面向CAE分析的裝配CAD模型全局對稱性識別研究

現(xiàn)代化計算機集成制造研究領域中，工程人員對通過全局對稱性識別降低裝配模型CAE分析規(guī)模十分關心。裝配模型的全局對稱性識別，對于降低CAE分析的運算規(guī)模，提高CAD/CAE的集成效率，乃至推動我國現(xiàn)代化數(shù)字集成制造技術的發(fā)展具有重要意義。裝配模型由零件模型裝配而成。根據(jù)零件是否可動，裝配模型可以分為靜態(tài)裝配模型和動態(tài)裝配模型?，F(xiàn)在對于靜態(tài)裝配模型的對稱性識別研究還很少，關于動態(tài)裝配模型的對稱性研究基本上還是空白。本項目定位是，提出面向CAE分析的靜態(tài)裝配模型和動態(tài)裝配模型的全局對稱性全自動識別方法，同時，所提方法能提高零件模型全局對稱性的識別效率及識別范圍。主要研究內(nèi)容包括：（1）B-Rep零件模型全局對稱性識別。（2）帶自由曲面特征零件模型全局對稱性識別。（3）靜態(tài)裝配模型全局對稱性識別。（4）動態(tài)裝配模型全局對稱性識別。重要結果包括：（1）提出了一種基于部分先驗的B-Rep零件模型全局對稱性識別方法。該方法僅需識別部分局部對稱性，利用先驗知識，就可以快速識別B-Rep模型全局對稱性。經(jīng)過充分實驗驗證，該方法魯棒性較高且速度較快。（2）提出了一種基于特征的帶自由曲面特征零件模型全局對稱性識別方法，該方法充分利用曲面設計特征，盡可能多地識別模型局部對稱性，然后通過合并驗證方法確定整個模型的全局對稱性。（3）提出了一種基于特征的靜態(tài)裝配模型全局對稱性識別方法。該方法充分利用裝配特征，并通過幾何推理，能有效識別靜態(tài)裝配模型全局對稱性。（4）在前兩個方法的基礎上，進一步提出了一種基于知識的動態(tài)裝配模型的全局對稱性識別方法。該方法以一致零件集為宏觀單元，并利用合并驗證規(guī)則和基于運動副規(guī)則，能快速識別裝配模型全局對稱性。通過實驗驗證，該方法能自適應識別靜態(tài)對稱性和動態(tài)對稱性，并且對初始運動時刻和采樣密度不敏感，魯棒性較高，同時能盡量避免對運動過程進行密集采樣，速度較快?？茖W意義體現(xiàn)在，本項目較好解決了宏觀對稱性識別單元確定、動態(tài)裝配模型中的密集采樣等問題，最終為提高靜態(tài)裝配模型和動態(tài)裝配模型的CAE分析效率，提供了強有力的對稱性簡化依據(jù)。 2100433B

識別裝配CAD模型全局對稱性，能大幅降低裝配模型CAE分析的運算規(guī)模。裝配模型通常結構復雜且數(shù)據(jù)量大，對稱性識別十分困難。裝配模型全局對稱性的快速識別對提高CAE分析效率意義重大。. 本項目首先研究零件CAD模型的對稱性快速識別方法，以此為基礎，主要研究面向CAE分析的裝配CAD模型全局對稱性識別方法，研究內(nèi)容包括幾何級、特征級、靜態(tài)級、動態(tài)級CAD模型的對稱性識別。不同于以往以點、邊、面為基本信息單元，本項目以特征、零件等宏觀信息單元為基本識別單元，基于層次遞進分而治之的思想，通過先識別后驗證，逐步識別CAD模型的全局對稱性。提出B-Rep模型、特征模型、靜態(tài)裝配模型及動態(tài)裝配模型的對稱性識別方法。這些方法不僅利用模型的幾何信息，更是充分利用特征、裝配關系、運動副等工程信息，通過建立對稱關聯(lián)規(guī)則、幾何推理等方法，有效降低裝配模型對稱性識別運算規(guī)模，從而提高其對稱性識別效率。

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)技術工程師可以為客戶提供高質量的網(wǎng)格“設計”服務，可以熟練應用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)格的質量對分析計算的結果有至關重要的影響。高質量的網(wǎng)格是高精度分析結果的保證，而質量不好或者差的網(wǎng)格，則可能會導致計算的無法完成或者得到無意義的結果。

在一個完整的分析計算過程中，與網(wǎng)格設計與修改相關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量的滿足分析計算要求的網(wǎng)格。

準備高質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人員具有相當?shù)募夹g經(jīng)驗和背景，才能完成高質量的網(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“設計”而不是網(wǎng)格劃分，說明了要設計出能夠滿足分析計算要求的高質量的網(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的高質量的網(wǎng)格，一個承擔該項目網(wǎng)格設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、動力學響應分析等。（分析類型對網(wǎng)格的質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。（所應用的求解器可以采用的單元類型，也會決定網(wǎng)格的質量與形狀要求）

◇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量的網(wǎng)格是由前處理工程師精心“設計”出來的，而不是隨隨便便“劃分”出來的。

第一類是復雜結構的中面網(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，這樣的結構件壁度單元很薄。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，首先要得到這個結構的幾何中面。一般來說像塑料件，薄壁件有一個共同的特點就是結構比較復雜，有很多的筋圓孔等等。難度在于如何得到這個復雜結構的中面網(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)格就是復雜結構的六面體。

像結構體，譬如發(fā)動機的缸蓋、活塞、缸體、曲軸、轉向節(jié)、變速箱的殼體，這樣的結構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，對于一個結構來說，比如整車，導彈的外流場，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雜，工作量特別大，對附面層的質量要求非?？量獭８鶕?jù)你選擇的不同的流體方程，附面層網(wǎng)格的質量有不同的要求。

CAE工程咨詢有限元（FEA）

有限元法是適應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構的矩陣分析。世界力學名著“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)應力/位移分析

包括線性，材料和幾何非線性，以及結構斷裂分析等

動態(tài)分析

包括結構固有頻率的提取，瞬態(tài)響應分析，穩(wěn)態(tài)響應分析，以及隨機響應分析等

粘彈性/粘塑性響應分析

粘彈性/粘塑性材料結構的響應分析

熱傳導分析

傳導，輻射和對流的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析

質量擴散分析

靜水壓力造成的質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

解決力學和熱響應及其耦合問題

準靜態(tài)分析

應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

海洋工程結構分析

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構如錨鏈、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構進行分析

疲勞分析

根據(jù)結構和材料的受載情況統(tǒng)計進行生存力分析和疲勞壽命預估

設計靈敏度分析

對結構參數(shù)進行靈敏度分析并據(jù)此進行結構的優(yōu)化設計

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。

應用有限元技術可以幫助：

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

降低開發(fā)成本；

提高產(chǎn)品質量；

1. 對現(xiàn)有結構進行評估：分析產(chǎn)品破壞原因；

評估產(chǎn)品在設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包括：

■ 整車空氣動力學特性分析　 －外形設計優(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

應用CAE分析技術，可以幫助設計工程師在設計階段快速的進行設計驗證，找到設計缺陷和不足，然而當在CAE分析以后找到產(chǎn)品設計缺陷和不足時，如何對產(chǎn)品的結構進行改進和優(yōu)化，以期使得產(chǎn)品能夠在滿足給定設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)質快速的電機設計與電磁分析服務，內(nèi)容包括：

（1）電機設計

◇同步發(fā)電機設計與優(yōu)化

◇無刷直流電機設計與優(yōu)化

◇傳統(tǒng)有刷整流電機設計與優(yōu)化

◇感應電機設計與優(yōu)化

（2）電機電磁分析

◇電機結構分析

◇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

結構分析：部件剛強度計算，接觸應力計算，固有頻率計算，動態(tài)響應計算，臨界轉速計算等

日照分析已成為城市發(fā)展規(guī)劃、人居環(huán)境評價以及“陽光權”法規(guī)實施保障的重要手段，廣泛應用于土地評估與利用、建筑規(guī)劃與設計以及能源發(fā)展規(guī)劃的各項決策中。實際應用中，地形要素與建筑同樣對日照產(chǎn)生遮擋影響，并且高度起伏較大的地形對由地理、天文和大氣等因素所引起的諸多誤差表現(xiàn)出*為顯著的放大效應，同時，復雜的地形要素也將明顯降低日照分析的計算效率。

《面向復雜地理場景的日照分析模型研究》是在國家自然科學基金重點項目“面向地理問題求解的分布式地理建模環(huán)境研究”（40730527）和國家自然科學基金項目“復雜地理場景中日照亮度與熱輻射分析模型研究”（41101372）課題支持下，以提高日照分析的科學性和真實性為出發(fā)點，融合天文和大氣多學科知識，從地學研究角度構建出面向復雜地理場景的日照分析模型。模型不僅顧及地球坐標系統(tǒng)、地球形體特征、地心視差及大氣折射對日照分析的精度影響，還考慮了復雜地形要素對日照分析的計算效率影響。

《面向復雜地理場景的日照分析模型研究》可供從事日照研究的生產(chǎn)、科研和教學人員參考。

《機械CAE分析原理及工程實踐》內(nèi)容涉及：大型機械結構和特殊結構的強度CAE分析技術；機械結構的局部穩(wěn)定性CAE分析技術和二次開發(fā)；基于CAE分析的機械結構優(yōu)化設計方法；網(wǎng)絡化CAE分析系統(tǒng)的構建及實現(xiàn)，并分析了目前CAE分析的研究趨勢。

《機械CAE分析原理及工程實踐》可供從事CAE分析技術的科研人員、工程實際中相關技術的應用人員以及高校機械工程專業(yè)師生參考。