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1、模具CAE技术计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering)技术在成形加工和模具行业中的应用，即模具CAE。模具CAE是广义模具CAD/CAM中的一个主要内容。CAE所涉及的内容非常丰富：1）对工件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间；2）对模具进行强度刚度校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本；3）通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量；4）查找工件质量缺陷或
2、问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。成形过程数值模拟是模具CAE中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而当涉及到时间时，则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基本内容和方法。1. 有限元分析概述 对于一般的工程受力问题，希望通过平衡微分方程、变形协调方程、几何方程和本构方程联立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的，一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元的分析方法。有限元法自1960年由Clough首次提出后，获得了迅速的发展；虽然首先只是应用
3、于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。 1.1、有限元法的基本概念对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获得精确求解十分困难；于是，作为近似求解，可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体，如图7-1弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。从物理的角度理解，即将一个连续的凹模截面分割成图7-1所示的有限数量的小三角形单元，而单元之间只在节
4、点处以铰链相连接，由单元组合成的结构近似代替原来的连续结构。如果能合理地求得各单元的力学特性，也就可以求出组合结构的力学特性。于是，该结构在一定的约束条件下，在给定的载荷作用下，各节点的位移即可以求得，进而求出单元内的其他物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。从数学角度理解，是将图7-1所示的求解区域剖分成许多三角形子区域，子域内的位移可以由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而求得其他场量。推广到其他连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度、速度等物理量。这就是有限元方法的数学解释。从有限元法的解释可得，有
5、限元法的实质就是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因此，有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计，可由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有限元分析才得以迅速
6、的发展。 1.2有限元法分析的基本过程有限元法分析的基本过程，概念清晰，原理易于理解；但实际分析过程，包含大量的数值计算，人工难以实现，通常只能依靠计算机软件进行。有限元软件并不直接体现以上的过程，一般只是根据相应的功能分为前处理、分析计算和后处理三大部分。前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元；分析计算模块则对单元进行分析与集成，并最终求解得到各未知场量；后处理则将计算结果以各种形式输出，以便于了解结构的状态，对结构进行数值分析。 1.3、通用有限元软件简介 1.3.1. 有限元软件MSC.NASTRANNASTRAN有限元分析系统是由美国国家宇航局
7、（NASA）在20世纪60年代中期委托MSC公司和贝尔航空系统公司开发，发展至今已有多个版本，其系统规模大、功能强。在70年代初期，MSC公司对原始的NASTRAN进行改进和完善后推出了MSC.NASTRAN。作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一，MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项。主要分析功能模块有：基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。MSC.N
8、ASTRAN的前后处理采用MSC公司的PATRAN程序，MSC.PATRAN是一种并行框架式的有限元前后处理及分析系统，具有开放式、多功能的体系结构，采用交互图形界面，可实现工程设计、工程分析、结果评估，是一个完整CAE集成环境。前处理通过采用直接几何访问技术(Direct Geometry Access)可直接从CAD/CAM系统中获取几何模型，甚至参数和特征；还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，使用户更灵活的完成模型准备。运用多种网格处理器实现分析结构有限元网格的快速生成。其分析模型定义功能可将各种分析信息(单元、材料、载荷、边界条件等)直接加到有限元网格或任何CAD几何模型上。后处理提
9、供了等值图、彩色云图等多种计算分析结果可视化工具，帮助用户灵活、快速地理解结构在载荷作用下复杂的行为，如结构受力、变形、温度场、疲劳寿命、流体流动等。分析的结果同时可与其他有限元程序联合使用。MSC.NASTRAN的静力分析可用求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等)作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数据。MSC.NASTRAN支持全范围的材料模式，包括：均质各项同性材料，正交各项异性材料，各项异性材料，随温度变化的材料等；具有方便的载荷与工况组合：
10、单元上的点、线和面载荷，热载荷，强迫位移，各种载荷的加权组合等，在前后处理程序MSC.PATRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，MSC.NASTRAN的屈曲分析包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。结构动力学分析是MSC.NASTRAN的主要强项之一，其主要功能包括：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。MSC.NASTRAN有强大的非线性分析功能，包括：几何非线性分析、材料非线性分析、非线性边界(接触问题)分析，以及非线性瞬态分析。除几何、材料、边界
11、非线性外，MSC.NASTRAN还提供了具有非线性属性的各类分析单元，如非线性阻尼、弹簧、接触单元等。MSC.NASTRAN的迭代和运算控制方法极为丰富，它提供了NewtonRampson法、改进Newton法、Arc-Length法、Newton和ArcLength混合法、两点积分法、Newmark法以及非线性瞬态分析过程的自动时间步调整功能等；分析中，与尺寸无关的判别准则可自动调整非平衡力、位移和能量增量，智能系统可自动完成全刚度矩阵更新、或Quasi-Newton更新、或线搜索、或二分载荷增量(依迭代方法)，以用于不同目的的数据恢复和求解。自动重启动功能可在任何一点重启动，包括稳定区和非
12、稳定区。MSC.NASTRAN的热分析、流体分析、流-固耦合分析、空气动力弹性及颤振分析等其他模块也都有强大的分析功能。MSC.NASTRAN具有广泛的平台适用性，可在不同档次的50多种通用和专用计算机上、不同的操作系统下运行，主要机种如：PC机、SUN、DEC、HP、IBM、SGI、NEC、HITACHI、SIEMENS、CRAY、CONVEX等。MSC公司开发的并行处理技术保证使MSC.NASTRAN及相应产品在诸如CRAY、CONVEX、IBM、SUN、DEC、SGI等具有多处理器的大中型计算机上能高效运行。此外，MSC的产品还允许在计算机网络上以限定使用权方式被任何机器激活有效地通过网
13、络进行各种计算。图7-2是运用MSC.NASTRAN对某硬盘支架的振动进行模拟分析的结果。图示为支架的等效应力分布图，右边区域的应力值较高，最大值达58.6Mpa；左边区域的应力相对较低。 1.3.2. 有限元软件ANSYSANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS的前处理模块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。ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司新近开发的新一代前后处理环境，AWE通过独特的插件构架与CAD
14、系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的CAD几何导入成功率，当CAD模型变化时，不需对所施加的载荷和支撑重新施加；AWE与CAD系统的双向相关性还意味着可通过AWE的参数管理器可方便地控制CAD模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。AWE在分析软件中率先引入参数化技术，可同时控制CAD几何参数和材料、力方向、温度等分析参数，使得AWE与多种CAD软件具有真正的双向相关性，通过交互式的参数管理器可方便地输入多种设计方案，并将相关参数自动传回CAD软件，自动修改几何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型即可自动无缝地返回AWE中。同时，ANSYS还提供了方便灵活的实体建模方法，协助用户进行几
15、何模型的建立。ANSYS软件提供了极其丰富的材料库和单元库，单元类型共有200多种，用来模拟工程中的各种结构和材料。AWE的智能化网格划分能生成形状特性较好的单元，以保证网格的高质量，尽可能提高分析精度。此外，AWE还能实现智能化的载荷和边界条件的自动处理，根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。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。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对结构的影响并不
16、显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。在动力学分析中，ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动；当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。除以上功能之外，ANSYS具有非常强大的热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等分析功能。所有ANSYS的
