CAD/CAE在航天領(lǐng)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(shù)的應用而發(fā)展起來的一種先進的CAD/CAE技術(shù),廣泛應用于各個領(lǐng)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。

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關(guān)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(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)、高速度、低成本的設計方法。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及,有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)分析、運動機構(gòu)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(jié)構(gòu)分析、運動機構(gòu)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(gòu)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(shù)。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(guān)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(guān)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(qū)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(guān)系式的形式來建立各參數(shù)之間的關(guān)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(jié)構(gòu)件進行了分段處理,如下面兩張圖:

CAD/CAE在航天領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)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(guān)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(lǐng)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(lǐng)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(gòu)成的,效果圖如下:

CAD/CAE在航天領(lǐng)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(shù)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(jié)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(jié)合。他具有極強的結(jié)構(gòu)分析沒能力。可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析。它提供了豐富的機構(gòu)單元,連接單元和特殊單元的單元庫。MSC,Marc的機構(gòu)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(shù)。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(shù),自動確定分析加載步長。MSC.Marc卓越的網(wǎng)格自適應技術(shù),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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