機床結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計CAE關(guān)鍵技術(shù)研究

機床制造業(yè)是國民經(jīng)濟的命脈，但落后現(xiàn)狀使國產(chǎn)高速精密機床面臨進口機床擠出效應(yīng)的嚴峻形勢。原因之一是新機床設(shè)計開發(fā)理念落后，許多能有效提高機床性能的動力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)和信息等先進理論和技術(shù)未能在設(shè)計中研究應(yīng)用。加入WTO后，低檔次機床不僅無法參與競爭，而且拖了國家工業(yè)化和國防現(xiàn)代化的后腿。.針對國際上機床設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢，本項目結(jié)合典型機床研究高速精密機床結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵理論與技術(shù)，包括：機床三維CAD造型和參數(shù)化全相關(guān)設(shè)計，CAE動力學(xué)、熱力學(xué)和聲學(xué)建模、模型修整和結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、高速回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化、界面特性描述、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基于Web的機床設(shè)計信息集成與快速開發(fā)平臺。.項目創(chuàng)新點為系統(tǒng)、全面地研究應(yīng)用動力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)和信息等新技術(shù)新理論，提升高速精密機床的設(shè)計水平和產(chǎn)品性能，通過基于Web的機床設(shè)計信息集成，形成快速開發(fā)平臺，為機床現(xiàn)代化提供技術(shù)支持.

CAXA CAE 有嵌入到CAXA實體設(shè)計2015中的CAXA CAE 2015，以及嵌入到CAXA實體設(shè)計2016中的CAXA CAE 2016。以上兩個版本均提供免費版和付費版。用戶可在CAXA官網(wǎng)自行下載CAXA CAE。下載后直接使用、未購買license的CAXA CAE license即為自動成為免費版。免費版擁有全部功能，但使用一個月后會有節(jié)點限制。

用戶在使用CAXA CAE前需安裝CAXA 3D 實體設(shè)計。2100433B

下面就簡單舉例說明有限元在線公司CAE分析的具體內(nèi)容。

CAE工程咨詢網(wǎng)格分析

有限元在線的專業(yè)技術(shù)工程師可以為客戶提供高質(zhì)量的網(wǎng)格“設(shè)計”服務(wù)，可以熟練應(yīng)用ANSA和其他常用的網(wǎng)格劃分工具來進行網(wǎng)格生成，在確保網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)快速及時的網(wǎng)格劃分，從而為您節(jié)省大量的時間和精力，使得您可以集中精力于實際工程問題的分析與求解。

在進行數(shù)值模擬計算（包括FEA、CFD等）中，網(wǎng)格的質(zhì)量對分析計算的結(jié)果有至關(guān)重要的影響。高質(zhì)量的網(wǎng)格是高精度分析結(jié)果的保證，而質(zhì)量不好或者差的網(wǎng)格，則可能會導(dǎo)致計算的無法完成或者得到無意義的結(jié)果。

在一個完整的分析計算過程中，與網(wǎng)格設(shè)計與修改相關(guān)的前處理工作占到了CAE工程師工作量的70%-80%，CAE工程師往往要花費大量的時間來進行網(wǎng)格處理，真正用于分析計算的時間很少，所以主要的瓶頸在于如何快速準備好高質(zhì)量的滿足分析計算要求的網(wǎng)格。

準備高質(zhì)量的分析模型是一件很費時間和精力的事情，而且，要求完成該項工作的技術(shù)人員具有相當?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗和背景，才能完成高質(zhì)量的網(wǎng)格。具體地說，就是要求前處理工程師能夠根據(jù)CAE工程師提出的分析要求“設(shè)計”出能滿足CAE工程師分析要求的合適的網(wǎng)格，然后提交給CAE工程師進行分析計算。

之所以是網(wǎng)格“設(shè)計”而不是網(wǎng)格劃分，說明了要設(shè)計出能夠滿足分析計算要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格，并不是一件容易的事情，要完成這項工作需要很多方面的知識和技術(shù)要求。

針對一個具體的分析計算要求，要獲得一個滿足該分析技術(shù)的高質(zhì)量的網(wǎng)格，一個承擔該項目網(wǎng)格設(shè)計的前處理工程師需要從以下幾個方面進行綜合考慮：

◇分析計算的目的。（定性還是定量）

◇分析計算的類型，如強度分析、剛度分析、耐久性分析、NVH分析、碰撞分析、CFD分析、 熱流分析、動力學(xué)響應(yīng)分析等。（分析類型對網(wǎng)格的質(zhì)量和形狀有不同的要求。）

◇分析計算的時間要求。（要求時間的緊迫與否也決定了采用何種網(wǎng)格形式）

◇分析據(jù)算所采用的求解器。（不同的求解器對不同的分析問題有特定的網(wǎng)格形式和要求）

◇盡可能采用最好的單元類型。（所應(yīng)用的求解器可以采用的單元類型，也會決定網(wǎng)格的質(zhì)量與形狀要求）

◇盡可能采用最好的網(wǎng)格類型。（最好的網(wǎng)格類型意味著對于面，盡可能采用四邊形網(wǎng)格；對于體，盡可能采用六面體單元）

由此可見，滿足計算分析要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格是由前處理工程師精心“設(shè)計”出來的，而不是隨隨便便“劃分”出來的。

第一類是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中面網(wǎng)格，主要針對薄壁件。

尤其是汽車，航天航空，電子這個行業(yè)里大量存在，像手機、汽車上的儀表板、汽車的車身，這樣的結(jié)構(gòu)件壁度單元很薄。很難用實體單元來描述，這樣的部件要用殼單元描述。用殼單元描述，首先要得到這個結(jié)構(gòu)的幾何中面。一般來說像塑料件，薄壁件有一個共同的特點就是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有很多的筋圓孔等等。難度在于如何得到這個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中面網(wǎng)格，中面有圓角、加強筋、圓孔等等，抽完中面之后，怎樣把它們連接起來；得到幾何之后如何保證高質(zhì)量的面網(wǎng)格。對于中面網(wǎng)格來說，最好的單元形式就是四邊形網(wǎng)格。

第二類網(wǎng)格就是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的六面體。

像結(jié)構(gòu)體，譬如發(fā)動機的缸蓋、活塞、缸體、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、變速箱的殼體，這樣的結(jié)構(gòu)最好的形式是用六面體，因為六面體精度比較高。六面體的生成完全依靠人工來完成，這就需要非常專業(yè)的工程師才能完成。

第三類比較復(fù)雜的網(wǎng)格，就是流體網(wǎng)格CFD網(wǎng)格。

流體網(wǎng)格幾何的外表面是封閉的，對于一個結(jié)構(gòu)來說，比如整車，導(dǎo)彈的外流場，飛機等的外流場，有大量的曲面間隙需要去縫合修補，要生成面網(wǎng)格，還要考慮附面層，流體網(wǎng)格的特點是幾何清理極其復(fù)雜，工作量特別大，對附面層的質(zhì)量要求非?？量獭８鶕?jù)你選擇的不同的流體方程，附面層網(wǎng)格的質(zhì)量有不同的要求。

CAE工程咨詢有限元（FEA）

有限元法是適應(yīng)使用電子計算機而發(fā)展起來的數(shù)值方法。起源于上個世紀50年代航空工程中飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。世界力學(xué)名著“有限元法”的作者監(jiān)凱維奇教授對有限元法曾做過如下定義：

（a）把連續(xù)體分成有限個部分，其性態(tài)由有限個參數(shù)所規(guī)定。

（b）求解離散成有限元的集合體時，其有限單元應(yīng)滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則，如力平衡規(guī)則等。

有限元方法所能解決實際工程問題：

靜態(tài)應(yīng)力/位移分析

包括線性，材料和幾何非線性，以及結(jié)構(gòu)斷裂分析等

動態(tài)分析

包括結(jié)構(gòu)固有頻率的提取，瞬態(tài)響應(yīng)分析，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析，以及隨機響應(yīng)分析等

粘彈性/粘塑性響應(yīng)分析

粘彈性/粘塑性材料結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析

熱傳導(dǎo)分析

傳導(dǎo)，輻射和對流的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析

質(zhì)量擴散分析

靜水壓力造成的質(zhì)量擴散和滲流分析等

耦合分析

熱/力耦合，熱/電耦合，壓/電耦合，流/力耦合，聲/力耦合等

非線性動態(tài)應(yīng)力/位移分析

可以模擬各種隨時間變化的大位移、接觸分析等

瞬態(tài)溫度/位移耦合分析

解決力學(xué)和熱響應(yīng)及其耦合問題

準靜態(tài)分析

應(yīng)用顯式積分方法求解靜態(tài)和沖壓等準靜態(tài)問題

退火成型過程分析

可以對材料退火熱處理過程進行模擬

海洋工程結(jié)構(gòu)分析

對海洋工程的特殊載荷如流載荷、浮力、慣性力等進行模擬

對海洋工程的特殊結(jié)構(gòu)如錨鏈、管道、電纜等進行模擬

對海洋工程的特殊的連接，如土壤/管柱連接、錨鏈/海床摩擦、管道/管道相對滑動等進行模擬

水下沖擊分析

對沖擊載荷作用下的水下結(jié)構(gòu)進行分析

疲勞分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料的受載情況統(tǒng)計進行生存力分析和疲勞壽命預(yù)估

設(shè)計靈敏度分析

對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行靈敏度分析并據(jù)此進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

有限元在線最強的優(yōu)勢在非線性分析。所有的工程問題都是非線性的，在實際中并不存在完全線性的。有時候人們?yōu)榱饲蠼鈫栴}的方便性，考慮自身的條件和限制，可以用線性來代替，但是如果材料本身是非線性的話，那么就沒有辦法用線性來代替。我們在非線性分析方面有超過十年的經(jīng)驗，完成了大量的項目。尤其對材料非線性，幾何非線性和接觸非線性，具有非常豐富的經(jīng)驗。像汽車的碰撞，鐵路里面的碰撞，電視機手機的跌落，都是高度的非線性問題。

應(yīng)用有限元技術(shù)可以幫助：

1. 產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)：縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；

降低開發(fā)成本；

提高產(chǎn)品質(zhì)量；

1. 對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行評估：分析產(chǎn)品破壞原因；

評估產(chǎn)品在設(shè)計中無法考慮因素作用下的安全性能

1. 進行產(chǎn)品的失效分析：發(fā)展與建立材料模型等

CAE工程咨詢流體分析

有限元在線提供的流體分析服務(wù)包括：

■ 整車空氣動力學(xué)特性分析　 －外形設(shè)計優(yōu)化（經(jīng)濟性/操縱穩(wěn)定性等）

■ 車燈除霧，除冰除霜分析

■ 空調(diào)系統(tǒng)及內(nèi)流場特性分析 －流量分配/除霜/舒適性分析/風機

■ 發(fā)動機進排氣系統(tǒng)分析

■ 空氣噪聲分析

■ 發(fā)動機缸內(nèi)燃燒分析

■ 發(fā)動機機艙散熱分析　 －熱管理/風扇

■ 制動散熱分析

CAE工程咨詢優(yōu)化分析

應(yīng)用CAE分析技術(shù)，可以幫助設(shè)計工程師在設(shè)計階段快速的進行設(shè)計驗證，找到設(shè)計缺陷和不足，然而當在CAE分析以后找到產(chǎn)品設(shè)計缺陷和不足時，如何對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，以期使得產(chǎn)品能夠在滿足給定設(shè)計要求的前提下具有最佳的性能（最輕、最強、最安全等），則是每一個設(shè)計工程師和CAE工程師希望達到的目標。

CAE工程咨詢電機電磁分析

有限元在線能提供優(yōu)質(zhì)快速的電機設(shè)計與電磁分析服務(wù)，內(nèi)容包括：

（1）電機設(shè)計

◇同步發(fā)電機設(shè)計與優(yōu)化

◇無刷直流電機設(shè)計與優(yōu)化

◇傳統(tǒng)有刷整流電機設(shè)計與優(yōu)化

◇感應(yīng)電機設(shè)計與優(yōu)化

（2）電機電磁分析

◇電機結(jié)構(gòu)分析

◇電機基本性能分析

◇電機電場分析

◇電機冷卻分析

◇磁屏蔽分析

◇永磁電機的交直軸電感計算

（3）電機溫度場和流體場計算

◇電機內(nèi)溫度場計算

◇大型電機的水冷卻分析、空氣冷卻分析、油冷卻分析

◇電機風扇冷卻分析

◇噪聲分析

電磁場分析：

穩(wěn)態(tài)磁場分析: 激勵不隨時間變化,如永磁體的磁場、穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場等

諧性磁場分析: 激勵按正余弦規(guī)律變化,如感應(yīng)式電機

瞬態(tài)磁場分析: 激勵隨時間無規(guī)律變化

溫度場分析：

通過溫度場計算,得到電機整機或部件的溫度分布、熱量的獲取和損失、熱梯度、熱流密度等。

穩(wěn)態(tài)溫度場分析:熱源不隨時間變化

瞬態(tài)溫度場分析:熱源隨時間變化

結(jié)構(gòu)分析：部件剛強度計算，接觸應(yīng)力計算，固有頻率計算，動態(tài)響應(yīng)計算，臨界轉(zhuǎn)速計算等

CAXA CAE是與CAXA實體設(shè)計軟件直接耦合的CAE分析模塊。它使用Sefea技術(shù) ，能直接耦合應(yīng)力、熱、電、流體物理性，分析精度可達二階元素分析精度，而計算成本僅與一階元素相當，適于非線性分析。 與CAXA實體設(shè)計無縫耦合，形成CAD/CAE集成工具，方便用戶對產(chǎn)品進行產(chǎn)品輕量化、優(yōu)化設(shè)計，以及對設(shè)計進行驗證。