機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)CAE關(guān)鍵技術(shù)研究中文摘要

機(jī)床制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，但落后現(xiàn)狀使國(guó)產(chǎn)高速精密機(jī)床面臨進(jìn)口機(jī)床擠出效應(yīng)的嚴(yán)峻形勢(shì)。原因之一是新機(jī)床設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)理念落后，許多能有效提高機(jī)床性能的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)和信息等先進(jìn)理論和技術(shù)未能在設(shè)計(jì)中研究應(yīng)用。加入WTO后，低檔次機(jī)床不僅無(wú)法參與競(jìng)爭(zhēng)，而且拖了國(guó)家工業(yè)化和國(guó)防現(xiàn)代化的后腿。.針對(duì)國(guó)際上機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本項(xiàng)目結(jié)合典型機(jī)床研究高速精密機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵理論與技術(shù)，包括：機(jī)床三維CAD造型和參數(shù)化全相關(guān)設(shè)計(jì)，CAE動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和聲學(xué)建模、模型修整和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、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(jī)床設(shè)計(jì)信息集成與快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)。.項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)為系統(tǒng)、全面地研究應(yīng)用動(dòng)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(jī)床的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品性能，通過(guò)基于Web的機(jī)床設(shè)計(jì)信息集成，形成快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為機(jī)床現(xiàn)代化提供技術(shù)支持.

CAXA CAE 有嵌入到CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)2015中的CAXA CAE 2015，以及嵌入到CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)2016中的CAXA CAE 2016。以上兩個(gè)版本均提供免費(fèi)版和付費(fèi)版。用戶(hù)可在CAXA官網(wǎng)自行下載CAXA CAE。下載后直接使用、未購(gòu)買(mǎi)license的CAXA CAE license即為自動(dòng)成為免費(fèi)版。免費(fèi)版擁有全部功能，但使用一個(gè)月后會(huì)有節(jié)點(diǎn)限制。

用戶(hù)在使用CAXA CAE前需安裝CAXA 3D 實(shí)體設(shè)計(jì)。2100433B

下面就簡(jiǎn)單舉例說(shuō)明有限元在線公司CAE分析的具體內(nèi)容。

CAE工程咨詢(xún)網(wǎng)格分析

有限元在線的專(zhuān)業(yè)技術(shù)工程師可以為客戶(hù)提供高質(zhì)量的網(wǎng)格“設(shè)計(jì)”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(lái)進(jìn)行網(wǎng)格生成，在確保網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)快速及時(shí)的網(wǎng)格劃分，從而為您節(jié)省大量的時(shí)間和精力，使得您可以集中精力于實(shí)際工程問(wèn)題的分析與求解。

在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算（包括FEA、CFD等）中，網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)分析計(jì)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(huì)導(dǎo)致計(jì)算的無(wú)法完成或者得到無(wú)意義的結(jié)果。

在一個(gè)完整的分析計(jì)算過(guò)程中，與網(wǎng)格設(shè)計(jì)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(fèi)大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格處理，真正用于分析計(jì)算的時(shí)間很少，所以主要的瓶頸在于如何快速準(zhǔn)備好高質(zhì)量的滿(mǎn)足分析計(jì)算要求的網(wǎng)格。

準(zhǔn)備高質(zhì)量的分析模型是一件很費(fèi)時(shí)間和精力的事情，而且，要求完成該項(xiàng)工作的技術(shù)人員具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)驗(yàn)和背景，才能完成高質(zhì)量的網(wǎng)格。具體地說(shuō)，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(jì)”出能滿(mǎn)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(jìn)行分析計(jì)算。

之所以是網(wǎng)格“設(shè)計(jì)”而不是網(wǎng)格劃分，說(shuō)明了要設(shè)計(jì)出能夠滿(mǎn)足分析計(jì)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(xiàng)工作需要很多方面的知識(shí)和技術(shù)要求。

針對(duì)一個(gè)具體的分析計(jì)算要求，要獲得一個(gè)滿(mǎn)足該分析技術(shù)的高質(zhì)量的網(wǎng)格，一個(gè)承擔(dān)該項(xiàng)目網(wǎng)格設(shè)計(jì)的前處理工程師需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮：

◇分析計(jì)算的目的。（定性還是定量）

◇分析計(jì)算的類(lèi)型，如強(qiáng)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析等。（分析類(lèi)型對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量和形狀有不同的要求。）

◇分析計(jì)算的時(shí)間要求。（要求時(shí)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(duì)不同的分析問(wèn)題有特定的網(wǎng)格形式和要求）

◇盡可能采用最好的單元類(lèi)型。（所應(yīng)用的求解器可以采用的單元類(lèi)型，也會(huì)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(lèi)型。（最好的網(wǎng)格類(lèi)型意味著對(duì)于面，盡可能采用四邊形網(wǎng)格；對(duì)于體，盡可能采用六面體單元）

由此可見(jiàn)，滿(mǎn)足計(jì)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(jì)”出來(lái)的，而不是隨隨便便“劃分”出來(lái)的。

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

尤其是汽車(chē)，航天航空，電子這個(gè)行業(yè)里大量存在，像手機(jī)、汽車(chē)上的儀表板、汽車(chē)的車(chē)身，這樣的結(jié)構(gòu)件壁度單元很薄。很難用實(shí)體單元來(lái)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(gè)結(jié)構(gòu)的幾何中面。一般來(lái)說(shuō)像塑料件，薄壁件有一個(gè)共同的特點(diǎn)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(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的中面網(wǎng)格，中面有圓角、加強(qiáng)筋、圓孔等等，抽完中面之后，怎樣把它們連接起來(lái)；得到幾何之后如何保證高質(zhì)量的面網(wǎng)格。對(duì)于中面網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，最好的單元形式就是四邊形網(wǎng)格。

第二類(lèi)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(dòng)機(jī)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?yàn)榱骟w精度比較高。六面體的生成完全依靠人工來(lái)完成，這就需要非常專(zhuān)業(yè)的工程師才能完成。

第三類(lèi)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(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，比如整車(chē)，導(dǎo)彈的外流場(chǎng)，飛機(jī)等的外流場(chǎng)，有大量的曲面間隙需要去縫合修補(bǔ)，要生成面網(wǎng)格，還要考慮附面層，流體網(wǎng)格的特點(diǎn)是幾何清理極其復(fù)雜，工作量特別大，對(duì)附面層的質(zhì)量要求非?？量?。根據(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(xún)有限元（FEA）

有限元法是適應(yīng)使用電子計(jì)算機(jī)而發(fā)展起來(lái)的數(shù)值方法。起源于上個(gè)世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)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(duì)有限元法曾做過(guò)如下定義：

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

（b）求解離散成有限元的集合體時(shí)，其有限單元應(yīng)滿(mǎn)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(shí)際工程問(wèn)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(dòng)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(jī)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(duì)流的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析

質(zhì)量擴(kuò)散分析

靜水壓力造成的質(zhì)量擴(kuò)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(dòng)態(tài)應(yīng)力/位移分析

可以模擬各種隨時(shí)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(wèn)題

準(zhǔn)靜態(tài)分析

應(yīng)用顯式積分方法求解靜態(tài)和沖壓等準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題

退火成型過(guò)程分析

可以對(duì)材料退火熱處理過(guò)程進(jìn)行模擬

海洋工程結(jié)構(gòu)分析

對(duì)海洋工程的特殊載荷如流載荷、浮力、慣性力等進(jìn)行模擬

對(duì)海洋工程的特殊結(jié)構(gòu)如錨鏈、管道、電纜等進(jìn)行模擬

對(duì)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(duì)滑動(dòng)等進(jìn)行模擬

水下沖擊分析

對(duì)沖擊載荷作用下的水下結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)進(jìn)行生存力分析和疲勞壽命預(yù)估

設(shè)計(jì)靈敏度分析

對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

有限元在線最強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)在非線性分析。所有的工程問(wèn)題都是非線性的，在實(shí)際中并不存在完全線性的。有時(shí)候人們?yōu)榱饲蠼鈫?wèn)題的方便性，考慮自身的條件和限制，可以用線性來(lái)代替，但是如果材料本身是非線性的話，那么就沒(méi)有辦法用線性來(lái)代替。我們?cè)诜蔷€性分析方面有超過(guò)十年的經(jīng)驗(yàn)，完成了大量的項(xiàng)目。尤其對(duì)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(yàn)。像汽車(chē)的碰撞，鐵路里面的碰撞，電視機(jī)手機(jī)的跌落，都是高度的非線性問(wèn)題。

應(yīng)用有限元技術(shù)可以幫助：

1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)：縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；

降低開(kāi)發(fā)成本；

提高產(chǎn)品質(zhì)量；

1. 對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估：分析產(chǎn)品破壞原因；

評(píng)估產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中無(wú)法考慮因素作用下的安全性能

1. 進(jìn)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(xún)流體分析

有限元在線提供的流體分析服務(wù)包括：

■ 整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性分析　 －外形設(shè)計(jì)優(yōu)化（經(jīng)濟(jì)性/操縱穩(wěn)定性等）

■ 車(chē)燈除霧，除冰除霜分析

■ 空調(diào)系統(tǒng)及內(nèi)流場(chǎng)特性分析 －流量分配/除霜/舒適性分析/風(fēng)機(jī)

■ 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)分析

■ 空氣噪聲分析

■ 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒分析

■ 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙散熱分析　 －熱管理/風(fēng)扇

■ 制動(dòng)散熱分析

CAE工程咨詢(xún)優(yōu)化分析

應(yīng)用CAE分析技術(shù)，可以幫助設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)階段快速的進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，找到設(shè)計(jì)缺陷和不足，然而當(dāng)在CAE分析以后找到產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷和不足時(shí)，如何對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以期使得產(chǎn)品能夠在滿(mǎn)足給定設(shè)計(jì)要求的前提下具有最佳的性能（最輕、最強(qiáng)、最安全等），則是每一個(gè)設(shè)計(jì)工程師和CAE工程師希望達(dá)到的目標(biāo)。

CAE工程咨詢(xún)電機(jī)電磁分析

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

（1）電機(jī)設(shè)計(jì)

◇同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

◇無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

◇傳統(tǒng)有刷整流電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

◇感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（2）電機(jī)電磁分析

◇電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

◇電機(jī)基本性能分析

◇電機(jī)電場(chǎng)分析

◇電機(jī)冷卻分析

◇磁屏蔽分析

◇永磁電機(jī)的交直軸電感計(jì)算

（3）電機(jī)溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)計(jì)算

◇電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)計(jì)算

◇大型電機(jī)的水冷卻分析、空氣冷卻分析、油冷卻分析

◇電機(jī)風(fēng)扇冷卻分析

◇噪聲分析

電磁場(chǎng)分析：

穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分析: 激勵(lì)不隨時(shí)間變化,如永磁體的磁場(chǎng)、穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)等

諧性磁場(chǎng)分析: 激勵(lì)按正余弦規(guī)律變化,如感應(yīng)式電機(jī)

瞬態(tài)磁場(chǎng)分析: 激勵(lì)隨時(shí)間無(wú)規(guī)律變化

溫度場(chǎng)分析：

通過(guò)溫度場(chǎng)計(jì)算,得到電機(jī)整機(jī)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(chǎng)分析:熱源不隨時(shí)間變化

瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析:熱源隨時(shí)間變化

結(jié)構(gòu)分析：部件剛強(qiáng)度計(jì)算，接觸應(yīng)力計(jì)算，固有頻率計(jì)算，動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算等

CAXA CAE是與CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)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(dá)二階元素分析精度，而計(jì)算成本僅與一階元素相當(dāng)，適于非線性分析。 與CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)無(wú)縫耦合，形成CAD/CAE集成工具，方便用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品輕量化、優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。