CADCAM第五章

1、第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析5.1 計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主要內(nèi)容5.2 有限元分析計(jì)算有限元分析計(jì)算5.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法5.4 工程分析中的仿真技術(shù)工程分析中的仿真技術(shù)第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主了解計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主要內(nèi)容；了解有限元法的基本思想和步驟；要內(nèi)容；了解有限元法的基本思想和步驟；了解優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和常用優(yōu)化設(shè)計(jì)了解優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和常用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；了解仿真的概念，了解計(jì)算機(jī)仿真方法；了解仿

2、真的概念，了解計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程。的一般過(guò)程。 學(xué)習(xí)重點(diǎn)：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析5.1 計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)輔助工程分析的主要內(nèi)容 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是分析、計(jì)算。v傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的分析方法分析方法一般比較粗略一般比較粗略，定性的定性的比較方比較方案的好壞。案的好壞。v手工計(jì)算手工計(jì)算，過(guò)程繁瑣過(guò)程繁瑣，只對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行，只對(duì)關(guān)鍵的零部件進(jìn)行分析，其余憑經(jīng)驗(yàn)用分析，其余憑經(jīng)驗(yàn)用類比法類比法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。v采用采用較大的安全系數(shù)較大的安全系數(shù)。v設(shè)計(jì)是反復(fù)的過(guò)程，分析次

3、數(shù)不多，設(shè)計(jì)是反復(fù)的過(guò)程，分析次數(shù)不多，不能做出不能做出定量的評(píng)價(jià)定量的評(píng)價(jià)。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及測(cè)試手段的不斷改進(jìn)和完善，機(jī)械設(shè)計(jì)已由靜態(tài)、線性分析向動(dòng)態(tài)、非線性過(guò)渡；由經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)向最優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)渡；由人工計(jì)算向自動(dòng)計(jì)算，由近似計(jì)算向精確計(jì)算過(guò)渡，已適應(yīng)產(chǎn)品向高效、高速、低成本等現(xiàn)代化要求發(fā)展的需要。 計(jì)算機(jī)輔助工程分析就是采用計(jì)算機(jī)技計(jì)算機(jī)輔助工程分析就是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行工程分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供了進(jìn)行術(shù)進(jìn)行工程分析，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供了進(jìn)行輔助分析計(jì)算的支撐環(huán)境。輔助分析計(jì)算的支撐環(huán)境。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 計(jì)

4、算機(jī)輔助工程計(jì)算機(jī)輔助工程CAE(Computer Aided Engineering)是一個(gè)很廣的概念，是一個(gè)很廣的概念，從字面上講它可以包括工程和制造業(yè)信息從字面上講它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的化的所有方面，但是傳統(tǒng)的CAE主要是指主要是指用計(jì)算機(jī)對(duì)工程和產(chǎn)品的運(yùn)行性能與安全用計(jì)算機(jī)對(duì)工程和產(chǎn)品的運(yùn)行性能與安全可靠性分析?？煽啃苑治?。 CAE具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)/動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真。力學(xué)仿真。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析v工程數(shù)值分析用來(lái)分析確定產(chǎn)品

5、的性能；v結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能最優(yōu)；v結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命預(yù)估用來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是否可行，可靠性如何以及使用壽命長(zhǎng)短；v運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真用來(lái)對(duì)建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題和缺陷。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 計(jì)算機(jī)輔助分析最主要的是有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 計(jì)算機(jī)輔助工程分析已經(jīng)是CAD/CAM系統(tǒng)不可缺少的主要組成部分。 一些著名的大型CAD/CAM集成系統(tǒng)都含有工程分析模塊，如Pro/Engineer、IDEAS、UG等。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析5.2 有

6、限元分析計(jì)算有限元分析計(jì)算 將一個(gè)連續(xù)的求解域離散化，即分割將一個(gè)連續(xù)的求解域離散化，即分割成彼此用節(jié)點(diǎn)（離散點(diǎn)）互相聯(lián)系的有限成彼此用節(jié)點(diǎn)（離散點(diǎn)）互相聯(lián)系的有限個(gè)單元，一個(gè)連續(xù)個(gè)單元，一個(gè)連續(xù)彈性體彈性體被看作是被看作是有限個(gè)有限個(gè)單元體的組合單元體的組合，根據(jù)一定精度要求，用有，根據(jù)一定精度要求，用有限個(gè)參數(shù)來(lái)描述各單元體的力學(xué)特性，而限個(gè)參數(shù)來(lái)描述各單元體的力學(xué)特性，而整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部整個(gè)連續(xù)體的力學(xué)特性就是構(gòu)成它的全部單元體的力學(xué)特性的總和。單元體的力學(xué)特性的總和。 有限元方法的基本思想有限元方法的基本思想第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析彈性力學(xué)

7、基本知識(shí)彈性力學(xué)基本知識(shí) 彈性體：彈性體：是指在卸載后能完全恢復(fù)其初是指在卸載后能完全恢復(fù)其初始形狀和尺寸的物體。始形狀和尺寸的物體。 體力：體力：作用在物體內(nèi)部體積上的外力，作用在物體內(nèi)部體積上的外力，例如重力、慣性力。例如重力、慣性力。 面力：面力：作用在物體表面上的外力，例如作用在物體表面上的外力，例如流體壓力和接觸力。流體壓力和接觸力。 應(yīng)力、應(yīng)變、位移應(yīng)力、應(yīng)變、位移 第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 基本方程基本方程： （1）應(yīng)變和位移的關(guān)系（幾何方程）應(yīng)變和位移的關(guān)系（幾何方程） （2）應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系（物理方程）應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系（物理方程） 虛功原理虛功原理：

8、假設(shè)一彈性體在虛位移發(fā)生：假設(shè)一彈性體在虛位移發(fā)生之前處于平衡狀態(tài)，當(dāng)彈性體產(chǎn)生約束之前處于平衡狀態(tài)，當(dāng)彈性體產(chǎn)生約束許可的微小虛位移并同時(shí)在彈性體內(nèi)產(chǎn)許可的微小虛位移并同時(shí)在彈性體內(nèi)產(chǎn)生虛應(yīng)變時(shí)，體力與面力在虛位移上所生虛應(yīng)變時(shí)，體力與面力在虛位移上所作的虛功等于整個(gè)彈性體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力作的虛功等于整個(gè)彈性體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所作的虛功的總和，即在虛應(yīng)變上所作的虛功的總和，即外力外力虛功等于內(nèi)力虛功虛功等于內(nèi)力虛功。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析平面問(wèn)題有限元分析的步驟平面問(wèn)題有限元分析的步驟（1）結(jié)構(gòu)離散化）結(jié)構(gòu)離散化 劃分單元、計(jì)算各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。劃

9、分單元、計(jì)算各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，并對(duì)單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào)。（2）單元特性分析）單元特性分析 建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系，即建立單元建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移與節(jié)點(diǎn)力的關(guān)系，即建立單元?jiǎng)偠确匠?。剛度方程。?）建立整體矩陣方程）建立整體矩陣方程 把整體結(jié)構(gòu)的各單元矩陣方程合并成一個(gè)整體矩陣把整體結(jié)構(gòu)的各單元矩陣方程合并成一個(gè)整體矩陣方程。方程。（4）整體矩陣方程求解）整體矩陣方程求解 引入約束條件，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到引入約束條件，對(duì)結(jié)構(gòu)的總體矩陣方程求解，得到各節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。各節(jié)點(diǎn)的位移，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析有限元分析軟件有

10、限元分析軟件 有限元軟件一般由三部分組成：（1）有限元前處理（2）有限元分析（3）有限元后處理 商品化的大型通用軟件有： MSC、NASTRAN、ASKA、ANSYS等。都有前后處理功能。還有專門的商品化的有限元前、后處理軟件。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析有限元法的前置處理有限元法的前置處理 用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí),要輸入大要輸入大量的數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)、坐標(biāo)、載量的數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)、單元編號(hào)、坐標(biāo)、載荷、材料和邊界條件數(shù)據(jù)等。故有限元計(jì)荷、材料和邊界條件數(shù)據(jù)等。故有限元計(jì)算程序要進(jìn)行前置處理。算程序要進(jìn)行前置處理。 前置處理的主要內(nèi)容：前置處理

11、的主要內(nèi)容： 1. 網(wǎng)格自動(dòng)劃分網(wǎng)格自動(dòng)劃分 2. 生成有限元屬性數(shù)據(jù)生成有限元屬性數(shù)據(jù) 3. 數(shù)據(jù)自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)自動(dòng)檢查第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析有限元法的后置處理有限元法的后置處理 后置處理任務(wù)：后置處理任務(wù)： 將有限元計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行加工處理將有限元計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行加工處理并形象化為變形圖、應(yīng)力等值線圖、應(yīng)并形象化為變形圖、應(yīng)力等值線圖、應(yīng)力應(yīng)變彩色濃淡圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線以及力應(yīng)變彩色濃淡圖、應(yīng)力應(yīng)變曲線以及振型圖等。振型圖等。 包括：包括： 1、對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的加工處理、對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的加工處理 2、結(jié)果數(shù)據(jù)的編輯輸出、結(jié)果數(shù)據(jù)的編輯輸出 3、有限元數(shù)據(jù)的圖形表示、有限元數(shù)

12、據(jù)的圖形表示第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析有限元分析應(yīng)用舉例有限元分析應(yīng)用舉例第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析20兆瓦機(jī)組中壓外缸剛性分析兆瓦機(jī)組中壓外缸剛性分析東方汽輪機(jī)廠X方向位移方向位移Z方向位移方向位移第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析CAD模型CAE模型世界一流的世界一流的CAE軟件供應(yīng)商有：軟件供應(yīng)商有：美國(guó)美國(guó)MSC公司公司、美國(guó)美國(guó)ANSYS公司公司、英國(guó)英國(guó)AEA公司公司等，等，本廠擁有它們的本廠擁有它們的MSC/MARC、MSC/NASTRAN、MSC/PATRAN、MSC/FATIGUE、ANSYS、TASCFLOW、

13、CFX-4等世界頂尖仿真軟件。等世界頂尖仿真軟件。從CAD中讀入復(fù)雜模型有限單元?jiǎng)澐质┘舆吔?、初始條件施加材料、單元特性求解及后處理東方汽輪機(jī)廠第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析X,Y方向約束以此面對(duì)稱約束Y方向約束內(nèi)壁施壓力高壓主汽調(diào)節(jié)閥閥殼應(yīng)力場(chǎng)模擬高壓主汽調(diào)節(jié)閥閥殼應(yīng)力場(chǎng)模擬東方汽輪機(jī)廠第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析數(shù)字化設(shè)計(jì)與并行工程在摩托車研發(fā)中的應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)與并行工程在摩托車研發(fā)中的應(yīng)用 本文扼要介紹了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)字本文扼要介紹了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)字化研發(fā)與并行工程在化研發(fā)與并行工程在HD150GY-2型摩托車研發(fā)過(guò)型摩托車研

14、發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)字化設(shè)計(jì)程中的應(yīng)用以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)規(guī)劃。系統(tǒng)平臺(tái)規(guī)劃。 第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析UG軟件中的整車虛擬裝配軟件中的整車虛擬裝配摩托車摩托車第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析后輪、后搖架、后減震的運(yùn)動(dòng)分析后輪、后搖架、后減震的運(yùn)動(dòng)分析摩托車摩托車第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析利用利用UG軟件有限元分析模塊中的軟件有限元分析模塊中的后處理功能對(duì)連桿進(jìn)行結(jié)果分析。后處理功能對(duì)連桿進(jìn)行結(jié)果分析。連桿的有限元分析結(jié)果連桿的有限元分析結(jié)果摩托車摩托車第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算

15、機(jī)輔助工程分析柴油機(jī)連桿的有限元分析柴油機(jī)連桿的有限元分析 連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件，它連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中傳遞動(dòng)力的重要零件，它把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將作把活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并將作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作過(guò)程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過(guò)盈及螺栓作過(guò)程中要承受裝配載荷（包括軸瓦過(guò)盈及螺栓預(yù)緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及預(yù)緊力）和交變工作載荷（包括氣體爆發(fā)壓力及慣性力）的作用。慣性力）的作用。 本文應(yīng)用本文應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)新設(shè)計(jì)的某有限元軟件，對(duì)新設(shè)計(jì)的某機(jī)型連桿進(jìn)行了

16、強(qiáng)度和剛度的校核。機(jī)型連桿進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的校核。連桿的三維連桿的三維幾何模型來(lái)自幾何模型來(lái)自CAD軟件軟件PRO/E，采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型，利用利用ABAQUS進(jìn)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析行力學(xué)計(jì)算分析。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 圖圖1 連桿有限元模型連桿有限元模型柴油機(jī)連桿柴油機(jī)連桿采用采用MSC/PATRAN建立有限元模型建立有限元模型第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析圖圖2 連桿在裝配與拉伸連桿在裝配與拉伸載荷作用下應(yīng)力分布載荷作用下應(yīng)力分布圖圖3連桿在裝配與氣體爆發(fā)壓連桿在裝配與氣體爆發(fā)壓力載荷作用下應(yīng)力分布力載荷作

17、用下應(yīng)力分布柴油機(jī)連桿柴油機(jī)連桿利用利用ABAQUS進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析一座大樓模型一座大樓模型第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析大樓的變形和應(yīng)力分布大樓的變形和應(yīng)力分布第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析5.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 一是一是建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，即確定優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)，即確定優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量；題的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量； 二是二是選擇適用的優(yōu)化方法，求解數(shù)學(xué)模型選擇適用的優(yōu)化方法，求解數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

18、數(shù)學(xué)模型包括三部分內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型包括三部分內(nèi)容 ：（1）設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量（2）約束條件約束條件（3）目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：優(yōu)化設(shè)計(jì)的三要素優(yōu)化設(shè)計(jì)的三要素第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 設(shè)計(jì)中，可以用一組對(duì)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)有設(shè)計(jì)中，可以用一組對(duì)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)有影響的基本參數(shù)來(lái)表示某個(gè)設(shè)計(jì)方案。有影響的基本參數(shù)來(lái)表示某個(gè)設(shè)計(jì)方案。有些基本參數(shù)可以根據(jù)工藝、安裝和使用要些基本參數(shù)可以根據(jù)工藝、安裝和使用要求預(yù)先確定，而另一些則需要在設(shè)計(jì)過(guò)程求預(yù)先確定，而另一些則需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行選擇。那些中進(jìn)行選擇。那些需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行需要在

19、設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行選擇的基本參數(shù)選擇的基本參數(shù)被稱為被稱為設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量。 機(jī)械設(shè)計(jì)常用的機(jī)械設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量有：幾何外形有：幾何外形尺寸（如長(zhǎng)、寬、高等）、材料性質(zhì)、速尺寸（如長(zhǎng)、寬、高等）、材料性質(zhì)、速度、加速度、效率、溫度等。度、加速度、效率、溫度等。（1）設(shè)計(jì)變量）設(shè)計(jì)變量X=x1,x2,xn T第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 在實(shí)際問(wèn)題中，設(shè)計(jì)變量不能任意選擇，在實(shí)際問(wèn)題中，設(shè)計(jì)變量不能任意選擇，必須滿足某些規(guī)定功能和其它要求。為產(chǎn)必須滿足某些規(guī)定功能和其它要求。為產(chǎn)生一個(gè)可接受的設(shè)計(jì)而對(duì)設(shè)計(jì)變量取值施生一個(gè)可接受的設(shè)計(jì)而對(duì)設(shè)計(jì)變量取值施加的種種限制稱為加

20、的種種限制稱為約束條件約束條件。 （2）約束條件）約束條件第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析約束條件表達(dá)方式約束條件表達(dá)方式 約束條件一般表示為約束條件一般表示為設(shè)計(jì)變量的不等式設(shè)計(jì)變量的不等式約束函數(shù)約束函數(shù)和和等式約束函數(shù)等式約束函數(shù)形式：形式： gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0或或 gi(X)=gi(x1,x2,xn) 0 (i=1,2,m) hj(X)=hj(x1,x2,xn)=0 (j=m+1,m+2,p) 式中式中m，(p-m)分別表示施加于該項(xiàng)設(shè)計(jì)分別表示施加于該項(xiàng)設(shè)計(jì)的不等式約束條件數(shù)目和等式約束條件數(shù)的不等式約束條件數(shù)目和等式約束條件數(shù)目。目。 第五章

21、第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 約束條件一般分為邊界約束和性能約束兩種。約束條件一般分為邊界約束和性能約束兩種。 (1) 邊界約束邊界約束 又稱區(qū)域約束，表示設(shè)計(jì)變量的物理限制又稱區(qū)域約束，表示設(shè)計(jì)變量的物理限制和取值范圍。和取值范圍。 (2) 性能約束性能約束 又稱性態(tài)約束，是由某種設(shè)計(jì)性能或指標(biāo)又稱性態(tài)約束，是由某種設(shè)計(jì)性能或指標(biāo)推導(dǎo)出來(lái)的一種約束條件。這類約束條件，推導(dǎo)出來(lái)的一種約束條件。這類約束條件，一般總可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)計(jì)公式或通一般總可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)計(jì)公式或通過(guò)物理學(xué)和力學(xué)的基本分析導(dǎo)出的約束函數(shù)過(guò)物理學(xué)和力學(xué)的基本分析導(dǎo)出的約束函數(shù)來(lái)表示。來(lái)表示。約束條

22、件分類約束條件分類第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析約束條件應(yīng)滿足的要求約束條件應(yīng)滿足的要求 約束條件必須是對(duì)設(shè)計(jì)變量的一個(gè)有定義約束條件必須是對(duì)設(shè)計(jì)變量的一個(gè)有定義的函數(shù)，并且各個(gè)約束條件之間不能彼此矛的函數(shù)，并且各個(gè)約束條件之間不能彼此矛盾。盾。 可行域和非可行域可行域和非可行域 設(shè)計(jì)約束將設(shè)計(jì)空間分成可行域與非可行設(shè)計(jì)約束將設(shè)計(jì)空間分成可行域與非可行域兩部分?？尚杏蛑械娜我稽c(diǎn)（包括邊界上域兩部分?？尚杏蛑械娜我稽c(diǎn)（包括邊界上的各點(diǎn)）都滿足所有的約束條件，稱為可行的各點(diǎn)）都滿足所有的約束條件，稱為可行點(diǎn)。任一個(gè)可行點(diǎn)都表示滿足設(shè)計(jì)要求的可點(diǎn)。任一個(gè)可行點(diǎn)都表示滿足設(shè)計(jì)要求的

23、可行方案。行方案。 第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析 根據(jù)特定目標(biāo)建立起來(lái)的、以設(shè)計(jì)變量為根據(jù)特定目標(biāo)建立起來(lái)的、以設(shè)計(jì)變量為自變量的、一個(gè)可計(jì)算的函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)，自變量的、一個(gè)可計(jì)算的函數(shù)稱為目標(biāo)函數(shù)，它是設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。它是設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)目標(biāo)函數(shù)的描述對(duì)目標(biāo)函數(shù)的描述 優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上是尋求目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上是尋求目標(biāo)函數(shù)最小值或最大值的過(guò)程。因?yàn)榍竽繕?biāo)函數(shù)的最小值或最大值的過(guò)程。因?yàn)榍竽繕?biāo)函數(shù)的最大值可轉(zhuǎn)換為求負(fù)的最小值，故目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)大值可轉(zhuǎn)換為求負(fù)的最小值，故目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一描述為：一描述為：F(X)=F(x1,x2,xn) （3）目標(biāo)函數(shù)

24、）目標(biāo)函數(shù)F(X) min第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型求求 X=x1,x2,xn 使使 minF(X)滿足約束條件滿足約束條件 gi(X) 0 (i=1,2,m) hj(X)=0 (j=m+1,m+2,p) T第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析求解優(yōu)化問(wèn)題的基本思想和策略求解優(yōu)化問(wèn)題的基本思想和策略 解析法和數(shù)值迭代方法解析法和數(shù)值迭代方法v解析法解析法利用數(shù)學(xué)解析方法（如微分等方法）利用數(shù)學(xué)解析方法（如微分等方法）v數(shù)值迭代方法數(shù)值迭代方法則是利用函數(shù)在某一局域區(qū)域則是利用函數(shù)在某一局域區(qū)域的某些性質(zhì)和函數(shù)值，采用某種算法

25、逐步逼的某些性質(zhì)和函數(shù)值，采用某種算法逐步逼近到函數(shù)極值點(diǎn)的方法。近到函數(shù)極值點(diǎn)的方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)中大都采用優(yōu)化設(shè)計(jì)中大都采用數(shù)值迭代數(shù)值迭代方法。方法。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。其基本思想是：搜索、迭代、逼近。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析優(yōu)化方法優(yōu)化方法無(wú)約束優(yōu)化方法無(wú)約束優(yōu)化方法一維搜索法一維搜索法0.618法法二次插植法二次插植法坐標(biāo)輪換法坐標(biāo)輪換法單純形法單純形法鮑威爾法鮑威爾法梯度法梯度法牛頓法牛頓法變尺度法變尺度法外點(diǎn)罰函數(shù)法外點(diǎn)罰函數(shù)法外點(diǎn)罰函數(shù)法外點(diǎn)罰函數(shù)法混合罰函數(shù)法混合罰函數(shù)法約束優(yōu)化方法約束優(yōu)化方法直接法直接法間接法間接法約束隨機(jī)法約束隨機(jī)法復(fù)合

26、形法復(fù)合形法罰函數(shù)法罰函數(shù)法常用優(yōu)化方法常用優(yōu)化方法第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析5.4 工程分析中的仿真技術(shù)工程分析中的仿真技術(shù)仿真的基本概念仿真的基本概念 仿真仿真就是采用模擬真實(shí)系統(tǒng)的模型，通過(guò)對(duì)模就是采用模擬真實(shí)系統(tǒng)的模型，通過(guò)對(duì)模型的分析和實(shí)驗(yàn)去研究真實(shí)系統(tǒng)的工作行為。型的分析和實(shí)驗(yàn)去研究真實(shí)系統(tǒng)的工作行為。v物理仿真物理仿真 采用與實(shí)際系統(tǒng)在物理上相似的實(shí)物模型進(jìn)行采用與實(shí)際系統(tǒng)在物理上相似的實(shí)物模型進(jìn)行分析。分析。v數(shù)學(xué)仿真（又稱計(jì)算機(jī)仿真）數(shù)學(xué)仿真（又稱計(jì)算機(jī)仿真） 就是在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算模型，通就是在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算模型，通過(guò)運(yùn)行仿真軟

27、件代替實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行工作，以便進(jìn)過(guò)運(yùn)行仿真軟件代替實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行工作，以便進(jìn)行觀察和考核實(shí)驗(yàn)。行觀察和考核實(shí)驗(yàn)。第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析仿真的一般過(guò)程v（1）建立數(shù)學(xué)模型）建立數(shù)學(xué)模型v（2）模型變換）模型變換v（3）編制仿真程序）編制仿真程序v（4）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)v（5）仿真結(jié)果整理分析）仿真結(jié)果整理分析第五章第五章 計(jì)算機(jī)輔助工程分析計(jì)算機(jī)輔助工程分析仿真在仿真在CAD/CAM系統(tǒng)中的應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用 產(chǎn)品形態(tài)仿真產(chǎn)品形態(tài)仿真 例如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、外觀、色彩等形象化屬性。裝配關(guān)系仿真裝配關(guān)系仿真 例如零部件之間裝配關(guān)系與干涉檢查，車間布局與設(shè)備、管道安裝、電力、供暖、供氣、冷卻系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備布局