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机械重工行业的CAE解决方案

       机械结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念,它包括土木工程结构,如桥梁和建筑物;汽车结构,如车身骨架;海洋结构,如船舶结构;航空结构,如飞机机身等;同时还包括机械零部件,如活塞,传动轴等等。
       由于大多是工程机械产品在工作过程中的受力情况和变形条件很复杂,所以在设计时很难较准确地计算出有关零部件的应力应变分布及动力学特性,从而评估机械产品的强度、刚度、疲劳寿命等。以往是给出一些假设条件,采用工程力学的方法进行近似计算,但这样设计出的部件在几何尺寸和结构型式上都难以达到优化设计的要求。随着计算机的应用,现在可以通过CAE技术有效地解决这个问题。??
       机械行业常用的静力、动力和断裂损伤CAE分析软件包括ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、MSC.Marc、Nastran、Hyperworks等;专业疲劳分析软件包括Fe-Safe,MSC.Fatigue,Ncode/DesignLife等,专业流体分析软件包括Fluent,CFX,FLOW-3D,Star-CD,Phoenix,Flowmaster,SC/Tetra等。
       静力分析:用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性,应力刚化,大变形,大应变,超弹性,接触面和蠕变。
       动力学分析:是用来确定惯性(质量效应)和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。
       断裂损伤分析
       疲劳分析
       流体分析
       结构静力分析
  结构静力分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。一般情况下,比较关注的往往是结构的位移、约束反力、应力以及应变等参数。对于机械而言,静力学分析通常包括:强度分析,刚度分析和稳定性分析几块,而其中以强度分析和刚度分析最重要。
  结构静力分析技术的应用包括:
       1、校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求,其准则为: 若强度过剩较多,可以减小结构承力件尺寸。
       2、校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求,同时为动力分析等提供结构刚度特性数据,这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。
       3、计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。
       4、计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态,为其他方面的结构分析提供资料。
  结构动力学分析是CAE分析的主要内容之一。结构动力分析不同于静力分析,常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响,同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。
  结构在动力荷载作用下响应和性能的分析,主要是由已知结构和动力荷载来计算结构的响应,以确定结构的承载能力和动力特性,为改善结构性能、合理进行设计提供依据。结构动力分析不仅要考虑动力荷载和响应随时间而变化,而且还要考虑结构因振动而产生的惯性力和阻尼力。动力荷载作用在结构上,结构产生的振动称为强迫振动。
  结构动力学分析技术的应用包括:
       1、模态分析:分析结构的固有频率和振型
       2、谐响应分析:结构在随时间呈正弦规律载荷作用下的响应分析
       3、谱分析:结构在冲击响应谱作用下的响应分析
       4、PSD分析: 结构在随机振动载荷作用下的响应分析
       5、瞬态动力学分析:结构在任意动态载荷作用下的响应
       6、断裂分析
  运用断裂力学方法,分析在具有缺陷(裂纹)的结构或者材料在载荷作用下裂纹是否扩展、扩展速率、是否断裂、何时断裂等,从而确定结构是否安全,其寿命周期、检修周期、寿命期内允许的最大载荷等。
  裂纹一般按照几何特征分为穿透裂纹、表面裂纹、角裂纹、深埋裂纹等;按照力学特征分为张开型、滑开型、撕开型等;按照裂纹尖端塑性区的相对大小分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。线弹性裂纹的扩展和断裂判定主要是基于应力强度因子K;弹塑性裂纹的扩展和断裂判定主要是基于J积分。由于研究比较成熟、且工程上占比比较大的是弹塑性裂纹,因此计算各种裂纹的应力强度因子K、研究材料本身的断裂韧度Kc是断裂力学中的主要内容。
  裂纹扩展公式一般是基于经典的Paris公式及相关修正公式,按考虑因素由简单至复杂则常用的有Walker公式、Forman公式、Nasgro公式等。影响裂纹扩展及断裂的因素主要有多个材料常数、应力比、裂纹结构形式等。
  断裂有限元分析的方法包括
       应力强度因子和积分法(K,J积分和G积分)
       扩展有限元法(XFEM技术)

       虚拟裂纹闭合法(VCCT技术)


       疲劳分析
  机械零件,如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等,在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化,这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力的作用下,虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。。疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下会产生破坏的最大应力,称为疲劳强度或疲劳极限。在机械结构中,对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。
  疲劳分析的方法和应用包括:
       a.静态(准静态)疲劳分析法,应用于结构的一阶固有频率大于3倍载荷平率情况下,如汽车车身、底盘等
       b.瞬态疲劳分析法,应用于不适应静态疲劳分析法的场合,如汽车曲轴等旋转类零件

       c.振动疲劳分析法,应用于载荷变化复杂的情况下,将载荷时间历程在频域内用功率谱密度函数描述,进行随机响应分析进而评估疲劳寿命


       流体分析
  计算流体动力学(computationalFluidDynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
  通过CFD数值模拟,我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况,确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理星,如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。
       计算流体动力学分析在机械机构的中应用包括:
       水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动;
       换热器性能分析及换热器片形状的选取;
       制冷工程热流场分析;
       旋流分离器、生化反应器、干燥器、流化床、换热器方面的应用;