完美实例讲解：飞机舱门研发的cae仿真应用
CAE解决方案
CAE解决方案概述：计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，简称CAE）解决方案是一种利用计算机技术来辅助工程设计和分析的方法。
它通过建立数学模型和进行数值计算，可以对产品进行虚拟仿真，从而提供工程设计和优化的解决方案。
本文将详细介绍CAE解决方案的背景、应用领域、工作原理以及优势。
背景：随着计算机技术的快速发展，CAE解决方案应运而生。
传统的工程设计和分析方法需要进行大量的实验和试验，耗费时间和资源。
而CAE解决方案通过建立数学模型和进行数值计算，可以在计算机上进行虚拟仿真，快速得出产品的设计和性能分析结果。
这种方法不仅大大节省了时间和成本，还提高了工程设计的准确性和可靠性。
应用领域：CAE解决方案广泛应用于各个工程领域，包括航空航天、汽车、船舶、机械、电子、建筑等。
在航空航天领域，CAE解决方案可以用于飞机结构设计和强度分析，以及飞行器的气动性能模拟。
在汽车工程中，CAE解决方案可以用于车身结构优化、碰撞仿真和噪音振动分析。
在建筑工程中，CAE解决方案可以用于建筑结构设计和地震响应分析。
总之，CAE解决方案可以在各个领域中提供工程设计和分析的支持。
工作原理：CAE解决方案的工作原理主要包括以下几个步骤：1. 建立数学模型：根据实际工程需求，使用CAD软件或其他建模工具建立产品的几何模型。
2. 网格划分：将几何模型离散化为有限元网格，即将产品划分为多个小单元，每个小单元称为有限元。
3. 材料特性定义：为每个有限元分配材料属性，包括弹性模量、密度、热导率等。
4. 载荷和边界条件定义：定义施加在产品上的载荷和边界条件，如力、热源、约束等。
5. 数值计算：利用数值计算方法，如有限元法、有限差分法等，对建立的数学模型进行求解，得到产品的响应结果。
6. 结果分析：对计算结果进行分析和评估，包括应力分布、变形情况、温度分布等。
7. 优化设计：根据分析结果，对产品的设计进行优化，以满足工程需求。
CAE计算机辅助工程仿真指南
CAE计算机辅助工程仿真指南第一章绪论 (2)1.1 CAE概述 (2)1.2 CAE仿真流程 (2)1.3 CAE软件简介 (3)第二章前处理技术 (3)2.1 几何建模 (3)2.2 网格划分 (4)2.3 边界条件设置 (4)2.4 材料属性定义 (4)第三章结构分析 (5)3.1 线性静力学分析 (5)3.2 非线性静力学分析 (5)3.3 动力学分析 (6)3.4 稳定性分析 (6)第四章热分析 (6)4.1 稳态热分析 (6)4.2 瞬态热分析 (7)4.3 相变分析 (7)4.4 热辐射分析 (8)第五章流体力学分析 (8)5.1 流体动力学分析 (8)5.2 湍流分析 (8)5.3 多相流动分析 (9)5.4 流体结构耦合分析 (9)第六章优化设计 (9)6.1 参数优化 (9)6.1.1 概述 (9)6.1.2 参数优化方法 (10)6.1.3 参数优化流程 (10)6.2 目标优化 (10)6.2.1 概述 (10)6.2.2 目标优化方法 (10)6.2.3 目标优化流程 (10)6.3 约束优化 (10)6.3.1 概述 (11)6.3.2 约束优化方法 (11)6.3.3 约束优化流程 (11)6.4 多目标优化 (11)6.4.1 概述 (11)6.4.2 多目标优化方法 (11)6.4.3 多目标优化流程 (11)第七章误差分析与验证 (11)7.1 误差来源与分类 (11)7.2 误差评估方法 (12)7.3 仿真结果验证 (13)7.4 模型校准与修正 (13)第八章结果分析与可视化 (13)8.1 结果提取 (13)8.2 数据处理 (14)8.3 可视化技术 (14)8.4 结果解释与评估 (14)第九章 CAE在实际工程中的应用 (15)9.1 机械结构设计 (15)9.2 电子产品设计 (15)9.3 建筑结构设计 (16)9.4 生物医学工程 (16)第十章发展趋势与展望 (16)10.1 技术发展趋势 (16)10.2 行业应用前景 (17)10.3 学术研究动态 (17)10.4 未来挑战与机遇 (17)第一章绪论1.1 CAE概述计算机辅助工程（ComputerAided Engineering，简称CAE）是一种利用计算机技术进行工程设计、分析和仿真的方法。
CAE仿真分析流程
CAE仿真分析流程CAE（计算机辅助工程）仿真分析是一种利用计算机实现的工程分析方法，以模拟和预测工程产品和系统的性能。
它通过数值计算和模型来代替传统的试验方法，可以快速、准确地评估产品的设计和性能。
下面是CAE仿真分析的流程及其步骤。
第一步：准备工作在进行CAE仿真分析之前，需要建立分析目标和所需的输入数据、边界条件以及使用的CAD模型。
这包括收集和整理相关数据，制定分析方案和目标。
第二步：建立数值模型在这一步，需要将CAD模型转化为数值模型，以便进行数值计算。
这可以通过网格划分和离散化来实现。
划分网格时，需要考虑模型的几何和结构特征。
第三步：设定物理和数学模型在这一步中，需要选择适当的物理模型（如流体动力学、热传导等）和数学模型（如有限元法、有限差分法等）。
物理模型会影响模拟的准确性和计算效率。
第四步：设定边界条件在这一步中，需要指定问题的边界条件，如约束、加速度和载荷等。
这些条件会直接影响计算结果和仿真分析的准确性。
第五步：进行数值计算在这一步中，使用所选的数值方法和模型进行数值计算。
这包括解方程组、求解数值逼近方程以及处理非线性和非定常问题等。
第六步：分析结果在这一步中，需要对数值计算的结果进行分析和解释。
这可能涉及到图形绘制、数据处理和统计分析等。
通过分析结果，可以评估产品的性能和优化设计。
第七步：验证和验证在这一步中，需要对模拟结果进行验证和验证。
这可以通过将仿真结果与真实试验数据进行比较来实现。
如果两者之间有良好的一致性，那么该模拟可以用于预测实际情况。
第八步：优化设计根据仿真结果和分析，可以对设计进行优化。
可以通过调整材料、几何形状和边界条件等来改善产品的性能。
第九步：迭代在这一步中，如果发现仿真结果与实际情况不一致，可以对模型和分析方法进行调整和迭代。
这可以提高仿真的准确性和可靠性。
总结CAE仿真分析是一种快速、准确和经济实用的工程分析方法。
通过建立数值模型、设定物理和数学模型、进行数值计算和分析结果，可以预测产品性能和优化设计。
某型飞机舱门密封结构仿真分析与优化设计
图2 整体有限元模型1.2 密封结构建模
图3 密封结构整体模型
密封带、门体、门框之间添加接触来模拟三者之间的相互关系，密封带与挡件、密封带与门体、采用滑动接触，门框与档件之间绑定，密封带内壁之间采用自接触，摩擦系数为
图4 密封结构接触形式
1.3 材料参数
机体结构除了密封带外均为铝合金材料2A12-T4和2024-T315，在分析过程中简化为各项同性的线弹性材料如表2所示。
科学与信息化2020年3月下 99
图5 舱门充压状态下阶差
舱门充压状态下密封带截面图如图6所示，
舱门关闭充压状态密封带被完全压扁，两侧密封带内壁接触在一起，两侧压缩量最大；航向前侧、上部与航向后侧连接处大部分被压扁，密封带内壁大部分接触在一起，压缩量次之；上部中间及下部中间密封带内壁未接触在一起，其中下部压缩量
图6 舱门充气后密封带截面示意图
舱门密封结构优化及分析
3.1 优化方案
图7 改进方案图
分析结果
经分析，优化后舱门关闭充压状态阶差如图8所示，从图可知，关门充压阶差最大值为3.88mm。
舱门阶差凸出门框不大，且阶差均匀稳定，满足设计要求。
图8 舱门关闭充压状态下阶差
本文通过HyperWorks软件对舱门进行了有限元仿真分析，分析结果表明：
）在维持舱门密封带不改变的情况下，舱门初始阶差及密封带压缩量参数设计不合理，导致舱门在增压状态下不能满足总体技术要求；
）优化设计后，舱门关闭充压状态阶差可满足总体技
）借助软件分析可有效地对产品设计方案进行验证分析与模拟人员操作情况，从而避免反复设计、节约设计成本、缩短研发周期。
陈定方等.现代机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社
科学与信息化2020年3月下。
CAE结构仿真分析及技术培训
CAE结构仿真分析及技术培训CAE（计算机辅助工程）结构仿真分析是一种通过计算机模拟和计算来预测和评估结构行为的技术。
随着计算机技术的不断进步和发展，CAE结构仿真分析在工程领域中得到了广泛的应用。
它能够帮助工程师快速准确地评估和优化产品设计、优化材料和工艺选用，提高产品的性能和质量，缩短产品研发周期和开发成本。
CAE结构仿真分析主要包括有限元分析（FEA）、计算流体力学分析（CFD）、多体系统动力学分析（MBD）等。
其中，有限元分析是最常用的一种技术，它通过将结构离散为有限数量的有限元单元来近似连续结构，利用数学方程求解方法对结构进行模拟和计算。
有限元分析可以用来预测结构的强度、刚度、振动响应、疲劳寿命等性能，帮助设计师评估和改善产品设计。
CAE结构仿真分析的优势在于可以全面、详细地观察和分析结构的应力、应变、变形等行为，比传统的试验方法更加灵活、高效、经济。
同时，CAE还可以进行多种不同工况的模拟和比较分析，帮助设计师进行全面的优化，提供更合理的设计方案。
对于工程师来说，掌握和运用CAE结构仿真分析技术是非常重要的。
因此，进行CAE结构仿真分析技术培训是必要的。
在培训中，首先需要学习计算力学、结构力学的基础知识，了解有限元分析的基本原理和方法。
然后，学习和熟悉常用的CAE软件，掌握软件的使用和操作技巧。
在培训中最好能有一些实际案例和工程应用，通过实践来提高学员的能力和技巧。
在CAE结构仿真分析技术培训中，可以设置以下几个主要内容：1.理论知识教学：包括计算力学、结构力学的基本原理和方程，有限元分析的基本概念和方法等。
2.软件操作培训：介绍常用的CAE软件，如ANSYS、ABAQUS等，讲解软件的功能和特点，讲解软件的界面和操作方法，以及如何建立结构模型、设置边界条件、求解和分析结果等。
3.实例分析：通过一些实际工程案例的仿真分析，让学员了解和熟悉实际工程中的问题和解决方法，通过实践来提高分析能力和技巧。
飞机舱门机构卡滞柔性仿真与试验分析
门机构 模型生成 模态 文件 （ 模态文 件后缀 为 ． ＭＮ Ｆ），将 模 态文件导入 ＡＤＡＭＳ动力学仿真软件 中 ，并对舱 门机构 进行
柔性处理得到柔性仿真模型 。
动力学仿真数据
舱 门机 构 节点位 移
本文给 出了舱 门机构 在卡滞载荷 下一些节点 的坐标 ，通 图 １ 各链接 节点示意 图
可 实现度
可替代度
行业关联度
析
舱 门机 构的正 常运行关系到舱 门的正 常开 启和关 闭 ，关 系到飞机 的安全 ，卡 滞载 荷对于舱 门机构而言 是需要重 点考 将上 拉杆 ４ ２ ７ ７ Ｎ载荷 施加到 摇臂 １耳 片上 ，并 将摇臂
１ 根本进行 固定约束 ， 摇臂 １ 有限元分析结果应力云图见图 ３ 。 摇臂 １上部和 下部应 变片处 应力水 平分别 为受压 一８ ４ ＭＰ ａ
一
二 ： ！ 二 ！ ！ 二 Nhomakorabea ！ ： ± ： 二 （
２
广］
＝
６ ４ ９ ． ６ ／ Ｊ
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图 ６ 加载示意 图 和受拉 ２ ２ ３ ＭＰ ａ。
摇臂 ２
＝ 一
半 一 蚯 丛
２ ２
１ ２ ９ ６ ． ６ ／ ｄ
摇臂 ２计算 方法 同摇 臂 １ ，施 加载荷 为下拉杆 载荷 ，有 限元应力云 图见 图 ４，摇 臂 ２上部应变 片处应力水 平为受拉
过加 载前后坐标 值得到各分析 点变形前后的位移 ，如图 １和
表 １所示 。
CAE-ANSYS航空发动机解决方案
解决方案
内容概要
ANSYS公司及其产品简介 几何模型处理及CAD接口方案 全面分析方案
结构分析方案 复杂流动传热分析方案 耦合分析方案
网格处理方案 ANSYS公司售后服务介绍 国内国际应用情况
• 世界最著名CAE软件提供商及服务商之一 • 1970年创始于美国宾州钢铁之城匹兹堡 • 产品面向整个研发过程，从系统级样机仿真平台到CAE软件开发平台 • 2000年收购顶级前后处理软件ICEMCFD • 2001年收购领先优化技术公司CADOE • 2003年收购著名CFD软件CFX
通用结构力学分析－形状和拓扑优化
形状优化
在满足给定条件下优化结构，使之达 到：重量最轻、或应力最小、或寿命 最长、或温度分布最均匀……
拓扑优化
提供概念设计，在满足给定条件下 获得最佳的拓扑外型……
通用结构力学分析
螺栓预紧力单元模拟各种螺栓连接，直接施加螺栓预紧力载荷
通用结构力学分析－其它
单元生模死拟材料增加或材料 减少的过程，如：隧道或矿 井的开挖过程、分阶段建造 （大型桥梁）、顺序装配、 焊接、大坝施工等等
航
空
发
动
机
榫
头
榫
槽
接
触
热
分
装
析
配
摩 擦 生 热
通用结构力学分析－非线性示例
蠕 变
超 弹
某型发动机高压涡轮盘弹塑性分析
扭转屈曲
形状记忆合金
粘弹
通用结构力学分析－动力学
时域动力学
模态叠加法
瞬态动力分析：外载荷、边界条件、 结构空间位置等随时间任意全变方化法，凝聚法
求解运动方程 直接积分法 全方法 凝聚法
CAE解决方案
CAE解决方案概述：计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，简称CAE）是一种利用计算机技术辅助进行工程设计、分析和优化的方法。
CAE解决方案是指为了满足工程师在设计、分析和优化过程中的需求而开发的一系列软件工具和技术。
本文将详细介绍CAE解决方案的定义、应用领域、优势和常见软件工具。
定义：CAE解决方案是指利用计算机技术进行工程设计、分析和优化的一系列软件工具和技术。
它通过数值计算方法和仿真技术，模拟实际工程问题的行为和性能，帮助工程师进行设计验证、性能评估和优化改进。
CAE解决方案广泛应用于机械、汽车、航空航天、电子、建筑等领域。
应用领域：1. 机械工程：CAE解决方案可用于机械结构的强度、刚度、疲劳寿命等分析，帮助工程师进行结构优化和材料选择。
2. 汽车工程：CAE解决方案可用于汽车碰撞仿真、流体动力学分析、燃烧过程模拟等，提高汽车的安全性、性能和燃油效率。
3. 航空航天工程：CAE解决方案可用于飞机结构和部件的强度、疲劳、振动等分析，帮助提高飞行安全性和性能。
4. 电子工程：CAE解决方案可用于电子产品的热分析、电磁兼容性分析、信号完整性分析等，提高产品的可靠性和性能。
5. 建筑工程：CAE解决方案可用于建筑结构的抗震性能分析、风荷载分析、隔热性能分析等，提高建筑物的安全性和舒适性。
优势：1. 提高效率：CAE解决方案通过计算机仿真，可以快速进行大量的设计方案评估和优化，节省了传统试验的时间和成本。
2. 提高准确性：CAE解决方案基于数值计算方法，能够更准确地预测工程问题的行为和性能，帮助工程师做出更有根据的决策。
3. 降低风险：CAE解决方案可以在产品设计阶段发现潜在问题，避免在实际生产中出现故障和事故，降低了风险和损失。
4. 提高创新性：CAE解决方案可以帮助工程师尝试新的设计理念和创新思路，快速评估其可行性和性能，促进产品的创新和改进。
常见软件工具：1. ANSYS：ANSYS是一款功能强大的通用有限元分析软件，可用于结构力学、流体力学、电磁场等多个领域的分析和优化。
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飞机的闭合系统是由多个零部件组成的复杂系统。
无论是直升机还是其它类型飞机，舱门都需要具有开门、关门和紧急情况下工作等功能。
针对不同的产品，我们不能使用相同的设计方案。
舱门系统是根据各个飞机尺寸和政府法规设计的，整个研发过程需要平衡不同的需求。
闭合系统的设计不但要求可靠工作，而且需要轻量设计。
另外，设计方案必须充分满足客户的需求，甚至这些需求会发生变化。
同时，还要保证产品研发过程与客户项目关键时间节点保持同步。
一般来说，设计方案必须考虑结构可靠性、包装、重量、加工性和成本要求。
具体来说，工程师使用与约束协调的目标评估舱门的结构和运动特性以考察舱门的使用寿命和紧急情况的安全性。
欧直公司cae仿真工具通过反复设计分析流程虚拟地评估设计方案的性能与可靠性。
解决方案
加速研发
具体到舱门系统，需要考察舱门本身以及舱门与机身接口结构的性能。
舱门由门框、梁和帮助提高舱门密封性能的门边组件构成，接口结构由限位臂、导引臂和机身接口支撑臂构成。
此外舱门系统还包括导辊和密封件等其它零件。
研发部门首先完成基础设计以达到客户的要求，特别是材料类型和重量范围。
我们的设计开始于一个独立的舱门，然后收到客户更加详细的数据，如飞行载荷和机身规格等，以便进行舱门细设计。
由客户及公司设定的评估方法一般是复杂的。
对于不同零件，我们评估项目包括结构应力状态以及屈曲和刚度稳定性。
所有零件都必须满足应力测试试验，同时我们会提供一份舱门验证报告。
欧直公司具有一套包含密封、气动和制动负载分别在内舱门整体性能分析的稳定性标准。
此外，所有零件必须满足屈曲、破坏和铆钉屈曲等稳定性要求。
部分零件还要满足额外的刚度需求，例如，与机身的接口必须承受来包括导辊、铰链臂以及支架在内舱门的重量。
限位臂必须能够承受舱门作用到机身上（或机身作用到舱门上）的所有载荷。
与此同时，我们还进行了运动学分析。
门框必须能够承受舱门开启时的动载。
然而，动载的变化将引起接口所受载荷的变化并对结构造成一定的影响。
因此要同步进行结构和运动学分析，以满足两者的性能要求。
图1 工程师应用仿真技术分析舱门组件受力和应力状态
灵活的cae仿真
飞机舱门的整个评估过程在软件中可表示为一个“优化”任务/循环。
舱门系统定义为设计空间。
在2D模型中，指定不同壳单元厚度为设计变量。
优化的目标是减轻结构重量，但必须保证各个组件都要满足设计要求。
这些要求以约束的形式体现，如所选工况下的刚度和应力大小。
同时也考虑最大壳厚度和材料类型等加工制造约束。
这在系统优化或单一结构优化时是有效的。
项目进程中，我们开发了三种有限元模型（FEMs）：（1）包含全部零件的整体有限元模型，它是由飞机生产商提供的、简化的模型；（2）中间有限元模型，主要用来评估工况，这些模型包含了更多的细节；（3）详细有限元模型，用于强度分析和局部结构分析。
根据组件的构成，我们为其定义连接单元和材料，然后选择分析类型。
Altair建模和可视化工具—HyperMesh和HyperView，能帮助我们快速响应设计规范和负载变动并进行快速修改。
我们先前的前后处理工具无法实现这种快速响应。
在产品研发流程中整合Altair HyperWorks工具的另一主要驱动力是它能保证我们按时完成研发任务
在此过程中，我们还发现了该软件的定制功能。
比如，在舱门整体系统创建过程中，我们应用HyperWorks的脚本语言进行批处理网格划分和具体分析和求解模型组织过程的自动化。
根据我们的工作流程和具体研发环境量身定制的HyperWorks具有多个好处。
比如，通过创建专有数据库，我们将活动更多的模型控制参数。
同时HyperWorks提供统一的前后处理环境。
总之，这些优势为缩短我们的CAE研发周期做出了重大贡献。
舱门支撑臂优化
除了使用cae仿真工具的强度工程师，欧直公司的工程师团队还包括优化专家，他们的工作是评估舱门和零部件的优化设计。
一个典型的例子是最近的仙童-道尼尔728型飞机舱门支撑臂设计。
应用Altair结构优化软件，工程师们获得了约为20%的减重设计。
通过应用Altair OptiStruct拓扑优化技术，工程师能够在不进行多种CAD设计方案开发、评估和反复迭代情况下结合产品性能和设计目标完成概念设计
舱门铰链最初设计是由OptiStruct综合舱门锁定、紧急开门和敲击三个工况给出的最大刚度方案。
与此同时，优化过程中考虑了支撑臂的拔模约束，以便获得一个可实际生产的结构。
然后在满足所有工况和最大许用应力状态下优化肋结构的形状和尺寸，进一步减轻结构重量。
由此带来的结果令人倍受鼓舞的，欧直公司在不降低舱门支撑臂刚度的情况下减少约20%的结构重量。
此外，研发和验证新型支撑臂结构的时间从三个月缩短至三个星期。
与此同时，欧直公司还将优化工具成功应用到其它项目中，如工程师进行了支线喷气式飞机舱门限位支架和铰链臂仿真分析以及整个舱门系统轻量优化设计
图2 欧直公司减轻舱门支撑臂重量达20%，缩短研发周期达75 我们在结构强度部门获得的成果（按照指定标准建模，工作周期由数月缩短至数周）已经得到了欧直公司其它部门工程师的认可。
事实上，欧直公司已开始向其它部门推广这些最佳实践，以实现整个公司工具和工作流程的一致化。
通过HyperWorks开放的架构和灵活的脚本语言，欧直公司将大量重复性工作自动化，大大降低了研发周期，不管后期设计是否发生变更。
我们还建立了模型创建的标准框架以帮助我们保证模型质量和可靠性。
参考资料：e-works企业信息化/cae/.。