CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

計(jì)算機(jī)輔助造型以及有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù),廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中的科學(xué)計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析中,成功的解決了許多復(fù)雜的設(shè)計(jì)和分析問(wèn)題,已成為工程設(shè)計(jì)和分析中的重要工具。

胡成臺(tái) 來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:CAD應(yīng)用 proe 有限元分析壓力成型彈塑性成型

此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析,具有工程上的實(shí)際意義。在三維設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了一個(gè)尾噴管,一個(gè)舵,還有一個(gè)機(jī)翼,其中尾噴管由四部分組成,包括內(nèi)部的支撐部分,和外部的蒙皮部分。舵和機(jī)翼都是由兩個(gè)以上的蒙皮表面構(gòu)成。在有限元分析中,包括金屬薄板的彈塑性分析,以及舵面的彈塑性分析, 其中還對(duì)薄板進(jìn)行了超塑性分析。

一、引言

為了滿足航天產(chǎn)品多品種,小批量研制生產(chǎn)的需要,采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造,實(shí)現(xiàn)并行工程,敏捷制造,柔性生產(chǎn),成為加快我國(guó)航天制造技術(shù)的發(fā)展的有效方法。

傳統(tǒng)的航天零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)及加工都是根據(jù)二維工程圖樣來(lái)完成的,加工出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)精度不高,往往要不斷的修改產(chǎn)品設(shè)計(jì),不斷的修改模具,所以,它的研發(fā)周長(zhǎng)、成本高;采用最新的CAD/CAE/CAM——proengineer軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì),可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、模具設(shè)計(jì)周期和加工周期,提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,大大降低產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計(jì)成本。由于其功能強(qiáng)大,模塊眾多,使用者要具備較高的操作技巧和較豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)才能熟練地進(jìn)行建模。這對(duì)于普通的設(shè)計(jì)人員而言,使用proe提供的實(shí)體建模模塊進(jìn)行3D造型設(shè)計(jì)并非易事,需要設(shè)計(jì)人員花大量的時(shí)問(wèn)和精力來(lái)熟悉proe的建模技術(shù)和掌握一定的技巧。

在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境中,為取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),企業(yè)迫切需要能夠迅速開發(fā)出高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品,并迅速搶占市場(chǎng)。因此企業(yè)界迫切需要高技術(shù)、高速度、低成本的設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及,有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法,有限元在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制中所顯示出的無(wú)可倫比的優(yōu)越性,使其成為企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中制勝的一個(gè)重要工具。

1.1 國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀

目前在我國(guó)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD),計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。如果讓我們調(diào)查一下國(guó)內(nèi)企業(yè)中CAD的應(yīng)用,會(huì)得出如下結(jié)論,很多所謂CAD應(yīng)用很好的企業(yè),也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)出圖的現(xiàn)狀,當(dāng)然計(jì)算機(jī)出圖是有很多優(yōu)點(diǎn)的,漂亮、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果我們只是停留在這個(gè)階段,就失去了CAD的作用,因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì),不是輔助繪圖。既然是設(shè)計(jì)就不但想到產(chǎn)品的機(jī)械模型,還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等,只有這樣才能真正發(fā)揮CAD的作用。如果真正做到這一點(diǎn),單憑二維設(shè)計(jì)是不夠的,雖然傳統(tǒng)的制圖方法是通過(guò)二維視圖來(lái)描述三維實(shí)體,但這種描述做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和數(shù)控加工,不能真正做到生產(chǎn)的自動(dòng)化,更有甚者,二維視圖的描述經(jīng)常出現(xiàn)二意性和理解錯(cuò)誤,因?yàn)槿藗冎皇前粗恍┮?guī)定在想象三維的模樣,限于這種描述方法的缺陷,必須找到更先進(jìn)的、更合理的三維設(shè)計(jì)手段,使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。當(dāng)然這個(gè)目標(biāo)要有一個(gè)過(guò)程,但現(xiàn)在我們必須明確。

1.2 主要內(nèi)容

此次設(shè)計(jì)中包含了某航天器零件的造型及薄板零件的壓力成型分析,具有工程上的實(shí)際意義。介紹了建模的幾種方法和理論,以及有限元分析的基本理論。在三維設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了一個(gè)尾噴管,一個(gè)舵,還有一個(gè)機(jī)翼,其中尾噴管由四部分組成,包括內(nèi)部的支撐部分,和外部的蒙皮部分。舵和機(jī)翼都是由兩個(gè)以上的蒙皮表面構(gòu)成。在有限元分析中,包括金屬薄板的彈塑性分析,以及舵面的彈塑性分析, 其中還對(duì)薄板進(jìn)行了超塑性分析。

二、某航天器零件的CAD造型與有限元分析

2.1 proe軟件簡(jiǎn)介

proe軟件拋棄傳統(tǒng)CAD 軟件中的線框和表面模型而直接鑒于3D 實(shí)體。使設(shè)計(jì)環(huán)境完全從2D或2D與3D混合狀態(tài)上升為純3D 模式,在此最直觀的3D 的設(shè)計(jì)環(huán)境中,設(shè)計(jì)者能更好的捕捉自己的設(shè)計(jì)意圖和激發(fā)設(shè)計(jì)靈感。

proe 的3D 實(shí)體鑒于特征造型技術(shù)。在proe 中,所面向的對(duì)象包括幾何特征、非幾何特征、零件模型、裝配模型、模具模型、加工模型等等,設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)這些對(duì)象所具有的內(nèi)在屬性、存在方式和存在狀態(tài)的準(zhǔn)確把握來(lái)得到理想中的模型。

proe中所有的對(duì)象都是建立在單一數(shù)據(jù)庫(kù)中。并且此數(shù)據(jù)庫(kù)是唯一的、完整的,因而保證了在proe中進(jìn)行的任何設(shè)計(jì)也都是全相關(guān)的。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的任何一處發(fā)生參數(shù)改動(dòng),可以反應(yīng)到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)環(huán)節(jié)上。設(shè)計(jì)師可以依靠此功能完全拋棄傳統(tǒng)的工作方法,實(shí)現(xiàn)零件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、加工設(shè)計(jì)等過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。

proe的3D 特征實(shí)體是全參數(shù)化的,具有自適應(yīng)性和智能性。通過(guò)完備而準(zhǔn)確的參數(shù)和資料來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)體,產(chǎn)品模型的每一個(gè)設(shè)計(jì)尺寸都對(duì)應(yīng)一個(gè)參數(shù),設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)命令或者關(guān)系式的形式來(lái)建立各參數(shù)之間的關(guān)系,以得到所要求設(shè)計(jì)的模型。

2.2 某航天器零件的CAD造型

在實(shí)體造型的過(guò)程中,要根據(jù)二維圖紙上的尺寸來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì),有一些復(fù)雜曲線在proe中要靈活對(duì)待,也許不同的人對(duì)設(shè)計(jì)同一個(gè)零件要花費(fèi)的時(shí)間會(huì)相差很大,這就是在繪制圖形的時(shí)候所用到的方法不同而導(dǎo)致的。比如一個(gè)不同截面的實(shí)體用可變截面掃描的方法會(huì)最省時(shí)間,再比如一個(gè)簡(jiǎn)單的立方體可以用掃描的方法,也可以用拉伸的方法,一塊薄板周圍有一些不同角度的翹板,考慮是在標(biāo)準(zhǔn)模式下造型還是在板金模式下造型。

在三維建模中,首先對(duì)火箭噴管進(jìn)行了造型,根據(jù)二維圖紙的尺寸形狀對(duì)噴管的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了分段處理,如下面兩張圖:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+學(xué)習(xí)資料圖片1

圖4.1 某航天器尾噴管三維設(shè)計(jì)圖(1)

在對(duì)噴管的外部蒙皮進(jìn)行同樣的處理方式如下面兩張圖:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+學(xué)習(xí)資料圖片2

圖4.2 某航天器尾噴管三維設(shè)計(jì)圖(2)

然后對(duì)這四個(gè)零件進(jìn)行組裝,組裝效果圖如下:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+學(xué)習(xí)資料圖片3

圖4.3 某航天器尾噴管三維設(shè)計(jì)圖(3)

在三維造型中,相對(duì)困難的是曲面造型,尤其是自由曲面,在這次討論中的一個(gè)零件設(shè)計(jì)到多曲面的造型,如圖7所示。在造型過(guò)程中要把握各個(gè)面之間的角度關(guān)系,因?yàn)槭嵌嗝骟w,很可能出現(xiàn)過(guò)度約束的情況,這樣就導(dǎo)致無(wú)法造型。

舵的造型中有四個(gè)相互成不同角度的平面,這就先要產(chǎn)生四組不同方向的八個(gè)基準(zhǔn)平面,且每組中的兩個(gè)基準(zhǔn)面都要相互垂直,如下圖:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+學(xué)習(xí)資料圖片4

圖4.4 在proe中的多曲面的情況

最后得到的效果圖如下:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+學(xué)習(xí)資料圖片5

圖4.5 舵的三維造型(復(fù)雜型面)

在就是對(duì)機(jī)翼進(jìn)行三維造型,同樣也是利用二維圖紙的尺寸形狀來(lái)作為造型依據(jù)。它是一個(gè)有兩個(gè)成不同角度的平面構(gòu)成的,效果圖如下:

CAD/CAE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用+項(xiàng)目圖片圖片6

圖4.6 機(jī)翼的三維造型

2.3 Marc軟件簡(jiǎn)介

此次討論就是依據(jù)某航天器幾個(gè)零件的二維圖紙?jiān)趐roe軟件環(huán)境中進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì),造型完畢后利用MSC/Marc有限元分析軟件對(duì)零件的成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析,初步了解零件在加工之前的應(yīng)變過(guò)程及狀態(tài),以及零件的受力、受熱情況,提供一些零件的重要性能參數(shù)。

Msc.Marc/Mentat是國(guó)際上通用最先進(jìn)非線性有限元軟件,它是MSC.Software coorperation(簡(jiǎn)稱MSC)公司的產(chǎn)品。MSC.Mentat是新一代非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面。前者嚴(yán)密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成為解決復(fù)雜工程問(wèn)題,完成學(xué)術(shù)研究的高級(jí)通用有限元軟件。

2.3.1 MSC.Mentat

MSC.Mentat是新一代非線形有限元分析的前后處理交互界面,與MSC.Marc求解器無(wú)縫連接。它具有以ACIS為內(nèi)核的一流實(shí)體造型功能;全自動(dòng)二維三角形和四邊形,三維四面體和六面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分建模能力;直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能;分析過(guò)程控制定義和遞交分析,自動(dòng)檢查分析模型完整性的功能;實(shí)時(shí)監(jiān)控分析能力;方便的可視化處理計(jì)算結(jié)果能力;先進(jìn)的光照,渲染,動(dòng)畫和電影制作等圖形功能并可直接訪問(wèn)常用的CAD/CAE系統(tǒng),如:ACIS,AutoCAD,C-MOLD,IGES,MSC.Nastran, MSC.Patran IDEAS,VDAFS,STL等等。

2.3.2 MSC.Marc

MSC.Marc是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件的求解器,它體現(xiàn)了30多年來(lái)有限元分析的理論方法和軟件的完美結(jié)合。他具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析沒(méi)能力?？梢蕴幚砀鞣N線性和非線性結(jié)構(gòu)分析。它提供了豐富的機(jī)構(gòu)單元,連接單元和特殊單元的單元庫(kù)。MSC,Marc的機(jī)構(gòu)分析材料庫(kù)提供了模擬金屬,非金屬,聚合物,巖土,復(fù)合材料等多種線性和非線性問(wèn)題的求解技術(shù)。為了進(jìn)一步提高計(jì)算精度和分析效率,MSC.Marc軟件提供了多種功能強(qiáng)大的加載步長(zhǎng)自適應(yīng)控制技術(shù),自動(dòng)確定分析加載步長(zhǎng)。MSC.Marc卓越的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù),以多種誤差準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密,即保證了計(jì)算精度,同時(shí)也使非線性分析的計(jì)算效率大大提高。此外,MSC.Marc支持全自動(dòng)網(wǎng)格重劃,用以糾正過(guò)度變形產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變,確保大變形分析的繼續(xù)進(jìn)行。

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