CAE技术的应用
• 8月17日，北京奥运会游泳比赛项目在“水立方”落下帷 幕，9天内，我们见证了19项新的世界纪录和7项新的奥运 会纪录的诞生，见证了泳坛巨星菲尔普斯身着“鲨鱼皮” 泳衣勇夺8金的奥运传奇。
CAE技术铸就“鲨鱼皮”
• 我们知道水的阻力是运动员提高游泳速度的最大障 碍，它的流动方式是决定泳速的关键因素，因此降 低水的阻力自然成为帮助游泳运动员提高成绩的最 有效途径，它同时也是最具难度的一项工作。而应 用CAE仿真技术的“鲨鱼皮”泳衣却令人难以置信 地比普通泳衣的阻力低38%!
4. 课程要求、进度安排
宏观--微观 多物理场耦合 数值模拟在特种成成形中的应用范围不断拓宽 基础性研究增大 反向模拟技术 模拟软件
协同工作
模拟结果与设备控制的关联
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
1.教材：
隔板焊缝 G2 隔板焊缝 G3 主焊缝 Z4 主焊缝 Z1 注：隔板焊缝编号以一个隔板 为例，其余隔板相同。 主焊缝 Z3 主焊缝 Z2
焊缝的空间分布及编号图
宁德项目2#反应堆压力容器接管段
温度
700
600 500
modified design
应力
400
perature(°C)Temp
300
WELD2 Temperature in weld vicinity
什么是CAE？CAE是什么意思?
计算机辅助工程（CAE）是以工程和科学问题 为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。
– 一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分 析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。 – 另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简 单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了 低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的 设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时 CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展 ，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的 进步。
200
WELD1
100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Distance (mm)
焊接残余应力与焊缝布置
核电装备堆内构件应力槽计算
斜接管交换器焊接变形预测
0.50 0.45 0.40
first second third fourth
b
mm)
0.35 0.30 0.25
isplacement(mDi 0.20 内环1
傅建主编. 材料成形过程数值模拟.化学工业出版社，2009
2.参考书目：
① 刘劲松;张士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的应用.中国水利水电出版 社,2010
② 陈立亮主编．材料加工 CAD/CAE/CAM技术基础 ．机械工业出版社，2006
③ 董湘怀主编．材料成形计算机模拟．机械工业出版社出版社，2002 ④ 辛啟斌编著．材料成形计算机模拟．冶金工业出版社，2005 ⑤ 张凯锋主编．材料热加工过程的数值模拟．哈尔滨工业大学出版社，2001 ⑥ 牛济泰主编．材料和热加工领域的物理模拟技术．国防工业出版社，1999
计算机模拟促进了热加工工艺改进 ——大型船用曲轴锻造数值模拟研究
计算机模拟促进了热加工节能降耗 ——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究
初始坯料形状、不同型砧（平砧、 90°V砧和120º V砧）倒棱后锻 件形状、以及120º V砧滚圆后形状
计算机模拟促进了热加工节能降耗 ——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究
Felt赛车结构设计
• Felt赛车公司借助CFdesign设计出的自行车称为“ 从未见过的最具空气动力学特性的自行车”，并且 赢得了一系列世界重大赛事。
型号：B2-pro 材料：碳纤维 重量：7.58Kg
ANSYS在国家体育场设计中的应用
• 国家体育场是2008年第29届奥运会的主体育场，承 担奥运会开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为 25万m2。建筑的设计使用年限为100年，其“鸟巢 ”结构将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地 面以上平面呈椭圆型，长轴为332.3m，短轴为 296.4m。主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合 屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由 48榀桁架与中间环梁构成，支承在周边24根组合柱 之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为68.5m， 最低点高度为42.8m。主桁架围绕屋盖中部的环梁 放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“ 鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混 凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全 脱开。
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。 将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟仿 真（模拟分析）最为重要。
对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工 作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产 生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 压铸循环次数 程序循环次数 紊流模型设置 温度场设置 缺陷分析设置 应力场分析设置 各个参数单位设置
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析（齿轮室）
实例分析（后处理过程）
• 凝固过程分析
计算机模拟促进了热加工节能降耗 ——汽车传动系统锻件的飞边余量
50
某汽车传动系统锻件的 飞边余量原来占到总重 量的约50%，经过计算 机模拟，改进了锻造工 艺设计，使飞边余量降 低到25%，通过节省原 材料降低了能耗。
25
飞边余量的降低百分比
计算机模拟促进了热加工节能降耗，还保证了产品质量 ——大型合金钢模块
0.15 0.10 0.05 0.00
内环2
内环3
a
外环1
0 200 400 600 800 1000 1200
外环2
1400 1600 1800 2000
Distance in axial direction(mm)
真空高压气淬炉流场温度场模拟
真 空 炉 实 体
真 空 炉 模 型
炉 内 流 场
工 件 内 部 温 度 场
• CAE技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻 力的理想方案。运动员要求理想的泳衣实现水中运 动过程尽可能平滑和不受到干扰，通过采用 FLUENT数值分析，研究人员得到泳衣各部位的阻 力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使 运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。
• 研究人员使用FLUENT软件分析的仿真数据，精确 定位运动员在水中身体的高磨擦区，通过CAE技术 寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置，然后 在该部位采用低磨擦材料进行设计。
这样就可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要问题在设 计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最优化、和柔性化为 特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。
塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔 • 变形行为的复杂性 变形机理的复杂性 变形金属材料性能的可变性 接触界面与摩擦作用
CAE在焊接结构上的应用
MSC.MARC
本课程学习基础及方法
应用MARC和Procast集成CAE仿真分析软件是一项比较复
杂、对使用者要求相对较高的技术。要求软件的使用者首先
要具备以下的背景知识及一定的工程实践经验，基础包括：
1. 2. 3. 4. CAD/CAE/CAM的基础知识 具有一定的有限元分析方法的理论知识 铸锻焊工艺基础及模具设计的理论 具备能熟练使用某一三维CAD软件进行三维造型的能力（ProE、UG 、 Solidworks、 CATIA ） 5. 具备一定的专业外语阅读水平
P20大模块预冷→水淬→自回火→水淬→自回 火处理后珠光体分布云图
国家体育馆空间结构梁焊接变形
隔板 66 第4段 第3段 外侧腹板
隔板 39
隔板 38 隔板 41
隔板 22a 第2段 上翼板 第1段 隔板 37 内侧腹板 下翼板 隔板 B1
结构整体示意图
隔板编号示意图
隔板焊缝 G1 隔板焊缝 G4
6.
具备一定的计算机基本操作技能
国内外CAE分析师待遇情况
• 国外 因行业而异CAE分析师的年薪工资平均在8－10万美元，网格划 分师在10万美元以上。
• 国内
平均在年薪8万
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
应用现状
计算机模拟促进了热加工工艺改进 ——大型船用曲轴锻造数值模拟研究
塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法
工程法（Slab法，主应力法） 滑移线法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限单元法（UBET) 有限单元法（FEM,Finite Element Method）
• 实验/解析法
相似理论法 视塑性法 • 数值法 有限元法 有限差分法 边界元法
铸件CAD/CAE一体化技术
CAD及CAE技术已经逐渐在各行各业得到了广 泛应用。CAD/CAE一体化技术一度被业界追逐并 终于得到了广泛应用，为提高企业研发效率发挥 了重要作用。
铸件成型CAE分析过程
首先由CAD完成设计模型，包括铸件、模具、等 ，通过标准格式输出模型导入CAE分析程序。然后 对模型进行网格离散，以上过程称为CAE的前处理 。在后处理过程中包括对铸件温度场、速度场、应 力场的耦合计算，然后对结果进行显示，生成位移 、应力、温度、压力分布的等值线图以及各个场的 动态显示图。