飞机设计数模 工装模型 产品技术要求
面向工艺的 虚拟装配
生产实际操作
装配环境构建
虚拟工厂组成元素
装配制造资源配置 工艺环境布局
示例3：数控加工过程仿真
目的：检查数控代码的正确性及工艺性分析
零件数字模型 零件毛坯材料
加工仿真系统
机床加工
数控代码
自定义刀具库、加工参数经验库、 机床运动仿真、碰撞干涉仿真、刀 轨仿真、加工精度分析、加工参数 优化、刀轨优化、加工变形分析等
边界元法（BEM）：积分方程格式 有限差分法（FDM）：微分方程格式
有限元法的基本思想
将连续体看成是有限个部分（有限元）的集合体，其 性态由有限个参数所规定，在求解离散有限元的集合 体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。
有限元法是将连续体的结构模型分解成数目有限的小 单元（有限元）。有限元彼此之间通过有限个结点互 相联结，在各结点上引入等效力代替作用在单元上的 外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来 解决连续体的力学问题。
从CAE到VP（虚拟样机）
以虚拟样机（Virtual Prototype）为基础，实现虚拟验证、虚拟测试、 虚拟试验与仿真，减少物理试验次数，缩短试验周期，提高产品质量。 机械设计师 设 计 验证与测试
概念
共享 模型
虚拟样机
物理样机
控制设计师
设 计
虚拟样机（Virtual Prototyping）
定义元素属性
Add Apply
CAD与CAE集成-示例
固定端定义
Change view to iso 1 Apply with surface/face geometry Select surface (solid1:13)
Add Apply
CAD与CAE集成-示例
固定端定义
CAD与CAE集成-示例
数字化设计 数字化生产准备
数字化分析
数字化制造
计算机辅助工程（CAE）技术及其应用
一、计算机辅助工程（CAE）的概念
二、CAE技术应用若干案例
CAM涉及的一些仿真概念
加工仿真技术
数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是 验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程的有力工具， 以减少工件的试切，提高生产效率。 直接实体造型法 基于图像空间的方法 离散矢量求交法
LHS end Fixed TX,TY,TZ
Steel: E=200x103 MPa v = 0.29
CAD与CAE集成-示例
3D Model
工字梁X截面草图 Z向拉伸工字梁X截面 另存为IGES文件
CAD与CAE集成-示例
存为IGES文件
CAD与CAE集成-示例
PATRAN应力分析步骤
多领域建模与 仿真
虚拟样机（Virtual Prototyping）
计算机辅助工程（CAE）技术及其应用
一、计算机辅助工程（CAE）的概念
二、仿真技术应用若干案例
示例1：发动机结构参数化设计
目的：将发动机结构设计与分析结合，快速修改结构尺寸 输出三维数字化模型、 以及分析部分的数据接 口文件
气动设计 基本外形 数 据
零件的参 数化建模 与修改
强度分析
温度分析 流场分析
满 足 是 要 求 否
设 计 结 束
示例2： 飞机装配过程仿真
目的：利用三维模型进行工艺过程设计 ，将产品模型和工艺技术要 求直观地在装配过程中展现出来。
装配顺序，定位 基准，连接方法， 干涉检查，工具 选用，相关技术 条件 等
数字化表示
安装定位 钻铰锪铆 修整检验
有限元法的实质是将无限个自由度的连续体理想化为 只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为 适合于数值解法的结构型问题。
CAE的应用
有限元法的基本流程
前置处理
结构分析 力学特性分析 单元类型选择
方程组求解
求解刚度矩阵
后置处理
可视化处理 建模可靠性检查 计算可靠性检查 分析报告
单元划分与编码
E
P


L

PL EA
P
有限元分析的前置处理
网格生成方法
适配网格格式
拓扑分解
结点连接
几何分解
栅格
变换单元
保形变换
有限元分析的前置处理
结构化网格生成方法
有限元分析的前置处理
四叉树法 非结构化网格生成方法
间接法
Delaunay网格
有限元分析的后置处理
计算结果可视化 计算可靠性检查
–变形图 –等值线图 –应力应变彩色图 –应力应变曲线 –振型图
CAE技术的发展
90年代，CAE公司一方面致力于CAE 系统功能的补充与完善，另一方面积 极发展与各大CAD软件的专用接口并 增强软件的前后置处理能力。 80年代，推出了流固耦合、热、噪声 等分析软件。 1978年HKS公司推出结构非线形分析 软件ABAQUS。1977年MDI公司成立， 后推出用于机械系统运动学/动力学仿 真分析软件ADAMS 1970年ANSYS公司推出ANSYS分析软 件。1968年SDRC公司动力学测试及模 态分析软件。1963年MSC公司推出 SADSAM结构分析软件，1965年更名 为MSC/Nastran
CAM涉及的一些仿真概念
加工仿真技术
• 试切，切蜡/木 =〉在试切环境的模型化、仿真计算和图形 显示等方面取得了重要的进展，目前正向提高模型的精确度 、仿真计算实时化和改善图形显示的真实感等方向发展。 • NC切削过程仿真分几何仿真和力学仿真两个方面。 • 几何仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响， 只仿真刀具-工件几何体的运动，以验证NC程序的正确性。 它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹具破坏 或刀具折断、零件报废等问题；同时可以减少从产品设计到 制造的时间，降低生产成本。 • 切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴，它通过仿真切削过 程的动态力学特性来预测刀具破损、刀具振动、控制切削参 数，从而达到优化切削过程的目的。
参数
Solver CAE 前后置处理 专用接口
•ANSYS •LS-DYNA •ABAQUS •NASTRAN
FEM 结果
CAD与CAE集成-示例
工字梁三维应力分析 三维造型软件：Solidworks 应力分析软件：MSC/Patran/Nastran
Ftotal Y-Force distributed over RHS x-section INPUT DATA: Force/Area = 11.36 N/mm2
导入3D/CAD数据IGES文件 产生实体 用正四面体进行网格剖分（边长50mm） 选择材料 定义固定端 定义加载 求解 绘制应力图 确定最大位移和最大应力
CAD与CAE集成-示例
导入IGES文件
CAD与CAE集成-示例
导入IGES文件
CAD与CAE集成-示例
实体定义
Select Solid, B-rep option Select all surfaces Apply
CAD与CAE集成-示例
确定最大位移和最大应力
Trans. shear stress (yz-stress) =31.4 MPa in mid-section on NA of beam NOTE: Agrees with mechanics of mats.
关于CAE的杂谈
CAD着重考虑零件或产品的几何设计；CAE着重考虑零件
或产品的性能分析。CAD与CAE服务于产品设计过程的不 同阶段，两者集成才是设计的最小完整过程。 分析模型的建立是应用CAE取得成效的关键。创建一个好 的计算分析模型需要正确的CAD模型和更多的经验和数据
。再好的有限元软件，再高档的计算机，只能辅助用户提
高建模的效率而不决定质量。 有限元技术本身并不直接创造价值，只有用于设计过程， 有限元技术才会转化为生产力。
UNIGRAPHICS
MINATE MODELER
MSC.SUPERMODEL MSC.THERMAL ABAQUS ANSYS and In-house codes
PTC/CADDS 5
CAE与CAD系统的集成
零件/装配参数 FEM 模型
CAD模型
• Pro/E • UG • CATIA • I-DEAS • MDT
Pro/ENGINEER MSC.DYTRAN MSC.MARC & MSC.ADVANCED FEA MSC.FATIGUE
CATIA
Integrating CAD with a Complete Analysis Solution
MSC.Patran
STEP ACIS IGES
MSC.NASTRAN
建立单元刚度矩阵 组装总体刚度矩阵 载荷列阵 边界条件处理
有限元分析的前置处理
目的：生成包含结点、单元类型、材料、边界条件、载荷等内容 的网格。 方式: （1）人机交互的FEM网格建模； （2）CAD系统中的自动或半自动网格生成
单元类型：一维的杆单元；二维的梁单元和板单元（三角形和四 边形）；三维的多面体单元（四面体和六面体）。
分析的理论基础和核心算法。该方法不仅可以用于计算静力 学模型，而且也可用于动力学模型求解；既可计算稳态温度 场的物体热力学响应，也可用于非稳态热源下的时间响应， 还可以用于电磁场的力学分析；既可用于刚性结构的受载变 形分析，也可用于轮胎等非刚性物体结构设计分析。总之， 有限元法已经成为工程结构设计阶段不可缺少的方法和工具。
数控加工过程仿真示意图
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机床、刀具、零件和夹具干涉检查 加工干涉碰撞（collision）检查 加工过程过切（gouge）检查 模拟、显示刀具轨迹 动态显示、模拟整个加工过程
示例4：复杂薄板件模具CAD/CAE/CAM