1、CAE技术及其航天领域的应技术及其航天领域的应用用傅德彬傅德彬诸论诸论-初识初识CAE两个问题：两个问题：n计算机在现代技术发展中发挥着怎样的作用？计算机在现代技术发展中发挥着怎样的作用？n计算机如何帮助解决科学研究和工程设计中计算机如何帮助解决科学研究和工程设计中的问题？的问题？信息存储信息存储 信息传递信息传递 （数值）计算（数值）计算诸论诸论-初识初识CAE三个情况三个情况n现代计算机的诞生是为了解决核爆炸中的计算问题现代计算机的诞生是为了解决核爆炸中的计算问题n（以计算机为工具的）数值计算已成为理论分析、实（以计算机为工具的）数值计算已成为理论分析、实验分析之外的新的研究手段验分析之外
2、的新的研究手段n高速计算机依然为解决科学计算中的复杂问题而不断高速计算机依然为解决科学计算中的复杂问题而不断推陈出新推陈出新 在过去、现在和将来，计算与仿真都是计算机主在过去、现在和将来，计算与仿真都是计算机主要的功能和发展的动力要的功能和发展的动力诸论诸论-初识初识CAEnCAE(Computer Aided Engineering)CAE(Computer Aided Engineering)计算机计算机辅助辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能
3、的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种种近似数值分析近似数值分析方法。方法。在这里所介绍的在这里所介绍的CAE还包括还包括CFD(Computational Fluid Dynamic)、计算多体动力学、计算多体动力学(Computational Dynamic of Multi-body System)等其它利用计算机辅助等其它利用计算机辅助求解的数值计算方法。求解的数值计算方法。诸论诸论-初识初识CAE齿轮接触应力分析齿轮接触应力分析V V式式6缸发动机爆发压力分析缸发动机爆发压力分析整车碰撞模拟整车碰撞模拟诸论诸论-初识初识CAE飞
4、行过程表面压力分布飞行过程表面压力分布垂直起降飞行器流场分析垂直起降飞行器流场分析隐身特性分析隐身特性分析诸论诸论-初识初识CAE大型建筑大型建筑结构强度结构强度校核校核鱼游动特性分析鱼游动特性分析芯片散热特性芯片散热特性诸论诸论-初识初识CAE结构碰撞（瞬态动力学）结构碰撞（瞬态动力学）诸论诸论-初识初识CAE多体动力学多体动力学发射过程发射过程诸论诸论-初识初识CAE流动分析流动分析诸论诸论-课程概况课程概况n课程目标课程目标q掌握掌握CAECAE的基本概念和一般应用的基本概念和一般应用q重点掌握有限元分析基本概念，学会应用重点掌握有限元分析基本概念，学会应用ANSYANSY工工具软件进行
5、结构分析具软件进行结构分析q掌握虚拟样机技术掌握虚拟样机技术(多体动力学多体动力学)基本概念，学会基本概念，学会应用应用AdamsAdams工具软件进行多体动力学分析工具软件进行多体动力学分析q掌握掌握CFDCFD基本概念，学会应用基本概念，学会应用FluentFluent进行简单流场进行简单流场分析分析诸论诸论-课程概况课程概况n课程内容课程内容qCAECAE概况与分析思路概况与分析思路qAnsysAnsys入门与提高（上机培训与练习）入门与提高（上机培训与练习）q有限元分析基础有限元分析基础qAdamsAdams入门（上机培训与练习）入门（上机培训与练习）q虚拟样机技术基础虚拟样机技术基础
6、qFluentFluent入门（上机培训与练习）入门（上机培训与练习）qCFDCFD基础基础qCAECAE在航天领域的应用在航天领域的应用(上机培训与练习上机培训与练习)诸论诸论-课程概况课程概况n课程要求课程要求q积极实践（上机操作，课后练习）积极实践（上机操作，课后练习）q加强基础（了解数值计算基础和专业理论）加强基础（了解数值计算基础和专业理论）q提高理论（利用数值方法对理论中涉及的问题进提高理论（利用数值方法对理论中涉及的问题进行验证分析）行验证分析）n考核方式考核方式q平时成绩（平时成绩（30%30%）q上机操作（上机操作（40%40%）q理论考核（理论考核（30%30%）一一.CA
7、E.CAE概况概况 CAECAE是在产品的研发过程中，利是在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分用计算机进行建模及性能仿真分析析 性能仿真的内容涉及产品（或系性能仿真的内容涉及产品（或系统）的力学性能（变形，应力）、统）的力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制等和噪声控制等 可替代大多数昂贵而费时的物理可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验传统的物理样机实验 广泛应用于各工业领域广泛应用于各工业领域n什么是什么是CAECAE（计算机辅助工程）（计算机辅助工程）一一.C
8、AE.CAE概况概况 波音波音777777的研发过程中采用的研发过程中采用CAECAE数字化样机技术，数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费获得成功，每次物理样机实验需花费1 1亿美元亿美元 CAECAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的期由原来的5 5 6 6年缩减到现在的年缩减到现在的1 1 2 2年年 美国美国NASANASA的喷气推进实验室（的喷气推进实验室（JPLJPL）应用）应用CAECAE技技术成功地实现了火星探测器术成功地实现了火星探测器“勇
9、气号勇气号”、“机机遇号遇号”在火星上的软着陆仿真分析。仿真结果在火星上的软着陆仿真分析。仿真结果预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，使预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，使探测器在着陆时可能出现翻滚，从而改进了技探测器在着陆时可能出现翻滚，从而改进了技术方案，保证了登陆成功术方案，保证了登陆成功 n为什么用为什么用CAECAE 方案设计方案设计 建模建模物理建模，数学建模，计算建模物理建模，数学建模，计算建模 仿真仿真计算机仿真计算机仿真，解析方法，实验方法，解析方法，实验方法 结果可视化结果可视化 照片，录像带，照片，录像带，计算机图形计算机图形，虚拟现实虚拟现实 详细设计详细设计 物
10、理样机制造物理样机制造 物理样机测试物理样机测试 批量生产批量生产 虚拟样机分析虚拟样机分析 一一.CAE.CAE概况概况n产品研发的一般过程产品研发的一般过程一一.CAE.CAE概况概况nCAECAE解决问题的一般过程解决问题的一般过程一一.CAE.CAE概况概况nCAECAE相关课程相关课程材料力学，弹性力学材料力学，弹性力学流体力学，热力学等流体力学，热力学等理论力学，机械原理，机械振动理论力学，机械原理，机械振动计算机三维造型（计算机三维造型（CADCAD技术）技术）有限元分析有限元分析(有限元理论及软件的使用有限元理论及软件的使用)虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论）虚拟样机理论
11、及应用（多体系统动力学理论）计算流体力学计算流体力学(CFD)(CFD)一一.CAE.CAE概况概况nCAECAE应用现状应用现状现有先进产品开发技术包括现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLM:CAD/CAE/CAM/PLMCADCAD已普及（大多数工程师必须掌握）已普及（大多数工程师必须掌握）CAM/PLM CAM/PLM 仍处于研发阶段仍处于研发阶段CAECAE在发达国家及一些大公司中利用在发达国家及一些大公司中利用CAECAE技术优化产品技术优化产品设计以降低成本，缩短研发周期已达设计以降低成本，缩短研发周期已达80%80%95%95%CAE CAE 的应用已含盖机械工
12、程的各个方面（包括运动分的应用已含盖机械工程的各个方面（包括运动分析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，振动和噪声的控制等）振动和噪声的控制等）CAECAE方面的专业人才短缺（包括发达国家）方面的专业人才短缺（包括发达国家）一一.CAE.CAE概况概况nCAECAE的未来的未来CAD/CAE/CAM/PLM CAD/CAE/CAM/PLM 的软件被广泛应用（的软件被广泛应用（“CAE“CAE计算器计算器”）每个工程师都具备每个工程师都具备CAECAE的知识和能力的知识和能力大规模、多尺度、多场耦合分析，大规模、多尺度、多场耦合分析，虚拟
13、工程虚拟工程CAECAE全球化（如中国、印度的工程师承接美国的全球化（如中国、印度的工程师承接美国的CAECAE项目）项目）在线分析：新一代高速因特网实现软件共享，协同分析在线分析：新一代高速因特网实现软件共享，协同分析打好基础，做好准备，适应未来发展的需要打好基础，做好准备，适应未来发展的需要二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n有限元法有限元法 CAE CAE的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各个的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各个学科及各个工程领域。技术最成熟，商业软件十分丰富。学科及各个工程领域。技术最成熟，商业软件十分丰富。如如ANSYS,NASTRAN,M
14、AC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINAANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n有限差分法有限差分法 最早的数值分析方法，使用结构化网格，不需要域积分，最早的数值分析方法，使用结构化网格，不需要域积分，建模、计算简单。适于分析几何形状简单的问题，尤其是建模、计算简单。适于分析几何形状简单的问题，尤其是流动性问题。商业软件很少。流动性问题。商业软件很少。二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n有限体积法有限体积法 一种特殊形式的有限元法（欧拉结构化网格）。多用一种特殊形式的有限元法（欧拉结构化网
15、格）。多用于分析流体动力学问题。被大多数商业流体分析软件采用，于分析流体动力学问题。被大多数商业流体分析软件采用，如如FLUENT,CFXFLUENT,CFX二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n边界元法边界元法 仅在分析域的边界上划分网格，适于分析无界、连续介仅在分析域的边界上划分网格，适于分析无界、连续介质问题，如声学问题和波的传播问题。商业软件很少。质问题，如声学问题和波的传播问题。商业软件很少。二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n无网格法无网格法 一种最新的数值分析方法。多用于分析受网格划分的限一种最新的数值分析方法。多用于分析受网格划分的限制，采用有限元法而
16、不易解决的问题。如大变形、裂纹扩制，采用有限元法而不易解决的问题。如大变形、裂纹扩展、爆炸等，商业软件很少。展、爆炸等，商业软件很少。二二.CAE.CAE方法体系及软件方法体系及软件n基于多体动力学的虚拟样机技术基于多体动力学的虚拟样机技术 针对复杂机械系统的整机性能优化技术。所建立的复杂针对复杂机械系统的整机性能优化技术。所建立的复杂机械系统包括机机械系统包括机-液液-控的耦合。商业分析软件包括控的耦合。商业分析软件包括ADAMS,SIMPACK,DADSADAMS,SIMPACK,DADS三三.理论基础理论基础n结构分析基础结构分析基础q概念概念结构在（静定或超静定）载荷作用下的内力分布；
17、结构在（静定或超静定）载荷作用下的内力分布；结构抵御变形和破坏的能力。结构抵御变形和破坏的能力。q问题描述问题描述结构结构+载荷载荷+约束约束应力（应变）。应力（应变）。q强度校核准则强度校核准则n第一强度理论（拉应力第一强度理论（拉应力脆性材料）脆性材料）n第二强度理论（最大伸长线应变第二强度理论（最大伸长线应变脆性材料受压）脆性材料受压）n第三强度理论（最大切应力第三强度理论（最大切应力压力容器）压力容器）n第四强度理论（应变能第四强度理论（应变能常用）常用）三三.理论基础理论基础 0ijijF 0ijijF)(21 ijjiijuuijijijEE1)(上在，TijijSFl)(,u上在
18、uiiSun弹性力学基本方程弹性力学基本方程三三.理论基础理论基础n有限元法示意有限元法示意(1)三三.理论基础理论基础n有限元法示意有限元法示意(2)三三.理论基础理论基础n多体动力学基础多体动力学基础q研究对象研究对象研究由刚体及柔性体所组成的系统经历大范围空间运动时研究由刚体及柔性体所组成的系统经历大范围空间运动时的动力学行为。的动力学行为。q几个基本概念几个基本概念n物体物体:多体系统中的构件多体系统中的构件n铰铰(约束副约束副)：限制相对运动（运动学约束和驱动约束）：限制相对运动（运动学约束和驱动约束）n外力：系统外物体对系统中物体的作用外力：系统外物体对系统中物体的作用n力元：系统
19、中物体间相互作用力元：系统中物体间相互作用n坐标：（注意力学中惯性坐标系与非惯性坐标系的应用）坐标：（注意力学中惯性坐标系与非惯性坐标系的应用）三三.理论基础理论基础n多体动力学基本方程多体动力学基本方程q矢量力学方法矢量力学方法利用牛顿定律、虚功原理、达朗贝尔原理等建立矢量力学方利用牛顿定律、虚功原理、达朗贝尔原理等建立矢量力学方程并求解程并求解q分析力学方法分析力学方法选择广义坐标系，建立拉格朗日方程并求解选择广义坐标系，建立拉格朗日方程并求解0-1=)m(niiii raF动力学普遍方程动力学普遍方程 SQqTqTdtd2,1)S,(qQni211 i ii irF一般拉格朗日方程一般拉
20、格朗日方程 三三.理论基础理论基础q拉格朗日方法拉格朗日方法利用铰邻接的一对利用铰邻接的一对物体为单元建立拉物体为单元建立拉格朗日方程格朗日方程q笛卡尔方法。笛卡尔方法。利用各物体为单元利用各物体为单元建立动力学普遍方建立动力学普遍方程，并给出约束限程，并给出约束限制制n多体动力学计算方法多体动力学计算方法BqA 0),(tTqqBqA 三三.理论基础理论基础VVnFdVt00dVFtV0Ft0)()()(zHHyGGxFFtQvvvn流场基本方程流场基本方程三三.理论基础理论基础n有限体积法示意有限体积法示意i-1,ji+1,ji,j-1i,j+12431Vi,jA3A1A4A20AVtAdPdVU)()(4,2/131,2,2/112/1,1APAPAPAPVtUUnjinjinjinjiijnijnij)(4,2/131,2,2/112/1,1APAPAPAPVtUUnjinjinjinjiijnijnij
