CAD/CAE在航天領域中的應用

2013-05-26 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

計算機輔助造型以及有限元法是隨著計算機技術的應用而發(fā)展起來的一種先進的CAD/CAE技術,廣泛應用于各個領域中的科學計算、設計、分析中,成功的解決了許多復雜的設計和分析問題,已成為工程設計和分析中的重要工具。

胡成臺來源:e-works
關鍵字:CAD應用 proe 有限元分析壓力成型彈塑性成型

此次設計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,具有工程上的實際意義。在三維設計中,設計了一個尾噴管,一個舵,還有一個機翼,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。舵和機翼都是由兩個以上的蒙皮表面構成。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, 其中還對薄板進行了超塑性分析。

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,采用計算機輔助設計制造,實現(xiàn)并行工程,敏捷制造,柔性生產(chǎn),成為加快我國航天制造技術的發(fā)展的有效方法。

傳統(tǒng)的航天零件產(chǎn)品設計、模具設計及加工都是根據(jù)二維工程圖樣來完成的,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)品設計,不斷的修改模具,所以,它的研發(fā)周長、成本高;采用最新的CAD/CAE/CAM——proengineer軟件來實現(xiàn)三維設計,可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、模具設計周期和加工周期,提高了產(chǎn)品設計的準確性,大大降低產(chǎn)品開發(fā)、模具設計成本。由于其功能強大,模塊眾多,使用者要具備較高的操作技巧和較豐富的應用經(jīng)驗才能熟練地進行建模。這對于普通的設計人員而言,使用proe提供的實體建模模塊進行3D造型設計并非易事,需要設計人員花大量的時問和精力來熟悉proe的建模技術和掌握一定的技巧。

在競爭激烈的市場環(huán)境中,為取得競爭優(yōu)勢,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。因此企業(yè)界迫切需要高技術、高速度、低成本的設計方法。隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及,有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域,成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法,有限元在產(chǎn)品設計和研制中所顯示出的無可倫比的優(yōu)越性,使其成為企業(yè)在市場競爭中制勝的一個重要工具。

1.1 國內(nèi)本領域的現(xiàn)狀

目前在我國計算機輔助設計(CAD),計算機輔助工程(CAE)已經(jīng)得到了廣泛的應用,在大多數(shù)的大型制造企業(yè)已經(jīng)相當?shù)某墒臁Ｈ绻屛覀冋{(diào)查一下國內(nèi)企業(yè)中CAD的應用,會得出如下結論,很多所謂CAD應用很好的企業(yè),也只是做到用手工出圖轉變?yōu)橛嬎銠C出圖的現(xiàn)狀,當然計算機出圖是有很多優(yōu)點的,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階段,就失去了CAD的作用,因為CAD是輔助設計,不是輔助繪圖。既然是設計就不但想到產(chǎn)品的機械模型,還應想到產(chǎn)品的結構分析、運動機構分析和生產(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,單憑二維設計是不夠的,雖然傳統(tǒng)的制圖方法是通過二維視圖來描述三維實體,但這種描述做不到進一步的結構分析、運動機構分析和數(shù)控加工,不能真正做到生產(chǎn)的自動化,更有甚者,二維視圖的描述經(jīng)常出現(xiàn)二意性和理解錯誤,因為人們只是按著一些規(guī)定在想象三維的模樣,限于這種描述方法的缺陷,必須找到更先進的、更合理的三維設計手段,使CAD、CAM、CAE以及PDM容為一體。當然這個目標要有一個過程,但現(xiàn)在我們必須明確。

1.2 主要內(nèi)容

此次設計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。在三維設計中,設計了一個尾噴管,一個舵,還有一個機翼,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。舵和機翼都是由兩個以上的蒙皮表面構成。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, 其中還對薄板進行了超塑性分析。

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 實體。使設計環(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 的設計環(huán)境中,設計者能更好的捕捉自己的設計意圖和激發(fā)設計靈感。

proe 的3D 實體鑒于特征造型技術。在proe 中,所面向的對象包括幾何特征、非幾何特征、零件模型、裝配模型、模具模型、加工模型等等,設計人員通過對這些對象所具有的內(nèi)在屬性、存在方式和存在狀態(tài)的準確把握來得到理想中的模型。

proe中所有的對象都是建立在單一數(shù)據(jù)庫中。并且此數(shù)據(jù)庫是唯一的、完整的,因而保證了在proe中進行的任何設計也都是全相關的。在整個設計過程中的任何一處發(fā)生參數(shù)改動,可以反應到整個設計過程中的相關環(huán)節(jié)上。設計師可以依靠此功能完全拋棄傳統(tǒng)的工作方法,實現(xiàn)零件設計、模具設計、裝配設計、加工設計等過程同時進行。

proe的3D 特征實體是全參數(shù)化的,具有自適應性和智能性。通過完備而準確的參數(shù)和資料來驅動實體,產(chǎn)品模型的每一個設計尺寸都對應一個參數(shù),設計人員可以通過命令或者關系式的形式來建立各參數(shù)之間的關系,以得到所要求設計的模型。

2.2 某航天器零件的CAD造型

在實體造型的過程中,要根據(jù)二維圖紙上的尺寸來進行設計,有一些復雜曲線在proe中要靈活對待,也許不同的人對設計同一個零件要花費的時間會相差很大,這就是在繪制圖形的時候所用到的方法不同而導致的。比如一個不同截面的實體用可變截面掃描的方法會最省時間,再比如一個簡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,考慮是在標準模式下造型還是在板金模式下造型。

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

CAD/CAE在航天領域中的應用+學習資料圖片1

圖4.1 某航天器尾噴管三維設計圖(1)

在對噴管的外部蒙皮進行同樣的處理方式如下面兩張圖:

CAD/CAE在航天領域中的應用+學習資料圖片2

圖4.2 某航天器尾噴管三維設計圖(2)

然后對這四個零件進行組裝,組裝效果圖如下:

CAD/CAE在航天領域中的應用+學習資料圖片3

圖4.3 某航天器尾噴管三維設計圖(3)

在三維造型中,相對困難的是曲面造型,尤其是自由曲面,在這次討論中的一個零件設計到多曲面的造型,如圖7所示。在造型過程中要把握各個面之間的角度關系,因為是多面體,很可能出現(xiàn)過度約束的情況,這樣就導致無法造型。

舵的造型中有四個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基準平面,且每組中的兩個基準面都要相互垂直,如下圖:

CAD/CAE在航天領域中的應用+學習資料圖片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在航天領域中的應用+學習資料圖片5

圖4.5 舵的三維造型(復雜型面)

在就是對機翼進行三維造型,同樣也是利用二維圖紙的尺寸形狀來作為造型依據(jù)。它是一個有兩個成不同角度的平面構成的,效果圖如下:

CAD/CAE在航天領域中的應用+項目圖片圖片6

圖4.6 機翼的三維造型

2.3 Marc軟件簡介

此次討論就是依據(jù)某航天器幾個零件的二維圖紙在proe軟件環(huán)境中進行三維造型設計,造型完畢后利用MSC/Marc有限元分析軟件對零件的成型過程進行模擬分析,初步了解零件在加工之前的應變過程及狀態(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是國際上通用最先進非線性有限元軟件,它是MSC.Software coorperation(簡稱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。前者嚴密整合MSC.Marc和MSC.Mentat成為解決復雜工程問題,完成學術研究的高級通用有限元軟件。

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求解器無縫連接。它具有以ACIS為內(nèi)核的一流實體造型功能;全自動二維三角形和四邊形,三維四面體和六面體網(wǎng)格自動劃分建模能力;直觀靈活的多種材料模型定義和邊界條件的定義功能;分析過程控制定義和遞交分析,自動檢查分析模型完整性的功能;實時監(jiān)控分析能力;方便的可視化處理計算結果能力;先進的光照,渲染,動畫和電影制作等圖形功能并可直接訪問常用的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是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器,它體現(xiàn)了30多年來有限元分析的理論方法和軟件的完美結合。他具有極強的結構分析沒能力。可以處理各種線性和非線性結構分析。它提供了豐富的機構單元,連接單元和特殊單元的單元庫。MSC,Marc的機構分析材料庫提供了模擬金屬,非金屬,聚合物,巖土,復合材料等多種線性和非線性問題的求解技術。為了進一步提高計算精度和分析效率,MSC.Marc軟件提供了多種功能強大的加載步長自適應控制技術,自動確定分析加載步長。MSC.Marc卓越的網(wǎng)格自適應技術,以多種誤差準則自動調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密,即保證了計算精度,同時也使非線性分析的計算效率大大提高。此外,MSC.Marc支持全自動網(wǎng)格重劃,用以糾正過度變形產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變,確保大變形分析的繼續(xù)進行。

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