吴青老师《工程设计软件介绍》

1CAD／CAE技术概论及工程设计软件介绍第一节CAD概念的产生和发展CAD(ComputerAidedDesign)指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，迅速地得到发展并日益地完善起来。20世纪60年代初，美国麻省理工学院MIT，开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，这就是CAD／CAM的雏型，形成了最初的CAD概念：科学计算、绘图。随着计算机软、硬件的发展，计算机逐步应用于设计过程，形成了CAD系统，同时给CAD概念加入新的含义，逐步形成了当今应用十分广泛的CAD／CAE／CAM集成的CAD系统。从CAD概念产生至今，CAD经历了多个发展时期。从20世纪60年代初到70年代中期，CAD从封闭的专用系统走向商品化，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，需配备大型计算机系统，价格昂贵。此时期有代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系统。CAD开始进入应用阶段。20世纪70年代后期，进入发展时期。由于集成电路的问世，CAD系统价格下降。同时，此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面何题，法国达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA，采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。一些受到国家财政支持的军用工业相继开发了CAD软件，如美国洛克希德公司的CADAM、美国通用电气公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇航局(NASA)支持开发的I-DEAS、美国麦道公司开发的UG等。20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大的发展，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确地表达零件韵其他属性，如质量、质心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对CAD／CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CAD／CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，因此称之为CAD发展史上的第二次技术革命。但由于当时的硬件条件还不能满足实体造型技术所带来的数据计算量极度膨胀的需求，使实体造型技术没能很快在整个行业中全面推广开来。20世纪80年代中期，CV公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。策划参数化技术的这些人成立了一个参数技术公司(ParametricTechnologyCorp.PTC)，开始研制Pro／ENGINEER的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上第三次技2术革命。20世纪90年代初期，SDRC公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术尚存在许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。为此，SDRC的开发者捉出了一种此参数化技术更为先进的实体造型技术——变量化技术，并历经3年时间，投资一亿多美元，推出了全新体系的I-DEASMasterSerise软件。变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD技术发展的第四次技术革命。目前，CAD技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的CAD／CAF／CAM集成化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现许多成熟的现代CAD技术。当今CAD技术是计算机在工程中最有影响的应用技术，它作为现代工程制造技术的重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新与改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加强国民经济发展的一项关键性高新技术。CAD概念在各个时期有所不同，1973年国际信息联合会给出“CAD是将人和机器混编在解题作业中的一种技术，从而使人和机器的最好特性联系起来。”的定义。到20世纪80年代初，第二届国际CAD会议上认为CAD是一个系统的概念，包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理五个方面的内容。1984年召开的国际设计及综合讨论会上，认为CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维。可见CAD概念是一个变化的、不断发展的概念。第二节CAE概念的产生和发展CAE是ComputerAidedEngineering(计算机辅助工程)的缩写，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。CAE技术的主要内容包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限元分析在机械CAD中应用最广泛。几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象由弹性材料扩展到塑性粘塑性和复合材料等；分析的领域从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并且和计算机辅助设计技术的结合越来越紧密，因此，有些学者认为，CAE应属于广义CAD的重要组成部分。CAE技术的发展大体经历了以下三个阶段：20世纪60～70年代，CAE技术处在探索发展阶段。这一时期的有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析问题。1963年Dr．RichardMacNeal和Mr．RobertSchwndler投资成立MSC公司，开发了称之为SADSAM(StructuralAnalysisbyDigitalSimulationofAnalogMethods)的结构分析软件。1967年在美国NASA支持下，SDRC公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包。1971年推出商用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年SASI公司成立(后来重组改称ANSYS公司)，开发了ANSYS软件。20世纪70～80年代是CAE技术蓬勃发展时期。1977年MDI公司成立，致力于发展机械系统仿真软件，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿3真分析。1978年，ABAQUS软件应用于结构非线性分析。1982年CSAR成立，其CSA／Nastran软件主要针对大结构，流—固耦合、热及噪声分析。1987年LSTC成立，其产品LS—DYNA及LS—NIKE3D用隐式算法求解低高速动态及特征问题。1989年EngineeringSoftwareKesemochandDevelopment公司成立，致力发展P法有限元程序。这一时期CAE发展有以下几个特点：1.软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配，计算机内存的有效利用及磁盘空间利用。2.有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从电学模型开始拓展到各种物理场(如温度场、电磁场、声波场等)的分析。从线性分析向非线性分析(如材料的非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展。从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件，如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D与WECAN等。20世纪90年代是CAE技术成熟壮大阶段。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。如MSC／Nastran在1994年收购了Patran作为自己的前后置处理软件，并先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样，ANSYS也在大力发展其软件ANSYS／Prepost前后置处理功能，而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的设计软件的CAD模型传输接口，先后投放了Pro／EtoI-DEAS、CATIAtoI-DEAS、UGtoI-DEAS等专用接口，在此基础上再增强I-DEAS的前后置处理功能。CAE走上了CAD／CAE／CAM集成的道路。CAE技术的发展趋势：(1)应用领域越来越宽。使用对象从以专家为主转向普通设计者和开发工程师。(2)集成程度越来越高。软件功能从单一CAE功能转向CAD／CAE设计／分析一体化。(3)分析人员的工作重点转向前后置处理。如果把整个分析过程分解为前处理、求解和后处理，则前处理包括建立几何模型、几何模型输入输出准备、网格划分、定义边界条件，而求解和后处理相对简单。1997年SDRC公司对分析人员整个分析过程中各个阶段所占的时间百分比做了调查。由于计算机硬件速度的提高以及分析软件计算方法的改进，求解时间仅占4％。前处理占用了87％的时间，后处理占用了9％的时间。由此可见目前影响分析效率的主要环节是前后置处理。解决的方法有：1.采用CAD／CAE一体化软件，解决大多数的分析任务。2.提高分析软件的前后置处理能力，压缩整个分析过程的前后置处理时间。3.采用同一有限元模型进行多种分析。目前在产品开发中，产品评估(PE)的概念已经开始广为人们接受。产品评估要求在整个产品开发过程中，从用户需求—概念设计—产品设计—产品及零件详细设计—工艺性分析—产品性能验证—生产维护的各个阶段，对产品进行及时有效的分析。采用评估与产品开发过程并行的方式，保证分析结果更为客观，更为可靠。CAE技术将发挥越来越重要的作用。4第三节工程设计软件介绍目前，已有许多商用工程设计软件，现分别简介一些著名的工程设计软件。一、CATIA软件CATIA(ComputerAidedThree-dimensionalInterfaceApplication)是法国达索飞机公司子公司达索系统公司与IBM合作研究开发的CAD／CAE／CAM软件系统。它是千个先进的自动化设计、制造及工程分析软件，主要用于机械制造、工程设计和电子行业。主要特点：根据工业生产的工艺过程，提供用户从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造乃至应用软件开发等面向过程的设计思想和解决方案；采用1～15次Bezier曲线面和非均匀有理B样条计算方法；具有很强的三维复杂曲面造型和加工编程能力，适用于飞机，汽车等复杂机械产品外形几何设计和数控加工编程；提供统一的用户界面数据管理，完全兼容的模块数据和应用程序接口。产品功能模块：三维设计、实体几何、高级曲面、绘图、影像设计、建库、数控铣削、数控车削、导管安装和管子成形、机器人、建筑设计和设备布置、结构设计和钢结构件、原理图、运动学、有限元分析、接口模块、交互式图形接口、服务管理访问等。二次开发接口：几何接口、用户接口、图形交互接口、工业标准数据转换、数据双向转换接口等。二、UGⅡ软件UGⅡ(UNIGRAPHICSⅡ)是EDS公司的产品，它是一个集CAD、CAE和CAM为一体的计算机辅助机械设计系统，适用于航空航天飞行器、汽车、通用机械以及模具的设计、分析和制造。主要特点：提供特征化、参数化和变量化的概念设计；采用非均匀B样条作为曲面造型的数学基础；采用区别于多面体的曲面实体造型，使线框模型、曲面模型和实体模型融为一体；提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统，使CAD、CAE、CAM各部分的能够自由切换：具有良好的二次开发接口和工具。产品功能模块：概念设计、基本设计绘图、细节绘图、实体模型、高级曲面造型、组合件及部件、机械结构、图形有限元模型、塑料流动、图形交互式语言、平面铣削、型腔铣切、车削加工、钣金成形、下料排样、冲压／激光、综合仿真、工程数据库、计算机辅助工艺过程设计。二次开发接口：用户接口