模具CAE.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：模具CAE技术计算机辅助工程分析(ComputerAidedEngineering)技术在成形加工和模具行业中的应用即模具CAE。模具CAE是广义模具CAD/CAM中的一个主要内容。CAE所涉及的内容非常丰富：1）对工件的可加工性能作出早期的判断预先发现成形中可能产生的质量缺陷并模拟各种工艺方案以减少模具调试次数和时间缩短模具开发时间；2）对模具进行强度刚度校核择优选取模具材料预测模具的破坏方式和模具的寿命提高模具的可靠性降低模具成本；3）通过仿真进行优化设计以获得最佳的工艺方案和工艺参数增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量；4）查找工件质量缺陷或问题产生的原因以寻求合理的解决方案。成形过程数值模拟是模具CAE中的基础目前所采用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法而当涉及到时间时则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基本内容和方法。1.有限元分析概述对于一般的工程受力问题希望通过平衡微分方程、变形协调方程、几何方程和本构方程联立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长并发展起来了有限元的分析方法。有限元法自1960年由Clough首次提出后获得了迅速的发展；虽然首先只是应用于结构的应力分析但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。1.1、有限元法的基本概念对于连续体的受力问题既然作为一个整体获得精确求解十分困难；于是作为近似求解可以假想地将整个求解区域离散化分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元）彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接组成一个单元的集合体以替代原来的连续体如图7-1弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其他各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。从物理的角度理解即将一个连续的凹模截面分割成图7-1所示的有限数量的小三角形单元而单元之间只在节点处以铰链相连接由单元组合成的结构近似代替原来的连续结构。如果能合理地求得各单元的力学特性也就可以求出组合结构的力学特性。于是该结构在一定的约束条件下在给定的载荷作用下各节点的位移即可以求得进而求出单元内的其他物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。从数学角度理解是将图7-1所示的求解区域剖分成许多三角形子区域子域内的位移可以由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约束条件可以求解出各节点的待定位移进而求得其他场量。推广到其他连续域问题节点未知量也可以是压力、温度、速度等物理量。这就是有限元方法的数学解释。从有限元法的解释可得有限元法的实质就是将一个无限的连续体理想化为有限个单元的组合体使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。由于对整个连续体进行离散分解成为小的单元；因此有限元法可适用于任意复杂的几何结构也便于处理不同的边界条件；在满足条件下如果单元越小、节点越多有限元数值解的精度就越高。但随着单元的细分需处理的数据量非常庞大采用手工方式难以完成必须借助计算机；计算机具有大存储量和高计算速度等优势同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析都很适合于计算机的程序设计可由计算机自动完成；因此随着计算机技术的发展有限元分析才得以迅速的发展。1.2有限元法分析的基本过程有限元法分析的基本过程概念清晰原理易于理解；但实际分析过程包含大量的数值计算人工难以实现通常只能依靠计算机软件进行。有限元软件并不直接体现以上的过程一般只是根据相应的功能分为前处理、分析计算和后处理三大部分。前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元；分析计算模块则对单元进行分析与集成并最终求解得到各未知场量；后处理则将计算结果以各种形式输出以便于了解结构的状态对结构进行数值分析。1.3、通用有限元软件简介1.3.1.有限元软件MSC.NASTRANNASTRAN有限元分析系统是由美国国家宇航局（NASA）在20世纪60年代中期委托MSC公司和贝尔航空系统公司开发发展至今已有多个版本其系统规模大、功能强。在70年代初期MSC公司对原始的NASTRAN进行改进和完善后推出了MSC.NASTRAN。作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域并为用户提供了方便的模块化功能选项。主要分析功能模块有：基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热