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CAE学习经验.doc

CAE学习经验

yao华y
2019-05-21 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《CAE学习经验doc》,可适用于人文社科领域

CAE学习经验系列学习:CAE概述CAEComputerAidedEngineering*cU!f$^E计算机辅助工程一般:核心理论是基于现代计算力学的有限元分析技术广义:所有在计算机帮助下能实现的技术"u(!p`'|^cHistory::F!HDw:gS*y,Bo二十世纪五十年代:现代有限元初始发展阶段"mbF#Sq六十年代:探索发展时期,出现了MSC、SDRC和ANSYS等第一批商业公司在发展方向上MSC和ANSYS专注于专业领域,SDRC则偏向于发展CADCAECAMCATPDM集成化系统t#Kx:IA!mpx'七十年代八十年代:蓬勃发展时期,MARC、HKS和Altair等公司成立九十年代:与CAD技术相辅相成的共同发展、推广使用时期。nl!F*BvuToday:mmm|#(OQ:^,I有限元技术在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计,并和计算机辅助设计技术的结合越来越紧密。Future:应用领域:目前应用范围扩大到军事、航空、航天、机械、电子、化工、汽车、生物医学、建筑、能源、计算机设备等各个领域使用对象:从以专家为主转向普通设计者和开发工程师软件环境:今后分析软件环境的主要特点是自动化、集成化、直观化。从单一的CAE功能转向CADCAECAMCAT一体化使用时机:CAE技术将会贯穿产品开发的每一个环节*IQo){,SY专业融合:随着硬件性能的发展和理论方法的进一步完善,未来软件会更加有效。在实验方法(CAT)和分析方法(CAE)之间的平衡关系中,会向增加分析方法的方向倾斜。CAE与CAT技术结合在一起使用,这是一种“广义的CAE”技术,又称为产品评估。技术创新:变量化技术在CAD领域的成功应用将会扩展到分析领域,以实现变量化分析(VariationalAnalysis)。到那时,即时的、随意的多方案分析过程将使CAE变得更加轻松自如,易学好用。系列学习:常用CAE软件介绍和短评按照功能分类介绍结构分析用常用前后处理器HyperMesh:网格划分(前后处理)专用软件中,当属老大FEMAP:一个几个人的公司,其产品被各大软件(包括MSCNASTRAN)捆绑销售,有过骄人业绩。后归SDRC>EDS。MSCPATRAN:MSC的网格划分软件,前后处理器。GLviewPro:挪威船级社认可的专用后处理软件。机构分析软件ADAMS:RecurDyn:韩国的一款机械分析软件,其强项在于多体动力学的运用设计工程师用CAE分析软件DesignSpace,ANSYS的简易分析软件VisualNastran,MSCNASTRAN的简易分析软件CosmosDesignStar:COSMOSNASTRAN的简易分析软件这类软件只要求使用者会在几何图形上加边界条件和载荷条件即可,自动网格划分后计算求解。隐式线性和非线性结构分析软件ABAQUS:隐式非线性结构分析软件中的老大MSCMARC,前MARC经营不善,被MSC并购,不错的非线性结构分析软件其前后处理器Mentat可能被Patran取代。ANSYS:专业面广,在耦合分析中有过人之处。ADINA,:MIT教授KJBathe的作品。不错的非线性结构分析软件MSCNASTRAN,线性结构分析软件中的老大,不足之处在于与CAD的LINK较弱。可喜的是,将与IDEAS一样,在CATIA中作求解器。IDEAS:因FORD公司与SDRC公司的合作关系,该软件提供了汽车零部件开发中常用的CAE分析功能。由于FEM模型与CAD直接LINK,可以很方便地修改形状后再计算。:前COSMOSNASTRAN的改良版。SAP:年代加州大学Berkley分校的SAP,曾被北大教授改成SAP。CAEFEM:用C写的FEM软件,有小内存可进行大规模计算之说。……显式非线性结构分析软件LSDYNA:(美国)在近几年的冲击,碰撞,爆破,冲压成型加工等分析中出尽风头,其多种的材料模型可计算包括人体在内的分析。PAMCRASH:(法国)PAM系列的冲击碰撞分析软件,与LSDYNA是同一个母亲,也被许多汽车公司采用。RADIOSS:(法国)包括结构冲击碰撞,流体CFD,噪音等的大型分析软件DYTRAN:MSC开发的冲击碰撞分析软件:(荷兰)汽车碰撞分析用软件,人体模型不错。计算流体力学分析软件(CFD)STARCD:(英国)热流体,相流,化学反应等CFD分析软件。PAMFLOW:(法国)PAM系列的CFD软件FLUENT:(美国)SCRYUTetra:(日本)简便的热流体流动分析软件FLOWD:(美国)FIRE,SWIFT,FAME:(德国)AVL的发动机用CFD分析软件,汽缸内燃烧等ICEM:ANSYS的子公司生产的流体分析软件GRIDGEN,FIELDVIEW:RADIOSS:(法国)有流体噪音计算模块CFDesign:(美国)音响分析软件SYSNOISE:(比利时)LMS的噪声分析软件,被各大汽车公司采用。IDEASVibroAcoustic:用IDEAS的界面,MTS公司的噪声分析软件。有FEM和BEM的模块。通用最优化分析软件Optistruct:Altair开发的专业优化求解器,功能强大。iSight:最通用的最优化分析软件,可用于线性,非线性结构分析,CFD,注塑分析MOLDFLOW等最优化分析。VisualDOC:也是通用的最优化分析软件。MSCOptiShape:有很多结构优化分析用软件。引人注意的是拓朴及形状优化在生产设计中已开始被应用。生产过程仿真软件MOLDFLOW:包括注塑成型的流动,模具冷却,收缩,翘曲等塑料过程仿真。是同行中的老大。PLANETS:日本产的MoldFlowTIMON:日本TORAY公司(材料厂商)开发的D注塑成型仿真软件。:台湾产MoldFlowProCast:铸造仿真软件。系列学习:分析流程简介前后处理以HyperMesh为例,求解以ABAQUS或Optistruct为例。g~!~Hd$x步骤一:了解所分析的零件的功能或者要解决的问题的性质,确定分析的目的和内容。)JZ'O'jpVGVK#uqQw*Nh)Qb步骤二:进行准备工作,包括与设计人员的协调以及选择需要用的软件,各种常用CAE软件的介绍请参考我的《系列介绍之二》。步骤三:导入CAD几何数模(ProE,UG,CATIA等),如果模型很简单也可以用CAE软件自带的简单建模工具进行建模。如果是较大的项目,例如汽车整车的车身,需要考虑模型规模的大小,某些不必要的零件可以去掉。步骤四:如果是从CAD导入的模型,有可能发生几何特征缺失或者产生一些不必要的小碎面,这些几何错误都需要cleanup的工作,否则会影响有限元模型的质量、计算的精度和速度,HyperMesh在这方面有非常强大的功能,而且操作方便,其它CAE软件中只有Ideas能与之相比,但接口仍然不如HyperMesh(个人观点)。HyperMesh的强大几何清理功能我会在后面的介绍中详细阐述。'H$s#oqy!x)XG步骤五:根据分析的目的并结合模型的特点,选择适当的单元类型。虽然各种CAE软件有不同的单元类型,但实际上一些最常用的单元类型的原理都是相同的,想了解各种不同的单元建议参考ABAQUS的使用手册,内容博大精深,需要多年的使用经验积累才能完全领会,作为初学者,只需要用到什么学什么就可以了。清华翻译的两本ABAQUS书虽然老了点,但是在概念上并不过时。`"}gi:步骤六:根据计算机的能力和要求的精度确定合适的网格大小,划分网格。这是一个比较复杂的问题,可以作为大家讨论的重点。但总体来说,无他,唯手熟而。步骤七:施加载荷和边界条件,这是有限元模型的精华,所有令人丧气、郁闷的过程都集中于此,但是当计算结果比较成功的时候,带来的乐趣也是让人兴奋的。这一步需要的是经验和根据经验做出某种简化或者取舍的勇气。W#kA'c{:yG步骤八:分析计算,现代CAE软件的强大功能使这一步基本上不再需要人工干预了。中国实际上很缺这种懂算法的人才,又懂算法又懂计算机编程的就更少了,仅有的也在国外。国人还需努力呀。bx(}kf,S:g~bswDR,FW'L(t步骤九:结果的后处理,对计算结果进行分析,有可能需要调整计算方案,也是难点之一,既需要经验也需要知识。还有可能需要结合试验的结果进行分析。HFX#bYf}pF|FU)}'EO:Pi(LUL$|步骤十:确定计算结果以后,根据项目要求,需要跟设计人员再次协调,有些情况下需要提出改进的方案并进行验证。系列学习:CAE前处理之几何清理CAE软件在导入CAD几何模型的时候经常会遇到这样几种情况。一、CAE软件导入几何数模时发生错误,无法导入。这种问题可能是由于版本的限制问题,例如HyperMesh不能直接导入UG的prt文件,但就可以了。*不能直接导入proe的数据,但就可以了。这种问题比较好解决,用CAD软件把这些几何用iges格式输出处理一下就可以了。但这种问题也可能是几何数模中存在严重错误所致,这就需要修改模型了。二、导入几何模型后发现有些曲面无法导入,这样模型就会缺少一些比较重要的面,或者曲面存在缝隙、重叠、错位等缺陷,对较复杂的模型这种问题是经常性的。边界错位经常引起网格扭曲,导致单元质量不高,求解精度差。三、导入的模型很完整,没有错误。但是由于CAE分析和CAD设计的思想不同,会产生一些两难的问题。CAD设计主要是为生产服务的,模型中通常会包含某些细微特征,例如曲面和边的倒圆,小孔。进行分析时如果要准确模拟这些特征,需要用到很多小单元,导致求解时间过长。上面第一种情况不是我想讨论的内容,第二种和第三种情况则比较复杂,因为在这两种情况下,一些在前处理方面号称自动化程度高的软件,如Ansys、Marc、Patran等都会很郁闷。就算网格能划分出来,质量怎么保证呢毕竟我们对计算结果的精度和计算过程的费用是有要求的。那么怎么办一种办法是在做网格的时候忽略这些问题,比如说遇到缺少曲面,用户可以自己设法在CAE中做一个,毕竟简单的CAD工具还是有的。但也只能对简单的曲面。另外一种办法就是几何清理,不幸的是,据我所知,目前只有两种软件可以做到,HyperMesh和Ideas,另外我注意到Ideas的帮助里提到她的几何清理功能使用了HyperMesh的专利。关于HyperMesh的几何清理,基础内容请参考Hypermesh基础培训Day部分的第三章,培训材料的中文版我即将发布。很多东西还是要有经验才能理解的,大家慢慢摸索吧,有问题也可以到这里来问。最后说一点题外话,我感觉很多朋友对几何清理并不太在乎,这是可以理解的,作为学生,做分析项目主要是对一些很简单的模型,一般软件的功能就足够了。但是真正做工程项目是不一样的,要保证计算的精度,还要考虑计算的耗费,几何清理是CAE前处理的重要部分,有了它,很多事情可以事半功倍。在这一点上,国外和国内有很大的区别,国外对工程实际和理论的结合非常重视,国内则有一些脱节。还有这样一个现象,在国内用户群最大的软件,在国外市场份额很小,反之在国外用户最多的软件在国内没什么市场。原因当然很多,每个公司的市场做的业绩,企业领导的决定权、技术人员的观念系列学习:网格划分网格划分可以说是CAE工作中最简单的工作,繁琐而且技术性不高,但是它却是CAE分析的基础。一个有丰富经验的划分网格高手在美国的最低年薪是万美元,国内就不要想了,万人民币最多。但这个收入还是一般技术人员望尘莫及的,为什么你能在两个月内独立完成一个六缸发动机的六面体网格划分吗如果你可以,你就是大牛了,不管是真的牛还是吹的牛。我连吹都不敢吹,我用了近一个月才作了一个发动机箱盖的六面体网格,还简化了很多东西。sign实在是没面子。言归正传,划分网格要明确的几个问题:一、用什么类型的单元来划分网格这取决于你要做什么分析和模型的结构特点,对同样的分析,采用的求解器不同也会影响这个选择。想成为专家的人可以多看看各种软件的单元类型介绍,初学者则不要漫无目的的到处留“情”,用到什么搞明白就可以了,Abaqus帮助手册是很好的东东。当然如果你是超级牛人,还可以试试开发一种全新的单元。Ifnot,forgetit记住要选择的:单元的维数一维的线单元、二维的面单元、三维的体单元,如果是一维单元,还要根据功能不同选择bar、rigid等单元类型。单元的形状三角形还是四边形、四面体、五面体还是六面体单元的阶数节点的四边形还是()节点的四边形,节点的六面体还是节点的其它的一些特征,比如Abaqus里有减缩积分单元、非协调元等等,每一种都有相应的适用范围。二、网格的大小这取决于模型的规模、计算机的能力(CPU、内存、硬盘、是否并行算法),还有对计算精度的要求。同时,经验丰富的技术人员还知道网格的大小调整经常可以有效地提高计算精度同时降低计算耗费。三、划分的方法这个问题在这个论坛上大家已经讨论过很多实例了,不同的例子有很多种划分方式,比如说那个球体。有的朋友指出对复杂的模型,思路是最重要的,工具是次要的,也有朋友认为工具相对来说更重要。仁者见仁,智者见智,大家互相学习吧。对曲面网格HyperMesh有很多独有的划分方法,而且在划分网格时就能人工干预划分的质量,最后还有非常优秀的检查工具,应该是非常值得推荐的(也是国际公认的)。对于实体,四面体就不多说了,有些朋友认为ansys的完全自动分网技术非常优秀,也有些朋友认为还是先生成封闭的三角形面网格然后再自动化分体网格的方式更加能保证质量(因为中间多一个检查面网格质量的步骤)。我想多强调一下六面体网格,因为越来越多的客户认识到六面体网格的精确性,一般的行规也是,能用六面体就不用四面体。问题出现了,又有朋友认为软件划分六面体网格的自动化程度越高越好,但我不这么认为。毕竟机器不能代替人去思考,另外对复杂模型来说,完全自动划分几乎是不可能的,算法不能实现且不说,即使划分出来质量也没办法提。四、划分网格的一些原则:计算精度和计算耗费的平衡原则。并不是节点越多越好,高密度的网格能带来计算精度的提高,但是采用适当的单元类型才是最重要的,比如一块钢板,做不同的分析时可能会选择不同类型的单元,是壳单元还是体单元如果用体单元,用线性的还是用二次单元,是全积分还是减缩积分(Abaqus),在厚度方向上分布几层单元才合适毕竟节点数量的增加带来的是计算量以平方增长。例如我计算过的一个钢板弹簧,涉及接触问题,采用了六千多个六面体的减缩积分单元,如果用节点单元,计算时间是分钟,用节点单元,计算时间是个小时,精度变化只有。自动划分和人工干预的结合原则。并不是自动化程度越高越好。这个说法可能会引起歧义,我先解释一下。什么是自动化程度高是在复杂模型上自动生成乱七八糟的单元好呢,还是通过手工干预,合理地利用模型几何特征来实现自动划分好呢显然是后者,因为计算机不会知道哪个圆孔是需要特别关注因而需要细化网格的,它也不会知道哪个特征是可以忽略掉的。而通过人工指定就不一样了。绝对不要认为一个模型划分完网格能计算通过就万事大吉了,问题肯定是存在的。CAE的目的是什么是分析,结果是否合理,如何跟客户解释那么计算结果的合理性取决于什么呢,除了边界条件以外,网格的质量和合理性起着决定性的作用。划分网格最重要的原则就是态度。态度决定一切(米卢语),划分网格需要的耐心和细心都来源于认真的态度,我想无论是做人还是做事都一定要认真。系列学习边界条件我现在还记得我第一次做有限元分析的时候,一个朋友跟我讲,有限元分析的艺术性集中在边界条件上。做过两年的项目,深有体会,边界条件的问题就是往往为了准确地模拟一个模型需要很多次反复,但是其魅力也就在于很多次失败以后最后成功的那一刻。迄今为止,我只做过力学分析,对热分析和热力耦合都没有太接触过,所以对这些分析的边界条件都不熟悉。但仅仅是力学分析就够复杂了。很多软件的培训教材上的例子都是针对单个零件的,对初学者来说,往往就会认为有限元分析的边界条件无非就是加约束和加载荷(分布或集中载荷),能简化就简化,不用去考虑实际是什么情况。但实际上,加边界条件需要很多知识,尤其是试验的知识,因为计算结果总是要跟试验数据项对比的。如果要计算多个零件的装配就更复杂了,要考虑各个零件之间的装配关系,焊接、螺栓连接等等(尽管实际上这都属于网格划分的范畴,我还是在这里强调一下)。话说回来,培训教材上的例子还是非常重要的,不仅仅是因为它提供了初级的CAE分析流程,还因为它的很多例子都是有针对性的,对一些软件使用问题,在查手册的时候可以通过例子来看。总而言之,对有限元模型施加边界条件的原则就是:在反映真实情况的前提下,合理地进行简化。例如一个螺栓连接,如果需要对它进行强度校核,除了螺栓孔以外,还需要模拟螺栓和它的接触,如何加载但是,如果这个螺栓连接是在一个很大的装配上,我们真正关心的是整个模型的应力情况,这个螺栓只是起到连接两个零件的作用,这个时候甚至不需要考虑螺栓本身,只需要在螺栓孔位置将两个零件用rigid单元连起来就可以了。有限元分析的边界条件非常的复杂,无论是原理还是应用,如果要全部讲清楚可能需要在各个相关行业找几个有十年以上应用经验的人来讲应用,再从国外请几个算法大师来讲原理,当然听中还需要有一定的数学知识。这些都不是我现在所能做的。我只是希望能带给初学者一些对CAE分析整体的认识。在我刚刚跨进这一行的时候,很多次怀疑过我自己,因为我总是失败,但是也许就是那么一点点额外的不轻言放弃的性格让我坚持下来,很多次失败以后体会到了成功的快乐。无论我以后做什么都会记住这一点。最后想起来,作为一名CAE分析人员,一定要善于交流,对我们要分析的东西,一定要听取最了解它们的人的经验,做分析最大的好处就是,一个项目做完,你也就成了这方面的专家了。

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