 图1 汽车车
11、身有限元模型图2 车身参与优化部分有限元模型图3 初始结构弯曲工况应力 图5 优化结构弯曲工况应力图6 优化结构扭转工况应力图4 初始结构扭转工况应力 表表1 性能指标变化历程性能指标变化历程 -7.7%+0.4%-13.8%-13.0%最终变化 90.594.7216.6232.0步骤3 87.795.1209.6225.4步骤2 112101182.4199.7步骤1 144156.2155.5168.9基结构 98.194.3251.4266.8初始结构 扭转工况 最大应力(MPa) 弯曲工况 最大应力(MPa) 参与优化部分质量(kg) 总质量(kg) 优化目标： 在 保持扭转刚度 和
12、弯曲刚度下 减轻车身质量。 粘片机焊头机构优化设计和最优运动速度规划粘片机焊头机构优化设计和最优运动速度规划 粘片机从取晶位到固晶位是最 耗时的运动。通过柔性多体系 统拓扑优化，得到满足一定刚 度下低惯性的摆臂结构。再通 过机构动力学与控制系统联合 仿真，得到了满足定位精度下 运动时间最短的最优运动速度 规划。优化后，50ms即可完成 该运动。 内螺纹铜管旋压成型过程（成型过 程） 内螺纹铜管旋压成型过程（成型过 程） 内螺纹铜管旋压过程横截面上的材料流动 内螺纹铜管旋压过程纵向材料流动 内螺纹铜管成型的齿形 内螺纹铜管拉旋压型 内螺纹铜管拉拔成型内螺纹铜管旋压系统 径缩现象 铜管空拉径缩现象
13、 倒圆半径优化消除径缩现象 紧配合过盈量的确定方法（设计标准制定参考）紧配合过盈量的确定方法（设计标准制定参考） 过盈量为0.00mm时的应力过盈量为0.05mm时的应力 过盈量为0.10mm时的应力 正压力(径向力)与过盈量关系剪切力(轴向力) 与过盈量关系 过盈量为0.15mm时的应力 过盈量为0.05mm时的应力 过盈量为0.00mm时的应力 通过建模分析，得到了连接强 度（剪切力和挤压力）与过盈 量的关系，为公差配合提供理 论依据，特别是在没有手册可 查情况下尤为重要。 索道动力学分析 jijijijijijijijijix u L N wzxvyxux L EA F+=)( 2 3
14、jijijijijijjjijijiy v L N wzyvyuxy L EA F+=)( 2 3 jijijijijijijijijiz u L N wzvzyuyz L EA F+=)( 2 3 非线性索单元等效多刚体模型 振动分析（频率为1.5Hz ） 抱索器开始抱索 抱索器抱索状态 大绷轮通过性分析 试验索道整体动力学模型 辅助建模系统 生成带印刷材料的印刷色组 基于ADAMS的印刷设备辅助动力学建模系统界面 目前正在研究方向 高速精密精密运动平台 MEMSMEMS器件的建模仿真器件的建模仿真 2014/3/30 ? 大行程运动大行程运动大行程运动大行程运动 ? 精密定位精密定位精密定
15、位精密定位 ? 高速与高加速度高速与高加速度高速与高加速度高速与高加速度 ? 高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换高速运动与精密定位的频繁切换 （1 1 1 1）IC/LED IC/LED IC/LED IC/LED 引线焊线机引线焊线机引线焊线机引线焊线机 摆杆式焊头结构优化方法比较 图7 摆干式焊头基结构有限元模型图8 结构等效静力学优化结果 图9 机构准静态静力学优化图10 考虑单元修改惯性影响 分别采用结构等效静力学优化(structural)，含运动学自由度的准静态静力学优化 (kinetic)和考虑单元修改惯性影响(kinetic_i
16、nertial)三种方法，对一摆杆是IC封装设备 焊头机构(图7)进行优化设计，并采用柔性多体动力学仿真对三种优化方案在不同的 运动参数下的残余振动进行比较，说明了方法的有效性 。（机械工程学报，EI） 不同优化结构残余振动比较 图11 运动时间为0.1s时不同优化方案的残余振动曲线 （高速） 图12 运动时间为0.01s时不同优化方案的残余振动曲线 （超高速） 图13 运动时间为0.001s时不同优化方案的残余振动曲线 （极速） 数值算例表明，在低速时（图11），三 种优化方法得到的结果动力学响应相当。 随着运动速度的增加（图12），运动副 对结构动力学响应的影响增加。当速度 更高时（图13)，材料的惯性影响更加 严重。该方法可以广泛应用于高速机构 柔性多体动力学优化设计中。 高速轻载机构优化方法 图15 优化过程各中间结构残余振动曲线 图16 优化过程指标变化曲线 随着质量的减少，刚度也会降低，但变形能
