在CAD/CAM基础上的现代先进设计与制造技术

2015-4-1 07:37| 编辑:电工学习网| 查看: 3946| 评论: 0

自70年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定的状态逐步演变成动态多变的状态，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相互竞争日益激烈。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业必须解决TQCS难题，即以最快的上市速度(T--Time to Market)，最好的质量(Q--Quality)，最低的成本(C--Cost)，最优的服务(S--Service)来满足不同顾客的需求。
    与此同时，信息技术取得了迅速发展，特别是计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等取得了人们意想不到的进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。工程设计与制造领域涌现了一系列新的设计方法和技术，CAD、CAM系统的成功应用就是很好的证明。80年代初，先进制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS，Computer Integrated Manufacturing System)开始得到实施；80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，current Engineering)技术进一步提高了制造水平；进入90年代，先进制造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)、精益生产(LP，Lean Production)、敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)、虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)等新概念。
    以往机械设备的分析与计算大都建立在理论力学、材料力学、弹性力学、断裂力学、流体力学以及工程热力学等基础上，由于在分析和计算中存在大量的简化和近似，致使计算精度不高。为了保证设备运行的可靠与安全，多采用加大安全系数的方法，其结果致使机械产品结构尺寸加大，成本增加，还常常导致产品性能的降低。
    随着计算机技术的发展，可以借助计算机系统辅助人来进行工程分析和仿真。CAE（Computer Aided Engineer）主要包括有限元分析技术和模态分析技术，其中有限元分析方法是传统的“正问题”分析方法，而模态分析是结构动力学中的一种“逆问题”的分析方法，它是建立在实验的基础上，采用理论和试验相结合的方法来处理工程中的振动问题。
1.有限元分析
    有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，20世纪50年代首先在连续力学领域－飞机结构动态特性分析中广泛应用。随后很快应用到求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
    有限元法是在连续体直接进行近似计算的一种数值方法。这种方法首先是将连续的求解区域离散为一组有限个单元的组合体，而且认为单元之间只通过有限个点连接起来，这些连接点称为节点（Node）、单元与节点是有限元法中最基本的两个术语。
    有限元法利用在每一个单元内假定的近似函数分片地表示全求解域上待求的未知场函数（如位移场、应力场）。单元内的近似函数通常由未知场函数（或包括其导数）在单元内各个节点的数值通过函数插值来表示。这样，未知场函数（或包括其导数）在单元内各个节点的数值就成为新的未知量（自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上场函数的近似值。
    显然，随着单元数量的增加，也即单元尺寸的减小，解的近似程度将不断改进。那么，单元越多网格越密，解答就越接近于精确解吗？不一定。所以对假定的未知场函数进行收敛性分析，是有限元法必须研究的一个问题。
    由于单元本身可以有不同的形状，所以对几何形状复杂的问题都可方便地离散化，因此，有限元法可以处理各种复杂因素，如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性、结构中包含不同类型构件等等，它们都能用有限元法灵活地求解。有限元法在工程中得到了广泛的应用。
    有限元分析方法具有以下特点：
    ⑴ 概念清楚，容易理解。可以在不同的水平上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲，每个人的理论基础不同，理解的深度也可以不同，既可以通过直观的物理意义来学习，也可以从严格的力学概念和数学概念推导。
    ⑵ 适应性强，应用范围广泛。有限元法可以用来求解工程中许多复杂的问题，特别是采用其他数值计算方法（如有限差分法）求解困难的问题。如复杂结构形状问题，复杂边界条件问题，非均质、非线性材料问题，动力学问题等。目前，有限元法在理论上和应用上还在不断发展，今后将更加完善和使用范围更加广泛。
    ⑶ 有限元法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速数字计算机的优势。由于有限元法计算过程的规范化，目前在国内外有许多通用程序，可以直接套用，非常方便。著名的有SAP系列，ADINA，ANSYS，ASKA，NASTRAN，MARK，ABAQUS等。
    ⑷ 有限元法的主要缺点是解决工程问题必须首先编制（或具有）计算机程序，必须运用计算机求解。另外，有限元计算前的数据准备、计算结果的数据整理工作量相当大。然而，在计算机日益普及的今天，使用计算机已不再困难。对于后一缺点可通过计算机进行有限元分析的前、后处理来部分或全部地解决。
    有限元分析主要包括三个步骤：
    ⑴ 创建有限元模型。包括创建或读入几何模型，定义材料属性，划分网格。
    ⑵ 施加载荷求解。包括施加载荷及载荷类型、约束条件，求解。
    ⑶ 查看结果。包括查看分析结果，检验结果的正确性。
2.模态分析技术
    模态分析技术是用于对机械系统、土建结构、桥梁等结构工程系统进行动力学分析的现代化方法和手段。它最早应用在航天、航空领域。随着科学技术的发展，人们对工程产品的设计提出了越来越高的要求，因此，模态分析技术的应用领域也日益扩大。近年来，由于电子计算机技术的飞速发展，尤其是大容量、高速度微型计算机技术的进步，使得模态分析技术的费用大大降低，促进了其应用领域的进一步扩大，成为动力学分析领域中不可或缺的手段。
    模态分析可定义为将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解藕，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变化矩阵为模态矩阵，其每列为模态模型。由于采用模态截断的处理方法，可使方程数大为减少，从而大大节省了计算时间，降低了计算成本。这对于大型复杂结构的振动分析带来了很大好处。
    模态分析技术的主要应用可归结以下几个方面：
    (1) 评价现有结构系统的动态特性
    (2) 在新产品设计中进行结构动态特性的优化设计
    (3) 进行结构系统的故障诊断
    (4) 控制结构系统的噪声
    (5) 识别结构系统的载荷

上一篇：CAD/CAM系统集成技术基础下一篇：什么是CAPP技术收藏