中北大学 机械CADCAM技术 第6章.CAE分析
CADCAM第6章总结
CAD/CAM第六章学习总结计算机辅助工程分析是涉及有限元分析技术、数值计算技术、产品优化设计方法和工程分析与仿真等在内的一个综合性系统。
计算机辅助工程分析的核心技术是工程问题的模型化和数值实现方法。
计算机辅助工程分析的理论基础是有限元法、边界元法及结构优化设计技术等计算力学方法。
一．有限元分析技术1.1 有限元分析方法概述Finite Element Analysis是一种用于求解各类工程实际问题的数值计算方法，广泛应用于解决力学问题和场问题。
简称为FEA。
有限元分析的思路和方法：物体离散化。
单元特性分析。
单元组集。
求解未知节点位移。
1. 物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元（每种单元可以是一维、二维或三维的情况）组成的计算模型，这一步称作单元剖分。
离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来。
单元节点的设置、性质、数目等应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大)。
2.单元特性分析选择位移模式：可选择节点位移作为基本未知量；可选择节点力作为基本未知量；亦可取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量。
分析单元的力学性质：根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。
计算等效节点力：用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。
3.单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整体的有限元方程KqFK是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；F是载荷列阵。
4.求解未知节点位移解有限元方程式得出位移。
这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。
有限元法的基本思想是“一分一合”，“分”是为了进行单元分析，“合”则是为了对整体结构进行综合分析。
1.2 有限元分析方法中单元特性的导出方法直接方法。
虚功原理法。
能量变分原理方法1.直接方法图中所示是xoy平面中的简支梁弯曲简图，EI为梁的抗弯刚度。
CAE分析概述
3
课程简介
➢ CAE概述 ➢ 弹性力学简介 ➢ 有限元分析的基础理论 ➢ ANSYS的应用简介 ➢ 平面问题有限元法 ➢ 单元类型及单元分析
4
CAE分析
第一章 CAE分析概述
5
CAE分析的概念
CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计。 指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设 计工作。
[3]谭继锦. 汽车有限元法[M]. 人民交通出版社，2012 [4]王正军，孙立明. ANSYS 18.0有限元分析基础与实例教程
[M].机械工业出版社，2018 [5]王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 清华
大学出版社, 2001 [6]周中坚，卢耀祖. 机械与汽车结构的有限元分析[M]. 同济
10
边值问题的数值解
有有限限差差分分法 FD法M
有有限限元元法 F法EM
边边பைடு நூலகம்界元元法 B法EM
有限体积法
多重网格法
无网格法
finitfeinviotleuvmoelummeethod multmigurlitdigmriedthod meshmlesshlmesesthod
method
method
源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品 在整个生命周期内的可靠性； 4. 采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本； 5. 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 6. 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 7. 进行机械事故分析，查找事故原因；
随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集 成电路和微型计算机的出现，使CAD、CAM与CAE等新技术得以十 分迅猛的发展。已经在电子、造船、航空、航天、机械、建筑、汽车 等各个领域中得到了广泛的应用，成为最具有生产潜力的工具。
《CADCAM软件技术应用CAA》教学讲义教案
《CADCAM软件技术应用CAA》教学讲义教案一、教学内容本节课选自《CADCAM软件技术应用》CAA章节，主要详细内容包括CAA软件的基本操作、二维图形绘制、三维建模、装配与动画、工程图输出等。
二、教学目标1. 让学生掌握CAA软件的基本操作，能熟练使用软件进行二维图形绘制。
2. 让学生学会利用CAA软件进行三维建模，并了解装配与动画的制作方法。
3. 培养学生运用CAA软件进行工程图输出的能力。
三、教学难点与重点1. 教学难点：CAA软件的三维建模与装配动画制作。
2. 教学重点：CAA软件的基本操作、二维图形绘制、工程图输出。
四、教具与学具准备1. 教具：计算机、投影仪、白板。
2. 学具：装有CAA软件的计算机、教材、笔记本。
五、教学过程1. 导入：通过展示实际工程案例，引出本节课的主题，激发学生学习兴趣。
细节：展示一个利用CAA软件设计的机械零件，让学生了解软件在实际工程中的应用。
2. 知识讲解：（1）基本操作a. 界面介绍b. 常用工具栏及功能介绍（2）二维图形绘制a. 点、线、圆等基本图形绘制b. 图形编辑与修改（3）三维建模a. 基本几何体创建b. 曲面建模c. 实体建模（4）装配与动画a. 零部件装配b. 动画制作与演示（5）工程图输出a. 视图创建与布局b. 尺寸标注与注释3. 实践操作：（1）教师演示：以一个简单的实例，展示二维图形绘制、三维建模、装配与动画制作、工程图输出等操作。
（2）学生练习：学生在计算机上跟随教师步骤，完成一个相同实例的操作。
4. 随堂练习：（1）绘制一个简单的二维图形。
（2）创建一个三维模型。
（3）完成一个简单的装配与动画制作。
（4）输出一个工程图。
六、板书设计1. 二维图形绘制步骤2. 三维建模方法3. 装配与动画制作流程4. 工程图输出要点七、作业设计1. 作业题目：（1）绘制一个复杂的二维图形。
（2）创建一个具有实际意义的三维模型。
（3）完成一个简单的装配与动画制作，并输出工程图。
2024年《CADCAM软件技术应用CAA》教学讲义教案
2024年《CADCAM软件技术应用CAA》教学讲义教案一、教学内容本讲义基于2024年《CADCAM软件技术应用》CAA课程，主要涉及教材第四章“CADCAM软件的曲面设计与加工”内容。
详细内容包括曲面设计基本原理、曲面建模方法、曲面加工策略以及CADCAM软件在实际工程中的应用案例。
二、教学目标1. 理解曲面设计的基本原理，掌握曲面建模方法。
2. 学会运用CADCAM软件进行曲面加工编程，提高加工精度和效率。
3. 培养学生的实际操作能力，使其能够将CADCAM技术应用于工程实践。
三、教学难点与重点1. 教学难点：曲面建模方法的选择与应用、曲面加工策略的制定。
2. 教学重点：CADCAM软件在曲面设计与加工中的实际应用。
四、教具与学具准备1. 教具：多媒体教学设备、投影仪、黑板、粉笔。
2. 学具：计算机、CADCAM软件、教材、笔记本、文具。
五、教学过程1. 实践情景引入（5分钟）利用多媒体展示实际工程中的曲面设计案例，引导学生思考曲面设计在实际工程中的应用。
2. 理论讲解（15分钟）讲解曲面设计基本原理、曲面建模方法、曲面加工策略等理论知识。
3. 例题讲解（20分钟）结合教材例题，详细讲解曲面建模和加工的操作步骤，强调注意事项。
4. 随堂练习（20分钟）布置随堂练习，让学生运用CADCAM软件进行曲面建模和加工操作，巩固所学知识。
5. 互动讨论（10分钟）六、板书设计1. 曲面设计基本原理2. 曲面建模方法参数化曲面非参数化曲面3. 曲面加工策略粗加工精加工4. CADCAM软件应用案例七、作业设计1. 作业题目：利用CADCAM软件完成一个简单的曲面设计与加工任务。
2. 答案：曲面建模和加工操作步骤，具体可根据学生实际完成情况进行评分。
八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：鼓励学生课后深入了解曲面设计与加工技术在其他领域的应用，提高学生的创新能力。
重点和难点解析1. 教学难点与重点的确定2. 例题讲解的详细程度3. 随堂练习的设计与实施4. 作业设计的内容与答案5. 课后反思及拓展延伸的深度一、教学难点与重点的确定参数化曲面与非参数化曲面的区别和适用场景。
机械CADCAM技术考试知识点
机械CADCAM技术考试知识点第一篇：机械CADCAM技术考试知识点第一章1、CAD计算机辅助设计指工程技术人员在计算机及其各种软件工具帮助下应用自身知识和经验对产品进行包括方案构思总体设计工程分析图形编辑技术文档等一切设计活动的总称CAD功能：几何建模、工程分析、模拟仿真、工程绘图。
2、CAPP计算机辅助工艺设计是根据产品设计结果进行产品的加工方法和制造过程的设计功能：毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定、工时定额计算等3、CAM广义指利用计算机完成从毛坯到产品制造过程中的直接和间接的各种生产活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流控制、质量保证等。
狭义指数控加工编程包括刀具路线规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及后置处理和数控代码生成等作业过程。
4、CAD/CAM系统功能产品几何建模、产品模型的工程分析处理、工程图绘制、辅助制定工艺规程、NC自动编程、加工过程仿真模拟、工程数据管理5、CAD/CAM作业（现代产品设计与制造特征）：产品开发设计数字化、设计环境网络化、设计过程并行化、新型开发工具和手段的应用。
6、CAD/CAD系统是由硬件、软件和设计者组成的人机一体化系统7、CAD/CAM系统的硬件主要由计算机主机，输入设备、输出设备、存储器、生产装备及计算机网络等几部分。
其硬件系统具有的要求：强大的处理功能、大外存储容量、友好方便的人机交互功能、良好的通信联网功能8、输入设备键盘、鼠标、图形扫描仪、三坐标测量仪、激光扫描仪、数码相机、数据手套以及各种位移传感器。
输出设备图形显示器、打印机、绘图仪、立体显示器、三维打印机9、CAD/CAM系统的软件分为系统软件、支撑软件、专业性应用软件。
CAE部分模块有限元分析模块、运动机构仿真分析模块、优化设计模块。
10、（论述题）CAD/CAM技术的发展趋势a集成化单一功能各模块CAD、CAE、CAPP、CAM、PDM的集成CAD/CAM与ERP集成，即技术与管理信息的集成b网络化通过网络将不同地点的CAD/CAM系统连接起来，可实现设计信息交换，共享网络资源，降低设计成本，加速了产品设计进程。
机械设计基础了解机械设计中的CAE技术
机械设计基础了解机械设计中的CAE技术机械设计作为一门复杂而重要的学科，其涉及的技术不仅需要基本的设计能力，还需要了解并运用到一系列的辅助工具中。
计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，简称CAE）技术在机械设计过程中起着重要的作用。
本文将介绍机械设计中的CAE技术及其在实际工程中的应用。
一、CAE技术概述CAE技术是利用计算机辅助工程软件来模拟和分析产品性能的一种方法。
它通过建立适当的数学模型，并利用数值分析的方法，对产品的结构、材料、工艺等进行模拟和分析，从而预测产品的性能并进行优化设计。
CAE技术在机械设计中的应用非常广泛，包括结构分析、热传导分析、流体力学分析等。
二、CAE技术在结构分析中的应用在机械设计中，结构的强度和刚度是非常重要的考虑因素。
CAE技术可以通过有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）来模拟和分析结构的应力、变形等性能。
首先，通过在计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）软件中建立结构的几何模型，然后将模型导入FEA软件中进行网格划分和材料属性定义。
最后，利用数值分析方法求解方程组，得到结构在不同工况下的应力和变形分布情况。
这些分析结果可以帮助设计师快速评估结构的安全性，并进行相应的优化设计。
三、CAE技术在热传导分析中的应用热传导分析是机械设计中另一个重要的方面。
在某些机械设备中，由于工作条件的不同，会产生大量的热量。
如果不合理处理这些热量，可能导致机械设备的过热，进而影响其正常运行。
CAE技术可以通过热传导分析来模拟和分析热场的分布情况，从而帮助设计师优化散热方案。
在热传导分析中，需要建立热传导方程和边界条件，并利用数值方法求解得到温度场的分布情况。
这些分析结果可以指导设计师选择合适的材料和散热方式，以提高机械设备的热传导性能。
四、CAE技术在流体力学分析中的应用流体力学分析在机械设计中也占据重要的地位。
CAE分析
B340LA
B410LA St37 St44 St52 H+ZF90 H+ZF90
18
15 20 18 15 22 21
21
22 23 24 25 26 27
H380LAD+ZF90
H420LAD+ZF90 B340/590DP B400/780DP DOCOL 600DP DOCOL 800DP DOCOL 1000DP
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2.2.2.2板坯位置 板料位置：位于压边圈上（on binder）。 2.2.2.3 材料 模拟所用材料规格及性能参数采用宝钢标准， 2.2.2.4 轧制方向（Roll angle） 轧制方向根据板料形状及落料时送料方向来定，卷料送料方向即 为板料零度轧制方向，零度轧制方向按如图一来设定：
2.2.8.2 结果（Results） 全部开启（All on） 2.3 回弹模拟工序参数设置（Process Generator--Springback） Process 中回弹类型选择自由回弹（Free），参考几何为零件 与凹模贴合的表面。
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Process 工序 Gravity/binderwrap 重力 Closing 闭合 Drawing 拉延 Forming 整形 Springback 回弹
Element formulation 单元选择 Elastic shell 弹性壳单元 Elastic plastic shell 弹、塑性壳单元 Elastic plastic shell 弹、塑性壳单元 Elastic plastic shell 弹、塑性壳单元 Elastic plastic shell 弹、塑性壳单元
运用CAE技术进行机械结构的强度分析
运用CAE技术进行机械结构的强度分析随着现代工程技术的不断发展，计算机辅助工程（CAE）技术在机械结构的设计与分析中扮演着重要的角色。
特别是在机械结构的强度分析方面，CAE技术能够提供更加精确和可靠的分析结果，帮助工程师优化设计、提高安全性和降低成本。
本文将介绍运用CAE技术进行机械结构强度分析的基本原理和常见方法。
一、CAE技术概述CAE技术是通过计算机模拟工程系统的行为和性能的一种工程分析方法。
它采用了数值计算方法，通过对结构的数学建模和计算求解，得到结构的力学响应、变形和应力等相关信息。
CAE技术的主要应用领域包括结构分析、热分析、流体分析和振动分析等。
在机械结构的强度分析中，CAE技术通过建立结构的有限元模型，通过求解有限元方程，分析结构在外部载荷作用下的响应和性能。
通过这种方法，工程师能够获得结构的应力分布、变形量以及其他相关参数，从而判断结构在工作条件下的强度和可靠性。
二、CAE技术在机械结构强度分析中的应用1. 有限元建模在进行机械结构的强度分析前，首先需要建立合适的有限元模型。
有限元模型是结构和载荷的数学化表示，它是进行强度分析的基础。
在建立有限元模型时，需要考虑结构的几何形状、材料特性以及约束和载荷条件等因素。
通过将结构划分为若干离散的单元，然后根据其几何形状和边界条件等，将结构划分为三角形单元、四边形单元或其他形状的单元。
有限元建模的精度和适用性对强度分析结果的准确性有着重要的影响。
2. 边界条件和载荷定义在进行机械结构强度分析时，需要定义合适的边界条件和载荷。
边界条件包括结构的约束条件，如支撑点或固定点；载荷包括结构所受到的静载荷、动载荷以及热载荷等。
合理的边界条件和载荷定义对于准确的强度分析结果至关重要。
在定义载荷时，还需要考虑载荷的大小、方向和作用持续时间等因素。
3. 线性静力学分析线性静力学分析是机械结构强度分析的基础。
在进行线性静力学分析时，假设结构的应力-应变关系满足线性弹性，载荷是静载荷，并且结构的变形较小。
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_ 轿车 _ 卡车 _ 公共汽车 _ 火车 _ 轮船 _ 航行器
1.3 有限元法的应用实例
接触/碰撞
_ 跌落试验 _ 摆锤碰撞试验 _ 喷气发动机扇片的包容性
分析
LS-DYNA Overview
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
金属挤压成型：温度分布和变化
有限元分析流程
LS-DYNA Overview
前处理
模型建立 网格划分 属性定义 接触设置 边界条件
计算
Ls-dyna 求解器 得出d3plot
文件
后处理
结果分析 模拟动画
有限元分析流程
LS-DYNA Overview
前处理
有限元分析流程
LS-DYNA Overview
有限元法的前处理
有限元前处理包括：模型建立、网格划分、单元属性定义、材料属 性定义、确定载荷类型、设置接触条件和边界条件、…
有限元法的基本思想是： 先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个、
且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。 然后对单元（小区域）进行力学分析。 最后再整体分析。
这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基 本思路。
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
有限元模型是真实系统理想化的数学抽象
齿轮滚动接触应力分析
轧制
注塑成形
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
超音速导弹飞行
水下爆炸对舰船冲击 轿车后悬架弹簧支座冲压过程
潜射导弹
反潜鱼雷入水
穿甲碎片
LS-DYNA Overview
ENGINEERING TECHNOLOGY ASSOCIATES
LIVERMORE SOFTWARE TECHNOLOGY CORPORATION
有限元分析流程
单元类型
经常采用的单元：
_ 线单元 _ 壳单元 _ 二维实体单元 _ 三维实体单元
LS-DYNA Overview
线单元:
梁单元：用于螺栓，薄壁管件，C型 截面构件，角钢或细长薄膜构件（只 需膜应力和弯应力的情况）等模型
杆单元：用于弹簧、螺杆、预应力螺 杆和薄膜桁架等模型
弹簧单元：用于弹簧螺杆、或细长构 件，或通过刚度等效替代复杂结构等 模型
有限元模型由一些简单形状的单元组成， 单元间通过节点连接，并承受一定载荷
1.3 有限元法的应用实例
静态分析
实例1\板的静力分析.avi 实例2\角架的静力分析.avi 实例3\3D基本范例.avi 实例4\梁的自然振动分析.avi 实例5\板的屈曲分析.avi
LS-DYNA Overview
1.3 有限元法的应用实例
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
制造过程的模拟
_ 深拉 _ 液压成形 _ 超弹成形 _ 轧制 _ 挤压 _ 冲压 _ 加工 _钻
所有的这些成形过程可以利 用LS-DYNA 程序的质量 缩放和变化工具速度功能 来模拟
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
1 前言
LS-DYNA Overview
有限元法最初应用在工程科学技术中，它是一 种数学物理方法，用于模拟并且解决工程力学、热 学、电磁学等物理问题。它作为一个具有理论基础 和广泛应用效力的数值分析方法，可以求解过去用 解析方法无法求解的问题，对于边界条件和结构形 状都不规则的复杂问题，有限元方法是一种有效的 现代分析方法。
LS-DYNA Overview
1.1 有限元法的产生
有限元思想并非现代社会的产物，早在公元3世 纪，我国古代数学家刘徽就提出用割圆术求圆周长的 方法，即用有限个正多边形逼近圆周，边数越多，周 长与直径的比值就越接近一个常数。这就是有限元思 想的萌芽。
LS-DYNA Overview
1.2 有限元法的基本理论
由于几何、材料、荷载或分析要 求考虑细节等原因造成无法采用 更简单单元进行建模的结构分析
真实系统
有限元模型
机械CAD/CAM技术
LS-DYNA Overview
1.3 有限元法的应用实例
载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定 自由度和存在相互物理作用
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值 矩阵描述（称刚度或系数矩阵) 单元有线、面或实体以及二维或三 维的单元等种类
约束：就是消灭自由度！？
网格划分单元非常重要，有限元分析的精度 取决于网格划分的密度
太密会大大增加计算时间，计算精度却不会 成比例地提高，通常采取将网格在高应力区 局部加密的办法
有限元法分析计算时，依据分析对象不同，采用的单元类型也不同。分析对 象划分成什么样的单元，要根据结构本身的形状特点，综合载荷、约束等情况 全面考虑而定，所选单元类型应能逼近实际受力状态，单元形状应能接近实际 边界轮廓
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二维实体单元用于模拟实体截面
需在整体笛卡尔X-Y平面内建立模型 所有的荷载均作用在X-Y平面内，并且
其响应（位移）也在X-Y平面内
Y ZX
有限元分析流程
单元类型
经常采用的单元：
_ 线单元 _ 壳单元 _ 二维实体单元 _ 三维实体单元
LS-DYNA Overview
LS-DYNA Overview
手机跌落分析
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
商务通、移动电话跌落分析
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
机床振动有限元分析
1.3 有限元法的应用实例
LS-DYNA Overview
金属板料成形数值模拟
注塑成形数值模拟
计算机辅助工程分析
CAE
1 前言
LS-DYNA Overview
有限单元法又称有限元素法(Finite Element Method FEM)，是计算力学中的一种重要的方法，它是20世纪 50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算 机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学 和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。
有限元分析流程
单元类型
经常采用的单元：
_ 线单元 _ 壳单元 _ 二维实体单元
壳单元用于薄板或曲面模型 壳单元分析应用基本原则：每 块面板的主尺寸不低于其厚度 的十倍
有限元分析流程
单元类型
经常采用的单元：
_ 线单元 _ 壳单元 _ 二维实体单元 _ 三维实体单元