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1、齐车公司CAE系统建设方案建议书中国北车集团齐齐哈尔铁路车辆（集团）有限责任公司数字化仿真(CAE)解决方案通力有限公司2006-8-14目录1概要32UGS PLM Solutions数字化仿真解决方案的独到之处4多CAD有限元建模和可视化工具4快速而高效的有限元建模能力4新一代的有限元模型管理技术 装配有限元（AFEM）6广泛的求解技术63NX NASTRAN 提供工业标准的有限元求解器64UGS PLM Solutions数字化仿真解决方案应用8零部件受力分析8动力性能分析8动力分析8结构优化95UGS PLM Solutions CAE实施平台9CAE工程的基本框架9CAE工程功能的实
2、现10附录A UGS PLM DSS产品介绍11附录B HyperMesh功能介绍19附录C UGS公司介绍24附录D 通力有限公司（UFC）介绍271 概要UGS PLM Solutions提供完整的、世界一流的数字化仿真解决方案，帮助用户优化产品开发的全过程，以满足产品严格的质量和性能要求。随着计算机硬件的飞速提高和数值计算技术的不断进步，数字化仿真技术在各个行业的应用不断向纵深发展，其地位与作用也变得十分重要，在国外CAE作为一个必备的工具，许多企业都有专门的CAE分析队伍，而在国内CAE也在被重视，如铁路机车车辆、汽车、航空航天。CAE（计算机辅助工程）分析是采用虚拟分析方法对结构（场
3、）的性能进行模拟（仿真），预测结构（场）的性能，优化结构（场）的设计，为产品研发提供指南，为解决实际工程问题提供依据。CAE和其它诸如信息化产品最本质的区别在于：其它信息化产品让企业降低了成本，而CAE为企业产品产生了高附加值，真正能为现代企业创造高额利润，这才是提高企业核心竞争力的关键所在。CAE在优化结构设计、提高产品质量、减少试验样品、缩短产品研发周期、降低产品成本等方面发挥了巨大作用，取得了明显的经济效益。现代产品研发流程中，通常使用CAD建模，用CAE进行仿真。因此，许多人的眼里，CAE理所当然是CAD的后端技术了。但其实恰恰相反，在先进研发流程中，CAE是CAD的“先行”技术。在新
4、产品设计周期里，CAD付诸实施之前，CAE已经行动了。CAD并不是贯穿整个研发周期的技术，CAE却是，它在产品研发全过程中影响着设计。仿真技术越早地被应用于设计流程，它产生的投资回报率也将越高。2 UGS PLM Solutions数字化仿真解决方案的独到之处多CAD有限元建模和可视化工具NX MasterFEM提供你一种从建立有限元模型到查看和输出分析结果的综合能力，MasterFEM的建模核心是I-Deas Master Modeler，提供了其他CAE前后处理无法比拟的超强建模能力，可以直接使用来自I-deas系列建模和装配分析包的几何模型，同时也提供了强大的CAD转换接口，快速正确地导
5、入第三方的CAD几何。通过Proe接口可以快速读入CAD模型及装配模型，包括装配位置和特征；由于其强大的几何建模能力，可以快速地修补和简化导入的几何模型。 快速而高效的有限元建模能力NX MasterFEM除了能快速的获取几何源，在模型简化和网格生成方面也有她非常独特的技术，包括几何体提取、抽取中面、区域网格划分技术、相似网格、焊缝/筋提取等。这项获得专利的区域网格section mesh技术突破了一般前后处理完全依赖于几何体的网格划分技术，可以大大加快网格划分的速度和极大提高网格质量、减少网格数量。比如，对于一些复杂的片体几何，在生成整个几何时往往会有许多碎面或狭长条面或几何缺陷，利用区域网
6、格技术可以自动或人工指定区域来缝合碎面和狭缝及缺陷，生成规则网格，也可以将来自扫描设备或其他数据源的STL几何自动生成大的规则区域，便于网格生成，她的Section on mesh技术更能快速的提高网格的质量。还有她的由网格生成几何拓扑技术会大大帮助你的设计。中面提取在航空航天领域十分有用，因为许多结构都是薄壁构件，需要用面网格（板或壳单元）来处理，几何中面是最理想的，但许多前后处理软件不具备这样的功能，即使有也是很弱。NX MasterFEM的提取中面功能十分强大，不仅能快速提取中面几何，还能记录每个面的厚度，而且能快速处理面之间的连接关系。此外她的相似网格技术和焊缝/筋提取技术、以及在孔的
7、周围生成映射网格也是一绝。新一代的有限元模型管理技术 装配有限元（AFEM）NX MasterFEM不仅能对CAD模型进行装配管理，还能对有限元模型按CAD装配进行有限元模型的装配进行管理，这大大提高了系统级多零件有限元模型的生成效率。对于一个装配体可以由若干个分析人员同时并行地对各个零件进行网格划分，然后直接进行装配，同时保持了CAD与有限元模型之间的协同性，即如果某几个零件的设计发生改变就可以快速地对有限元模型进行更新，而不需要从新导入几何和网格重划分，而且所有的材料属性与物理属性与几何和网格无关；此外，它可以在一个数据库中定义多种装配关系，包括一个零件的多种网格，一个系统的多种位置关系等
8、。广泛的求解技术UGS PLM Solutions的数字化仿真解决方案把四个优秀的求解器，NX NASTRAN、I-Deas Model Solution、ESC、TMG纳入在NX MasterFEM的集成环境下、可以进行结构静/动力、声/振耦合、疲劳耐久性、气弹性、流体、热（辐射）分析，同时通过NX MasterFEM提供的各种求解的接口可以构成完整的数字仿真解决方案。3 NX NASTRAN 提供工业标准的有限元求解器由NASA组织开发的NASTRAN经历30多年的工程检验已成为工业界公认的分析标准，UGS PLM在2003年获得了NASTRAN的开发权，推出了集成于NX环境下的新一代NA
9、STRAN NX NASTRAN。她包含以下的功能模块：NX Nastran Basic是Nastran的核心子集,包括了一系列分析功能例如线性静态分析,正则模态分析,线性屈曲分析以及热传递分析，NX Nastran Basic为您提供了有限元分析所需的单元类型库,模型材料库，支持强有力的边界条件管理能力，提供系列的包括屈曲分析的线性算法控制能力以及无限规模的正则模态分析能力，支持稳态和瞬态热传递分析的解算能力。NX Nastran Basic在您的虚拟产品开发流程中拥有很关键的地位,为产品性能开发的数字化原型和仿真模拟提供了广泛应用的CAE解决方案。NX Nastran Dynamic Re
10、sponse是对NX Nastran Basic的扩充，可分析载荷和运动在时域或频域范围内对结构的影响。瞬态响应可帮助您预测随时间变化的输入对结构的动力响应；频率响应可预测结构在稳态振动激励下的响应。结构的动力响应是由其固有频率控制的，如果输入激励的频率与结构某阶固有频率接近，则会引起结构的共振以致发生破坏，因此，了解结构的动力响应，可以避免设计的频率落在破坏的频率范围内。NX Nastran Non-linear能分析材料非线性、几何非线性和接触问题，即小应变非线性弹性、大应变超弹性、粘弹性（蠕变）、非线性屈曲和后屈曲，还可计算非线性模态。NX Nastran Superelements 提
11、供了求解大型系统方程更有效的方法超单元，超单元模块是NX Nastran Basic的附加模块，它能有效地把规模很大且复杂的有限元模型分解成许多等价的子结构，这些子结构就叫超单元。NX Nastran超单元能应用于所有的NX Nastran分析类型；在大规模、系统级分析上特别有效，例如整架飞机、整车或者整梁摩托车；逐级运行和子装配求解。.NX Nastran Distributed Memory Parallel可以求解非常庞大的有限元模型，利用NX Nastran DMP可以在不同的计算机上计算模型的不同部分，程序自动将大模型拆分成一系列小部分或小区域，即区域拆分，这些小的模型同时分配到不同
12、的计算机上实现并行计算，区域拆分和并行计算可以大大降低对计算机资源的要求（内存和空间），充分利用现有的资源计算大模型问题。NX Nastran DMAP能够帮助用户在NX Nastran中实现二次开发，DMAP能帮助用户改变或直接产生新的求解序列,通过矩阵的合并、分离、增加、删除、或将矩阵输出到有限元后处理、机构分析、测试相关性等一些外部程序中,DMAP还允许在 NX Nastran中直接执行外部程序。另外,用户还可利用DMAP编写用户化程序, 操作数据库流程。此外，还可以调用NX Nastran提供的上百个功能和预处理模块，并可以实现条件语句If-then-else和循环。NX Nastra
13、n Optimization传统典型的人工产品设计循环是“建模测试评估改进”，但是，人工方法每次只能对一个参数发生变化后的设计效果进行评估。NX Nastran优化通过复杂的算法，高效自动地在整个设计空间找到各种参数的某种特定的组合，得到优化的设计或者性能。为了让程序理解你所谓的“优化”，你必须指定设计或者性能目标，例如最小重量、形状约束或者最小应力或应变。你可改变的设计参数包括几何、材料和连接属性。 优化能在很多地方发挥关键作用，例如飞行器的减重或减小应力；包装约束条件下的产品形状优化；多准则换位研究例如车辆疲劳与振动特性之间的关系。I-Deas NX 增强的分析能力I-Deas NX系列求
14、解器扩展的传统NASTRAN的求解能力，已成为NX Nastran的组成部分，她的产品寿命预测分析模块可以预测产品在遭受规定循环载荷作用下的强度和疲劳安全性，使用单轴和双轴的应力循环来预测该产品的生命周期，利用线性和非线性的应力结果检验产品设计的强度和疲劳安全，分析由于最大应力和循环应力综合作用下模型的失效破坏问题，强度和疲劳安全结果帮助优化设计确定哪些设计部位是不安全或则是保守的，无需重新解算有限元模型就能快速针对新设计进行假定方案分析，预测改动带来的影响。4 UGS PLM Solutions数字化仿真解决方案应用UGS PLM Solutions数字化仿真解决方案可以从以下几个方面为您的
15、设计提供帮助和指导：零部件受力分析首先必须校核每个零部件的强度，各零部件的应力分布、变形决定其能否正常工作，可根据不同的要求作分析计算：1. 简单的强度、刚度校核：仅对单个零件作线性静力分析，通常在一小时之内（最快几分钟）就可完成，得到零件的应力分布，变形，进行快速设计校核。2. 零部件装配后的分析，可以考虑各零件之间的相互作用，更真实地反映零件受力情况，包括螺钉连接，铆钉连接处的局部应力分布，强度。工具：NX MasterFEM前处理、NX Nastran应力分析动力性能分析核心承载部件，1. 模态分析：通过模态分析得到各阶自然频率，了解动力性能2. 响应谱或随机振动分析模拟3. 耐久性分析评估工具：NX MasterFEM前处理、NX Nastran Dynamic Response、I-Deas Durability动力分析1. 模态分析2. 试验/分析相关性工具：NX MasterFEM
