《CAD CAM 技术 第２版 教学课件 ppt 作者 宁汝新 赵汝嘉 主编_ 第五章和第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAD CAM 技术 第２版 教学课件 ppt 作者 宁汝新 赵汝嘉 主编_ 第五章和第六章（129页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章,第一节 工程分析的主要内容及分析计算方法 第二节 有限元分析计算 第三节 优化设计方法 第四节 工程分析中的仿真技术,第一节 工程分析的主要内容及分析计算方法,1)对受有载荷作用的产品零部件进行强度分析；计算已知零部件尺寸在受载下的应力和变形，或根据已知许用应力和刚度要求计算所需的零件尺寸；如果所受的载荷为变动载荷，还要计算系统的动态响应。 2)对作复杂运动的机械和机械人机构等进行运动分析，计算其运动轨迹、速度和加速度。 3)对系统的温度场、电磁场、流体场进行分析求解。 4)按照给定的条件和准则，寻求产品的最优设计参数，寻求最优的加工规则等。,第一节 工程分析的主要内容及分析计算方法,
2、5)在复杂表面的数控加工中，当选定加工刀具后，计算刀位轨迹，以生成数控程序。 6)对已形成的产品设计方案和加工方案进行仿真分析，即按照方案的数学描述，通过分析计算，模拟实际系统的运行，预测和观察产品的工作性能和加工生产过程。,第二节 有限元分析计算,一、有限元分析基本原理 二、平面问题有限元分析的步骤 三、平面问题的有限元分析 四、有限元分析软件 五、有限元分析软件与CAD系统其它软件的联接和集成,一、有限元分析基本原理,有限元方法(Finite Element Method，FEM)是一种根据变分原理进行求解的离散化数值分析方法。由于其适合求解任意复杂的结构形状和边界条件以及材料特性不均匀等
3、力学问题而获得广泛应用，几乎可以应用于所有求解连续介质和场的力学及数学物理方程问题。,二、平面问题有限元分析的步骤,(1)结构离散化 将求解区域分割成许多具有某种几何形状的单元，对于连续体，需考虑选择单元的形状、数目和剖分方案，计算出各节点的坐标，并对单元和节点编号。 (2)单元特性分析 由于单元小，形状简单，可以选择简单且与单元类型相适应的函数即位移函数近似地表示每个单元上真实位移的分布。 (3)建立整体矩阵方程 将各单元的刚度矩阵集合成整体刚度矩阵；各单元的等效节点载荷向量集合成总的载荷向量，把整体结构的各单元矩阵方程合并成一个整体矩阵方程。 (4)整体矩阵方程求解 引入约束条件，对结构的
4、总体矩阵方程求解，得到各节点的位移，进而计算出节点的应变和应力。,三、平面问题的有限元分析,1.平面问题离散化 2.单元分析 3.整体分析 4.平面问题的有限元分析实例,1.平面问题离散化,图5-1 平面单元,2.单元分析,图5-2 典型的三角形单元,2.单元分析,图5-3 三角形单元的虚位移,3.整体分析,图5-4 整体分析实例,4.平面问题的有限元分析实例,表5-1 整体刚度矩阵组装,4.平面问题的有限元分析实例,表5-2 各节点坐标值,四、有限元分析软件,1.有限元软件组成 2.有限元分析数据前处理 3.有限元分析数据后处理,1.有限元软件组成,(1) 有限元前处理 包括从构造几何模型、
5、划分有限元网格，到生成、校核、输入计算模型的几何、拓扑、载荷、材料和边界条件数据。 (2) 有限元分析 进行单元分析和整体分析、求解位移、应力值等。 (3) 有限元后处理 对计算结果进行分析、整理，并以图形方式输出，以便设计人员对设计结果作出直观判断，对设计方案或模型进行实时修改。,2.有限元分析数据前处理,图5-5 有限元网格图,3.有限元分析数据后处理,3.有限元分析数据后处理,五、有限元分析软件与CAD系统其它软件的联接和集成,1) 可以用外部数据文件作为接口，通过外部数据文件在软件之间传递数据。 2) 如果系统建立了中央数据库，则可在其中增加数据子模式以及同应用软件的数据交换通道。 3
6、)增加接口程序模块，使之兼容两个或多个软件的数据结构，在它们之间传递数据；还可开设公用数据区，使不同软件共享其中数据。,第三节 优化设计方法,一、优化设计数学模型 二、求解优化问题的基本思想和策略 三、机械设计中的常规优化方法 四、遗传算法 五、人工神经网络 六、多目标和多学科综合优化问题,一、优化设计数学模型,1.设计变量 2.约束条件 3.目标函数 4.优化设计数学模型,1.设计变量,设计方案大多可用一组设计参数来表示。这些设计参数可以是几何参数，物理参数和其它特征参数等。这些参数中，有些是按照具体设计要求事先确定，在设计过程中保持不变的量，称为设计常量：而另一些参数是在设计过程中须经不断
7、调整，以确定其最优值的，称为设计变量。,2.约束条件,在优化设计过程中，设计变量的取值通常不是任意的，总要受到某些实际条件的限制，这些限制条件称为约束条件或约束函数。约束条件一般分为边界约束和性能约束。,3.目标函数,表5-3 常用优化设计的可选优化目标,3.目标函数,表5-3 常用优化设计的可选优化目标,4.优化设计数学模型,数学模型是对实际问题的特征或本质的抽象，在确定设计变量、约束条件、目标函数之后，即可建立优化问题的数学模型。,二、求解优化问题的基本思想和策略,1)当相邻两迭代点X(k)和X(k+1)的间距充分小时，终止迭代计算。 2)当相邻迭代点的目标函数值的下降量或相对下降量已达充
8、分小，即可终止迭代，即：F(X(k+1)-F(X(k)，或：F()-F()/F()。 3)当目标函数在迭代点的梯度已达到充分小时，终止迭代，即 f(X(k)。,二、求解优化问题的基本思想和策略,图5-8 搜索迭代过程,三、机械设计中的常规优化方法,1. 0.618法(黄金分割法) 2.插值法 3.坐标轮换法 4.梯度法 5.共轭方向法 6.复合形法 7.惩罚函数法,1. 0.618法(黄金分割法),它的基本思想是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，将搜索区间逐次缩短，其缩短系数为=0.618，当区间缩短到预定精度范围时，即可获得近似最优解。这种方法算法简单，不需求导数，对连续和非连续函数均能获
9、得较好的效果，但效率较低。,2.插值法,插值法是利用搜索区间内的若干个点的信息(包括函数值，导数值等)，构造一个低次插值多项式，近似地代替原目标函数，然后求此多项式的极小点，以它作为原目标函数的插值点，通过迭代计算，逐步缩短搜索区间，使插值函数的极小点逐步逼近目标函数的极小点。,3.坐标轮换法,该方法是轮流沿坐标方向进行一维搜索。即先固定n-1维的坐标，沿未固定的坐标方向e1进行一维搜索，找到此方向上函数的极小点。然后以此点作为初始点沿另一坐标方向e2进行一维搜索，得到在此坐标方向的极小点。,4.梯度法,梯度方向是函数值增加最快的方向，负梯度方向是函数值下降最快的方向。利用这一特性，把负梯度方
10、向作为搜索方向。梯度法也称最速下降法。然而，梯度法的收敛速度并不快，这是因为梯度只是反映函数的局部性质。,5.共轭方向法,图5-9 同心椭圆族 平行切线的特性,6.复合形法,它是指在n维设计空间的可行域内，先取P个点(n+1P2n)作为初始复合形的顶点，比较这些顶点的目标函数值，去掉函数值最大的最坏点，而代之以坏点的反射点(以复合形中坏点之外的各点的中心为映射中心所得的映射点)，形成新的复合形，按照这种步骤重复多次，使复合形逐步缩小并逼近最优点，达到精度要求时，取最后一个复合形中的最小点作为最优点。,7.惩罚函数法,其基本思想是：以原目标函数为基础，将约束函数考虑进去，构成一个没有约束条件的新
11、目标函数，在此新目标函数中，给予一个或几个可调整的称为惩罚因子的参数，在求优过程中，不断调整这些参数，使新的目标函数的最优解最后收敛于原目标函数的最优解。,四、遗传算法,(一)遗传算法的运算过程 (二)遗传算法的基本操作 (三)遗传算法应用举例设备布局优化设计 (四)遗传算法的特点,四、遗传算法,图5-10 遗传算法流程示意图,(一)遗传算法的运算过程,遗传算法从一组随机产生的初始解种群开始搜索过程。种群中的每个个体是问题的一个解染色体。染色体是一串符号(基因)，例如可以是一个二进制字符串。,(二)遗传算法的基本操作,(三)遗传算法应用举例设备布局优化设计,图5-11 参数和决策变量示意图,(
12、三)遗传算法应用举例设备布局优化设计,表格,(四)遗传算法的特点,图5-12 单行机器布局,五、人工神经网络,(一)基本的人工神经元模型 (二)神经网络的分类 (三)神经网络的学习规则 (四)误差反向传播网络(BP网络),五、人工神经网络,图5-13 人工神经元模型及传递函数 a)人工神经元模型 b) Sigmoid函数,(一)基本的人工神经元模型,(二)神经网络的分类,图5-14 前馈网络和反馈网络 a)前馈网络 b)反馈网络,(三)神经网络的学习规则,神经网络是由许多个神经元按一定方式连接起来的。一般来说其空间拓扑结构保持不变，但代表神经元连接强度的权值却是可调整的。正是通过权值的不断调整
13、，使得神经网络能产生期望的输出。权值的调整过程称为学习和训练。,(四)误差反向传播网络(BP网络),(四)误差反向传播网络(BP网络),图5-15 ZIP码识别网络,六、多目标和多学科综合优化问题,在工程设计问题中，追求的目标可各种各样，按追求目标的多少，可分为单目标函数和多目标函数，例如设计多级齿轮传动系统时，要求在满足规定的传动比和给定最小齿轮直径的情况下，追求系统的转动惯量最小，箱体的体积最小，各级传动的中心距之和最小，承载能力最高，寿命最长等，这类同时考虑多个目标的优化问题称为多目标优化设计问题。,第四节 工程分析中的仿真技术,一、仿真的基本概念 二、仿真的一般过程 三、仿真在CADC
14、AM系统中的应用,一、仿真的基本概念,1) 对尚在设计规划中的系统，可通过仿真观察其性能是否满足预定要求，预测系统运行中可能发生的现象，帮助改进设计和修改规划。 2) 对已有的系统，可通过仿真掌握其工作规律，使系统运行更好；还可通过仿真，为用户提供系统过去的(历史的)、现在的(实时的)甚至未来的(超实时的)信息，以使用户实时作出正确决策。 3) 仿真工作环境制成训练用的仿真器，如飞行模拟器、船舶驾驶训练器、汽车驾驶模拟器等。,二、仿真的一般过程,(1)建立数学模型 仿真工作能否真实反应实际和工作，主要取决于计算机模型的正确性。 (2)模型变换 在已建立数学模型的基础上，设计一种使用计算机求解数
15、学模型的算法，即确定仿真算法，将数学模型变换为计算机能接受的仿真模型。 (3)编制仿真程序 根据仿真模型，绘出仿真流程框图，使用计算机语言编制仿真程序，实现仿真分析。 (4)进行仿真实验 输入仿真所需的数据，运行仿真程序，获得仿真实验结果，并动态地显示仿真结果。 (5)仿真结果整理分析 将仿真结果进行整理分析，可为以后的工作积累经验。,三、仿真在CADCAM系统中的应用,(1)产品形态仿真 仿真真实产品的结构形状、外观、色彩等形象化属性。 (2)零部件装配关系仿真以及工作环境空间的配置仿真 可通过仿真检验产品装配结构是否合理、是否发生干涉；人工操作是否方便，是否符合人机学原理；工作环境管道安装
16、、电力、供暖、供气、冷却系统与机械设备布局是否合理等。 (3)运动学仿真 模拟机构的运动过程，包括自由度约束状况、运动轨迹、速度和加速度变化等。 (4)动力学仿真 求解系统的通力学微分方程或传递函数，计算系统的动力学响应，例如，振动的振型，起动、刹车制动、调速等动态过程的运动和动力特性等。 (5)工作物理场仿真 求解与产品性能有关的物理量分布，如应力场、温度场、压力场、电磁场等。,三、仿真在CADCAM系统中的应用,(6)加工过程仿真 例如数控加工自动编程后的刀具运动轨迹的模拟，刀具与夹具、机床的碰撞干涉检查，切削过程中刀具磨损、切屑形成，工件被加工表面的产生等。 (7)零件工艺过程的几何仿真 根据工艺路线的安排，模拟零件从毛坯到成品的金属去除过程，检验工艺路线的合理性、可行性、正确性。 (8)生产过程仿真 例如FMS仿真，模拟工件在系统中的流动过程，展示从上料、装夹、加工、换位、再加工，直到最后下料，成品放入立体仓库的全部过程。,三、仿真在CADCAM系统中的应用,图5-16 一冲模具产品装配和工作仿真图 a)
