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1、一、CAE的概念与分类,CAE（Computer Aided Engineering）技术，即计算机辅助 工程技术，是一个涉及面广、集多种学科与工程机数于一体的综合 性、知识密集型技术、 CAE软件是包含了数值计算技术、数据库、计算机图形学、工 程分析与仿真等在内的综合型软件系统。 下图为CAE软件的基本结构,ANSYS 的工程应用,用户界面,CAD CAM CAPP ERP PDM ,数据管理系统,数据库,知识库,专家系统,前处理,有限元分析,后处理,静力线性子系统 动力学分析 振动模态分析 热分析子系统 电磁场分析子系统 计算流体子系统 多物理环境子系统 耦合分析,1.1 CAE软件结构示
2、意图,CAE软件可分为专用与通用两类： 专用型软件主要是针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能 分析、预测和优化分析的软件，它以在某个领域中的应用深入而见长，如 美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS/DYNA3D及ETA/FEMB等。 通用型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，以实现产品技术创新的软件。它以覆盖的应用范 围广而著称，如ANSYS、NASTRAN、MARC等。 CAE软件的主要价值在于：在设计阶段，通过对工程和产品进行加 工、性能和安全可靠性的模拟，可以及早发现设计缺陷，并预测工程、产 品的可用性与可靠性，为工程实施、产品创新提供
3、技术保障。,1.2 CAE软件的分类,企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品 创新。 CAD/CAM技术是实现创新的关键手段， CAE技术是实现创新设计的最主要技术保障。 CAE技术的发展动力是CAD/CAM技术水平和应用水平的提高， CAE技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出； CAE软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法， 其核心内容是计算机模拟和仿真。,二、CAE技术特点及应用,三、CAE软件的作用与发展,CAE技术开始于1943年， 真正的CAE软件诞生于20 世纪70年代初期 于80年代中期才逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。 在迅速普及的高
4、性能计算机系统的支持下，CAE软件将成为工程师们实现其工 程创新和产品创新的得力助手和有效工具，并且通过使用CAE软件对其创新的设计 方案快速实施性能和可靠性分析、并进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现 优化设计，在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，缩短研究开发 周期。 CAE软件既然是迅速发展中的计算力学、计算数学、计算机图形学、造型技 术、相关的工程科学、工程管理学科与现代计算机相结合，而形成的一种综合性、 知识密集型信息产品，它也将随着科学技术的迅速发展、知识经济的到来、网络技 术的普及和全球信息化，有一个新的发展，不仅CAE软件的功能会进一步扩充，其 性能也进一步提高
5、，而且伴随网络化、智能化，特别是多媒体和虚拟技术的发展， 用户界面会出现新的变化。,四、ANSYS软件简介,ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大 型CAE通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油 化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电 子、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般 工业及科学研究。该软件可以在大多数计算机及操作系统中运 行，该软件采用MOTIF的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉 式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，大大方便了用户操 作。 ANSYS软件能与大多数CAD软件实现数据共享和交换，它是 现代产品设计中高级的C
6、AD/CAE软件之一。,五、ANSYS软件的组成,主要包括三个部分： 前处理模块： 为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型，该软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 分析计算模块： 包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学 分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理 介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 后处理模块： 可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切 片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计
7、算结 果以图表、曲线形式显示或输出。,六、ANSYS软件的特点,建模能力强 求解能力强 后处理能力强 开放性好,七、ANSYS软件的分析功能,Ansys 软件的基本功能： 1. 结构静力学分析 2. 结构动力学分析 3. 结构非线性分析 4. 运动学分析 5. 热分析 6. 电磁场分析 7.流体动力学分析 8. 声场分析 9. 压电分析,ANSYS高级分析： 1. 多物理场耦合分析 2. 优化设计 3. 拓扑优化 4. 单元的生死 5. 用户可扩展功能 6. 疲劳分析,八、ANSYS软件的分析过程,1.创建有限元模型前处理 2. 施加载荷并求解求解 3. 查看分析结果后处理,创建或输入几何模型
8、 定义单元类型 定义实常数 定义材料属性 划分单元,施加约束条件：位移 施加载荷：集中力、力矩、分布力 求解,查看分析结果 检验结果的正确性,主 要 步 骤,九、ANSYS坐标系和工作平面,坐标系主要用于定义几何结构的空间位置，规定节点自由 度，定义材料的线性方向，改变图形显示和列表。主要有： 总体坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系 局部坐标系： 节点坐标系：定义节点自由度的方向。 单元坐标系：规定正交材料特性方向和面力结果输出方向。 显示坐标系： 结果坐标系： 工作平面是一个无限平面，由原点、二维坐标系捕捉增量 和显示栅格，所有实体模型都在工作平面上生成。,十、ANSYS的实体建模,主
9、要提供了两种建模方法：,自低向上：点 线 面 体,自顶向下：体 面 线 点,还提供了完整布尔运算： 相加、相减、相交、分割、粘结和重叠,还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、复制等功能，以及圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线和面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、复制和删除等附加功能,自由网格划分： 没有单元形状的限制，网格不遵循任何模式， 适用于 对复杂形状的面和体网格划分 映射网格划分： 适合于规则的面和体，单元成行具有明显的规则形状 延伸网格划分： 将一个二维网格延伸成一个三维网格。 自适应网格划分： 生成网格时分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格
10、大小，再次分析和估计离散误差，直至误差低于用户定义点值和定义的求解次数为止。,十一、ANSYS的网格划分功能,十二、平面问题的静力分析,工程上有不少的问题属于平面问题。 平面问题是对实际结构在特殊情况下的一种简化。 在实际问题中，任何一个物体严格地说都是空间问题， 它所受的载荷一般都是空间的。但是，当工程问题中某些结 构或机械零件的形状和载荷情况具有一定特点时，只要经过 适当的简化和抽象处理，就可以归结为平面问题。 平面问题的特点为：将一切现象都看作是在一个平面内发生的。 平面问题分为平面应力问题和平面应变问题。,平面应力问题 载荷作用平行于平板中面且沿厚度均匀分布，板厚远远小于平 面内两个方
11、向的尺寸，沿厚度方向的应力、垂直于厚度方向的平面 内的剪应力都为0，即如下图所示,荷载作用于板的中面,平面应变问题 长度（厚度）远远大于平面内两个方向的尺寸且沿长度荷载作用相同，这类问题可以取其单位长度进行分析，沿长度方向的正应变、长度方向与平面内两个方向的剪应变都为0，即如下图所示：,荷载沿长度不变，取单位长度分析,在对平面应力与平面应变问题进行有限 元分析时，其主要区别在于单元的行为方式不同而已。 平面应力问题有限元分析时要求选用平面应力单元； 平面应变问题有限元分析时要求选用平面应变单元。,下面就是一个典型的平面应力问题 如图所示为一中心有一个圆孔的薄板，薄板的弹性模量为220GPa，泊
12、松比为0.3，薄板平均厚度为0.01mm，在其两端受均布载荷P=1000Pa,求薄板内部的应力场分布（图中单位为mm）,下面就是一个典型的平面应变问题 如图所示为一天然气管道的横截面，在其内表面承受气体压力P的作用，求其管壁的应力场分布： 管道几何参数： 外径0.6m； 内径0.4m； 壁厚0.2m 管道材料参数： 弹性模型E=200Gpa 泊松比v=0.26 载荷： P1MPa,在工程中有不少问题，其几何形状和约束情况都是对称于一个轴（设为Z轴）的。所受的外载荷亦对称于Z轴，则物体中所有的应力分量、应变分量和位移分量也都是对称于Z轴。此时，用柱坐标表达则较为方便，所有各个分量都只是r和Z的函
13、数而与 无关 。这种问题称为空间轴对称问题（或轴对称问题）。利用轴对称问题可以使问题大大简化。,十三、轴对称问题的静力分析,下面就是一个典型的轴对称问题 如图所示一高速旋转轮，角速度为62.8rad/s，边缘受到压力的作用，其压力大小为1MPa。轮内径为5，外径为8，求其应力场分布。,工程中最常见的问题就是三维问题。 在实际问题中，任何一个物体严格地说都是空间物体，它所受的载荷一般都是空间的，任何简化分析都会带来误差。,十四、任意三维问题的静力分析,下面就是一个典型的三维结构问题 如图所示为一联轴器，底面的四周边界不能发生上下运动，即不能发生沿轴向的位移；底面的两个圆周上不能发生任何方向的运动；在小轴孔的孔面上分布有1e6Pa的压力；在大轴孔的孔台上分布有1e7Pa的压力；在大轴孔的键槽的一侧受到1e5Pa的压力，求联轴器内部应力场分布。,
