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有限元分析_CAE應用解決方案專家
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機械重工行業的CAE解決方案

       機械結構分析是有限元分析方法最常用的一個應用領域。結構這個術語是一個廣義的概念,它包括土木工程結構,如橋梁和建筑物;汽車結構,如車身骨架;海洋結構,如船舶結構;航空結構,如飛機機身等;同時還包括機械零部件,如活塞,傳動軸等等。
       由于大多是工程機械產品在工作過程中的受力情況和變形條件很復雜,所以在設計時很難較準確地計算出有關零部件的應力應變分布及動力學特性,從而評估機械產品的強度、剛度、疲勞壽命等。以往是給出一些假設條件,采用工程力學的方法進行近似計算,但這樣設計出的部件在幾何尺寸和結構型式上都難以達到優化設計的要求。隨著計算機的應用,現在可以通過CAE技術有效地解決這個問題。

       機械行業常用的靜力、動力和斷裂損傷CAE分析軟件包括ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、MSC.Marc、Nastran、Hyperworks等;專業疲勞分析軟件包括Fe-Safe,MSC.Fatigue,Ncode/DesignLife等,專業流體分析軟件包括Fluent,CFX,FLOW-3D,Star-CD,Phoenix,Flowmaster,SC/Tetra等。

建筑工程機械領域相關應用

       靜力分析:用于求解靜力載荷作用下結構的位移和應力等。靜力分析包括線性和非線性分析。而非線性分析涉及塑性,應力剛化,大變形,大應變,超彈性,接觸面和蠕變。
       動力學分析:是用來確定慣性(質量效應)和阻尼起著重要作用時結構或構件動力學特性的技術。用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。
       斷裂損傷分析
       疲勞分析
       流體分析
       結構靜力分析

  結構靜力分析用來分析結構在給定靜力載荷作用下的響應。一般情況下,比較關注的往往是結構的位移、約束反力、應力以及應變等參數。對于機械而言,靜力學分析通常包括:強度分析,剛度分析和穩定性分析幾塊,而其中以強度分析和剛度分析最重要。

建筑工程機械領域相關應用

  結構靜力分析技術的應用包括:
       1、校核結構的承載能力是否滿足強度設計的要求,其準則為: 若強度過剩較多,可以減小結構承力件尺寸。
       2、校核結構抵抗變形的能力是否滿足強度設計的要求,同時為動力分析等提供結構剛度特性數據,這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進行。
       3、計算和校核桿件、板件、薄壁結構、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩定。
       4、計算和分析結構在靜載荷作用下的應力、變形分布規律和屈曲模態,為其他方面的結構分析提供資料。
  結構動力學分析是CAE分析的主要內容之一。結構動力分析不同于靜力分析,常用來確定時變載荷對整個結構或部件的影響,同時還要考慮阻尼及慣性效應的作用。

  結構在動力荷載作用下響應和性能的分析,主要是由已知結構和動力荷載來計算結構的響應,以確定結構的承載能力和動力特性,為改善結構性能、合理進行設計提供依據。結構動力分析不僅要考慮動力荷載和響應隨時間而變化,而且還要考慮結構因振動而產生的慣性力和阻尼力。動力荷載作用在結構上,結構產生的振動稱為強迫振動。

建筑工程機械領域相關應用

  結構動力學分析技術的應用包括:
       1、模態分析:分析結構的固有頻率和振型
       2、諧響應分析:結構在隨時間呈正弦規律載荷作用下的響應分析
       3、譜分析:結構在沖擊響應譜作用下的響應分析
       4、PSD分析: 結構在隨機振動載荷作用下的響應分析
       5、瞬態動力學分析:結構在任意動態載荷作用下的響應
       6、斷裂分析
  運用斷裂力學方法,分析在具有缺陷(裂紋)的結構或者材料在載荷作用下裂紋是否擴展、擴展速率、是否斷裂、何時斷裂等,從而確定結構是否安全,其壽命周期、檢修周期、壽命期內允許的最大載荷等。
  裂紋一般按照幾何特征分為穿透裂紋、表面裂紋、角裂紋、深埋裂紋等;按照力學特征分為張開型、滑開型、撕開型等;按照裂紋尖端塑性區的相對大小分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學。線彈性裂紋的擴展和斷裂判定主要是基于應力強度因子K;彈塑性裂紋的擴展和斷裂判定主要是基于J積分。由于研究比較成熟、且工程上占比比較大的是彈塑性裂紋,因此計算各種裂紋的應力強度因子K、研究材料本身的斷裂韌度Kc是斷裂力學中的主要內容。
  裂紋擴展公式一般是基于經典的Paris公式及相關修正公式,按考慮因素由簡單至復雜則常用的有Walker公式、Forman公式、Nasgro公式等。影響裂紋擴展及斷裂的因素主要有多個材料常數、應力比、裂紋結構形式等。
  斷裂有限元分析的方法包括
       應力強度因子和積分法(K,J積分和G積分)
       擴展有限元法(XFEM技術)

       虛擬裂紋閉合法(VCCT技術)


       疲勞分析

  機械零件,如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等,在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化,這種隨時間作周期性變化的應力稱為交變應力(也稱循環應力)。在交變應力的作用下,雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點,但經過較長時間的工作后產生裂紋或突然發生完全斷裂的現象稱為金屬的疲勞。。疲勞破壞是機械零件失效的主要原因之一。疲勞強度是指材料在無限多次交變載荷作用下會產生破壞的最大應力,稱為疲勞強度或疲勞極限。在機械結構中,對于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強度較好的材料來制造。


油罐強度    

  疲勞分析的方法和應用包括:
       a.靜態(準靜態)疲勞分析法,應用于結構的一階固有頻率大于3倍載荷平率情況下,如汽車車身、底盤等
       b.瞬態疲勞分析法,應用于不適應靜態疲勞分析法的場合,如汽車曲軸等旋轉類零件

       c.振動疲勞分析法,應用于載荷變化復雜的情況下,將載荷時間歷程在頻域內用功率譜密度函數描述,進行隨機響應分析進而評估疲勞壽命

電機散熱


       流體分析
  計算流體動力學(computationalFluidDynamics,簡稱CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示,對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。
  通過CFD數值模擬,我們可以得到極其復雜問題的流場內各個位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布,以及這些物理量隨時間的變化情況,確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區等。還可據此算出相關的其他物理星,如旋轉式流體機械的轉矩、水力損失和效率等。
       計算流體動力學分析在機械機構的中應用包括:
       水輪機、風機和泵等流體機械內部的流體流動;
       換熱器性能分析及換熱器片形狀的選取;
       制冷工程熱流場分析;
       旋流分離器、生化反應器、干燥器、流化床、換熱器方面的應用;



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