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面向非 CAE 专家的仿真入门,开启仿真之旅

创建日期:2024-01-09
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针对产品开发的机械工程分为三个主要领域:设计、仿真和分析。

非CAE专家,包括经理和工程师,可能感觉仿真很难理解,因为它涉及复杂的主题、专门的方程和高级矩阵数学知识。仿真是指使用计算机模型来预测零备件、装配件和绘图的响应,以验证它们在其工作环境中的性能,然后优化这些对象以获得可能更好的解决方案。分析和仿真工具对产品开发组织至关重要,因为它们有助于降低成本和产品重量并缩短产品上市时间。如果没有仿真和分析,团队必须构建和测试昂贵的原型,并且可能要多次构建和测试产品。本电子书将让非分析师更深入地了解仿真过程的任务和输出,包括产品开发中仿真的本质。

请继续阅读,详细了解:


>基本仿真:结构、模态和热

>高级分析:动态、机构和失稳

>向设计师普及有限元分析(FEA)

>多物理量与计算流体力学(CFD)
您准备好踏出进入更广阔世界的第一步了吗?我们一起来详细了解了解何为仿真?

第1部分:针对经理的仿真类型

产品开发经理通常没有仿真和分析背景。也许他们来自另一个技术领域,比如电气工程或计算机科学。或者,他们可能是具备非技术背景的项目经理。这没问题。我们不能期望所有人都能精通,甚至熟悉与他们共事的人所从事的领域。以下指南将帮助不熟悉产品开发仿真的经理了解该行业的基础知识。让我们看一看三种核心分析类型:结构分析、模态分析和热分析。

结构分析

麻省理工学院的一位教授说:“机械工程是对失效的研究。你们中的一些人将会非常熟悉这一点。”确实如此。产品设计师制定产品概念,然后对它们进行分析和测试,以确定它们是否适应工作环境。

为了仿真这些情况,工程师们研究了一种称为应力的概念。结构分析使我们能够计算应力。遇到困难时,人们可能会说:“我压力山大。”我们也可以说,“我承受着很大的压力。”在机械学中,应力和压力密切相关。两者都与单位面积上的力有关。它们的测量单位相同,如磅/平方英寸或牛顿/平方毫米。在工作环境中使用产品时,它通常会受力,即载荷。这些载荷要么以拉伸形式出现(拉动),要么以压缩形式出现(推动),或者同时处于这两种形式。处于拉伸状态的物体将变长;处于压缩状态的物体将变短。这种长度变化称为位移。

这些载荷和位移会产生应力。当应力低于屈服强度时,移除载荷,物体将恢复其原始形状。当应力达到或超过屈服强度时,移除卸荷,物体就会发生永久变形。当应力超过极限抗拉强度或极限压缩强度时,物体就会断裂。如果产品上的应力低于失效值,我们就可以计算安全边际或安全因子。如果产品超过安全标准设计,我们可以让它变得更轻、更薄,这样才能满足它的要求。这就是优化。


模态分析

模态分析是对物体振动的频率和形状进行研究。如果拨动吉他弦或后院的晾衣绳,它们就会震动。您甚至可以看到琴弦上的驻波。这是物体固有频率和振型的一个例子。

物理物体不仅具有固有频率,而且还有随后更高的振动频率。固有频率和随后的频率是物体的工作模式。产品设计师需要知道产品的工作模式,才能避免让它过度振动。如果能量以物体的一种工作模式或邻近模式注入物体中,它将产生越来越多的振动(共振),直至将自己撕裂。例如,如果泵以某一频率旋转,那就不能安装任何具有相近频率的组件。物体的固有频率越高,物体就越不易弯曲。模态频率可以帮助产品设计师在不同的设计方案之间进行选择。模态分析还可以用作更高级分析的输入,如动态分析,这将在下一节介绍。


热分析

很明显,“热”指的是温度。热分析研究影响向或从物体进行热传递的载荷结果或边界条件。加热时,物体会膨胀。冷却时,物体会收缩。如前所述,当长度改变(“位移”)时,会在物体中产生应力。有三种不同的方式可以将热传递到物体或从物体传递出:



>传导:这指的是直接接触。如果您曾经触摸过滚烫的炉子、笔记本电脑外壳的电池附近部位或长途行驶后的汽车引擎盖,这些就是传导。

>对流:这指的是通过像空气或水这样的流体进行热传递。如果您吹过风扇,那么您感受到的就是对流。

>辐射:这指的是通过电磁波加热物体。您使用辐射来加热剩菜或在微波炉里制作爆米花。

工程师执行热分析来计算最终温度(也称为“稳态”)、随时间变化的温度(“瞬态热”),或热量进入或离开物体的速度(“热流密度”)。


第2部分:高级仿真分析


让我们看看另外三类分析。它们比上一节中讨论的分析更高级,但仍是很常用的分析。它们是:


>对随时间或频率变化的载荷的动态分析


>对具有运动组件的机器的机械分析


>对受压薄壁的失稳分析


动态分析

动态分析研究工作环境中随时间或频率变化的载荷的影响。这与静态分析不同,在静态分析中,载荷是恒定的,我们希望知道平衡(当一切都稳定)时的应力或位移。例如,静态分析可以是当一个自行车架和两辆自行车安装在车顶上时,停放的汽车车顶会产生多大的偏斜。常见的动态分析类型包括:


>动态时间。在这些研究中,载荷随时间变化,目的是生成应力、位移或其他随时间变化的测量结果。例如,如果潜水器在5分钟内下潜到1000 米,静水压力就会随着时间增加而变化。要查看该时间段内压力对结构的影响,可以执行动态时间分析。


>动态频率。在许多带有旋转或摆动组件的机器中,会在一定的时间内施加和移除载荷,这段时间称为周期。1除以这个周期就是频率。例如,当一辆汽车的转速表显示3000 rpm(每分钟转数)时,表明发动机的曲轴每秒旋转50次。这就是50赫兹的频率;周期为 0.02秒。为了研究连接杆和活塞对曲轴的应力,可以进行动态频率分析。


>随机振动。在崎岖的乡间小路上开车,或者乘坐飞机飞行,都会让人上下颠簸。会发生多大的颠簸,或者推撞的确切次数和频率都是未知的。但在某些工作环境中,可以测量可能会发生多大的颠簸。分析师可以生成一个图表,将经历推撞(加速)的概率表示为频率的函数。这称为功率谱密度(PSD),或者更准确地说,加速度谱密度(ASD)图。这些概率可用作随机振动分析的输入,以了解产品在该环境中幸存下来的可能性。


机械分析


机械分析研究机器的行为,机器是多个组件的组合体,每个组件中的一些零件可能会运动。在机器中,运动零件可以平移、旋转,或者发生平移和旋转的某种复杂组合。还可以对凸轮、齿轮、皮带和皮带轮等组件之间的高级连接进行仿真。


机械分析可以分为两大类:运动学和动力学。运动学是对运动的研究。在运动学分析中,工程师通常对运动组件的位置、速度和/或加速度感兴趣。


动力学是对力的研究。在机构动力学分析中,可能包括弹簧、阻尼器、重力和外力等真实世界实体。除了位置、速度和加速度,还可以测量机械组件中的力和反作用力。这些结果也可用作结构分析的输入荷载工况。机械分析可以检查零备件之间的碰撞。有时确保零备件不会发生碰撞非常重要,比如割草机外壳中的旋转刀片。在其他机械中,预期的结果是一个组件推动序列的下一部分中的另一个组件。例如,汽车的制动系统移动垫片或踏板,通过摩擦力减慢车轮转速。还可以生成表示分析过程中组件移动所经过的空间的运动包络。


失稳分析


当薄壁受到压力时,由于一种称为失稳的特殊破坏模式,它可能会在材料的屈服强度或极限抗压强度下屈服或失效。失稳分析可以帮助我们研究这一特殊情况。例如,将一根吸管的一端竖立在桌面上。然后向下压吸管。吸管是薄壁的一个例子;与其长度相比,它的厚度很小。向下压它,它就会被压缩。在某个时刻,它通常会在中间的某个位置急剧地快速弯折。这就是失稳。


失稳分析的主要结果如下:


>失稳载荷因子。将静态载荷乘以此因子,可得出物体可能变得不稳定时的临界载荷。

>失稳模式形状指示物体在临界载荷下可能移动的方式和位置。


通常对结构外壳和钣金件组件执行失稳分析。我们已经介绍了基本分析和高级分析,接下来研究一下通过有限元分析执行仿真背后的数学和科学知识。


第3部分:向设计师普及FEA


目前为止,我们已经回顾了一些主要的分析类型。在这一节,让我们回顾一下有限元分析(FEA)的基本原理。


经典分析与 FEA

所谓的“经典力学”使用“封闭方程”来计算位移、反作用力和应力等。“封闭”是指输入与物体形状、材料特性、载荷等相关的各种量,以便得到答案。这些封闭方程可以从Roark的《应力和应变公式》等手册中获得。

遗憾的是,这些封闭方程仅适用于特定情况,如梁、杆、平板、管道和压力容器。如果有人想要分析具有复杂几何形状的现代产品,如引擎缸体、个人电子产品的外壳、医疗设备等,是不存在封闭方程的。要了解有限元(FF=KEA),必须掌握一个方程,那就是弹簧力方程:F=K*X


它规定弹簧中的力(F)等于弹簧常数(k)乘以弹簧的位移(x)(压缩或拉伸的程度)。有限元分析采取“分而治之”的方法。它将形状复杂的模型分解成小得多的碎片。这些碎片可以是四面体(棱锥体)、楔体(棱柱)和砖(块)。这些小碎片是FEA的有限元部分。这些元素的弹簧常数或刚度可用方程表示。将一个复杂形状分解成所有这些较小元素的过程称为“网格化”。分析软件把这些元素放在一起,形成一个所谓的“刚度矩阵”。


设置仿真时,将定义施加到模型的力。由于刚度矩阵和力已知,我们应该能够根据上面的弹簧方程求解出位移。

这些矩阵的问题是对它们求解太复杂了;变量比方程更多。但是,在设置仿真时,会定义约束。约束指定按住模型并阻止其运动的位置。在这些位置,位移为零。这些约束将方程减少到可以求解的数量。这样,FEA就可以求解元素的位移。


计算应力


知道了位移,我们就可以计算每个元素的长度相对于原始长度的变化。二者的比例就是应变。这个量很有用,因为许多材料(特别是金属)在应变和应力之间存在线性的关系。将应变乘以一个称为杨氏模量的材料性质,就可以得到应力。材料有一个称为屈服强度的值。如果向物体施加低于其屈服强度的载荷,物体将会变形;移除载荷后,物体将恢复其原始形状。如果施加超过屈服强度的载荷,物体将永久变形。大多数结构分析只有在低于屈服强度时才有效。


步骤总结:

>将材料属性应用于零备件

>为阻止模型运动的位置定义约束

>定义模仿工作环境的真实条件的载荷

>将模型网格化

>设置分析并运行仿真

>分析结果


FEA背后的数学知识非常复杂。仿真既是一门艺术,也是一种技能。分析师需要掌握知识、接受培训和拥有经验才能产生良好的结果,这里仅对该过程进行基本概述。了解您的产品在其环境中的体验称为设计校验。执行设计校验后,您就可以优化模型来找到可能更好的解决方案。如果感觉独自执行仿真分析和校验设计似乎太难了,有一些软件工具可以提供帮助。


您可在整个开发过程中使用 PTCCreo产品组合中有两个主要的仿真工具Creo Ansys Simulation 和Creo Simulation Live,以减少物理原型成本、设计周期时间和分析部门的积压工作。Creo AnsysSimulation(CAS)将工程仿真领导者Ansys的强大功能直接无缝地集成到Creo中。这个易于使用、功能齐全、高保真的仿真工具是专为设计师和工程师打造的,利用了Ansys的热分析、结构分析和模态分析功能。


借助Creo Simulation Live(CSL),您能在CAD环境中获得有关设计决策的即时反馈。这种开创性的技术可于数秒之内对3DCAD 设计执行结构分析、热分析和模态分析。为设计工程师量身打造,您在编辑、创建新功能或更改属性时,分析会实时动态更新。您可以快速迭代,随心所欲进行海量设计变更,因为您有信心做出更明智的决策。


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Creo是一款可帮助您加速产品创新,从而更快打造更优产品的3DCAD解决方案。易于学习的Creo使用基于模型的方法,让您从产品设计的初始阶段无缝过渡到制造及后续阶段。Creo将强大、成熟的功能与创成式设计、实时仿真、先进制造、IloT和增强现实等新技术相结合,帮助您更快地迭代、降低成本和提高产品质量。Creo还拥有SaaS产品形式,提供了创新的基于云的实时协作工具,以及简化的许可证管理和部署。产品开发领域瞬息万变,Creo提供了建立竞争优势以及赢得市场份额所需的变革性功能。


本文所述信息仅供参考,具体以PTC官方为准。


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