练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2练章华练章华 教授教授1练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2教材：练章华主编：现代CAE技术与应用教程北京：石油工业出版社，2004.122练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2上机时间：上机时间： 上课时间第上课时间第9周开始周开始 ( (星期二、四晚上星期二、四晚上8:108:1010:00)10:00)上机地点：上机地点：计算站计算站BC4033练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2上课成绩上课成绩(平时成绩平时成绩)：30%上机实验成绩：上机实验成绩： 40%工程应用大作业：工程应用大作业： 30%4练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2第第1讲讲5练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2一、现代一、现代CAE技术技术CAE英文全称为：英文全称为：Computer Aided EngineeringCAE中文名词为：计算机辅助工程中文名词为：计算机辅助工程 主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性、知识密集型的学代计算技术而形成的一门综合性、知识密集型的学科，它包括了工程和制造业信息化的所有方面，其科，它包括了工程和制造业信息化的所有方面，其相关的软件就称为相关的软件就称为CAE软件。软件。 6练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2一、现代一、现代CAE技术技术1. 传统设计过程传统设计过程2. 现代设计法现代设计法7练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2* 引进国外先进软件促进机械行业飞跃发展引进国外先进软件促进机械行业飞跃发展我国我国机械企业普机械企业普遍存在的问题遍存在的问题产品开发能力弱，开发周期长，产品更产品开发能力弱，开发周期长，产品更新慢，且整体水平低，市场占有低，进新慢，且整体水平低，市场占有低，进而导致经济效益低，与先进国家相比，而导致经济效益低，与先进国家相比，存在着较大的差距。存在着较大的差距。国家科委将国家科委将“CAD/CAE应用工程及示范应用工程及示范”列列为为“九五九五”15项重中之重的项目之一。项重中之重的项目之一。机械部科技司机械部科技司1996年组织百家重点企业召年组织百家重点企业召开了开了“1550工程工程”会议。会议。引进国外先进的引进国外先进的CAD/CAE/CAM软件成为必然的软件成为必然的趋势趋势应用现代高科技的计算机软、硬件应用现代高科技的计算机软、硬件8练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2使用使用CAE软件必须具备的背景知识软件必须具备的背景知识学历：学历：本科生以上本科生以上背背景景知知识识机械机械数学数学力学力学电磁学电磁学机械设计基础机械设计基础机械振动理论机械振动理论数值计算方法数值计算方法数学物理方法数学物理方法有限单元法等有限单元法等固体力学固体力学流体力学流体力学传热学传热学工程力学工程力学(理力、材力理力、材力)弹塑性力学弹塑性力学弹性断裂力学弹性断裂力学岩石力学等岩石力学等丰富的工程、丰富的工程、科研应用经验科研应用经验并非一般的并非一般的CAD软件软件9练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2设计循环设计循环概念设计概念设计1.传统设计过程传统设计过程分析分析物理样机物理样机测试测试详细设计详细设计产品产品10练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2模拟模拟参数参数设计设计虚拟虚拟样机样机验证验证分析分析优化优化概念设计概念设计详细设计详细设计物理物理样机样机产品产品设计设计(CAD)1虚拟样机虚拟样机(CAE)2加工加工CAM311练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.212练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.213练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.22.有限元法基础：结构离散和分片插值有限元法基础：结构离散和分片插值连续的弹性体连续的弹性体有限自由度有限自由度离散离散有限个单元有限个单元划分划分每个单元满每个单元满足连续条件足连续条件节点跨单元节点跨单元的连续性的连续性从能量原理出从能量原理出发建立起整体发建立起整体控制方程控制方程求解线性代数方程求解线性代数方程组得到结构的位移组得到结构的位移场以及应力场等场以及应力场等无限多自由度无限多自由度14练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.215练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2这也正好说明有限元法是这也正好说明有限元法是工程和数学相结合的产物工程和数学相结合的产物16练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2历史典故历史典故 1 结构分析的有限元方法是由一批结构分析的有限元方法是由一批学术界学术界和和工业工业界界的研究者在二十世纪的研究者在二十世纪50年代到二十世纪年代到二十世纪60年代创年代创立的。立的。 有限元分析理论己有有限元分析理论己有100多年的历史，是悬索多年的历史，是悬索桥和蒸汽锅炉进行桥和蒸汽锅炉进行手算评核手算评核的基础。的基础。17练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2历史典故历史典故 2早期早期ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYS最早是在最早是在1970年发布的，运行在价格为年发布的，运行在价格为1,000,000的的CDC、由、由Univac和和IBM生产的计算机上，它们的处生产的计算机上，它们的处理能力远远落后于今天的理能力远远落后于今天的PC机，机，一台奔腾一台奔腾PC机在几机在几分钟内可求解分钟内可求解50005000的矩阵系统，而过去则需要的矩阵系统，而过去则需要几天时间几天时间。18练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题.现代数学现代数学力学理论力学理论现代科学技术的产物现代科学技术的产物 计算机计算机+满足工程要满足工程要求的数值解求的数值解数值模拟技术数值模拟技术推动现代工程学形成和发展推动现代工程学形成和发展5. 数值模拟技术数值模拟技术19练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2弹性力学弹性力学平面问题平面问题静力平静力平衡问题衡问题弹性材料弹性材料固体力学固体力学从分析从分析和校核和校核6.有限单元法总结有限单元法总结空间问题空间问题板壳问题板壳问题扩展到扩展到稳定问题稳定问题动力问题动力问题波动问题波动问题扩展到扩展到塑性塑性粘弹性粘弹性粘塑性粘塑性复合材料等复合材料等扩展到扩展到流体力学、传热学等流体力学、传热学等连续介质力学领域连续介质力学领域扩展到扩展到优化设计并和计算机辅优化设计并和计算机辅助设计技术相结合助设计技术相结合扩展到扩展到三三十十多多年年来来20练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2随着现代力学、计算数学和随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展计算机技术等学科的发展可以预计可以预计有限单元法作为一个具有巩固理论基有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具础和广泛应用效力的数值分析工具必将在国民经济建设和科学技术发展必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。进一步的发展和完善。21练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2固体力学固体力学电磁学电磁学振动特性分析振动特性分析传热学传热学流体力学流体力学位移场位移场应力场分析应力场分析电磁场分析电磁场分析温度场分析温度场分析流场分析流场分析在给定边界在给定边界条件下求解条件下求解其控制方程其控制方程的问题的问题常微分方程常微分方程或偏微分方程或偏微分方程1. 有限元法在工程中的应用有限元法在工程中的应用22练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.280年年代代初初期期ANSYSNASTRANASKAADINASAPMARC 由于有限元通用程由于有限元通用程序使用方便、计算精度序使用方便、计算精度高，其计算结果已成为高，其计算结果已成为各类工业产品设计和性各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。能分析的可靠依据。数值模拟技术通过计算机程序数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。在工程中得到广泛的应用。23练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.22. 现代设计方法现代设计方法减少设计与制造费用有限元分析有限元分析满意？满意？NYN物理实验物理实验满意？满意？Y24练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.21. Home Page CN: www.ansys.com.cn2. Home Page HQ: www.ansys.com3. http:/www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/25练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2应力应变场（结构分析）应力应变场（结构分析）温度场（热分析）温度场（热分析）流场（流体动力学分析）流场（流体动力学分析）电磁场（电磁场分析）电磁场（电磁场分析）覆盖覆盖26练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2热结构耦合热结构耦合（温度应力）（温度应力）电磁热耦合电磁热耦合（感应加热）（感应加热）电磁结构耦合电磁结构耦合（压电现象）（压电现象）热流耦合热流耦合（流动传热）（流动传热）流固耦合流固耦合(机翼分析、血液流动机翼分析、血液流动)液固耦合液固耦合(液体晃动、声学分析液体晃动、声学分析)27练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.26.ANSYS特特别别功功能能子模型子模型子结构子结构参数化设计语言（参数化设计语言（APDL）单元死活单元死活设计优化设计优化二次开发二次开发高速、可靠的求解器高速、可靠的求解器ANSYS和流行的和流行的CAD软件均有接口软件均有接口高速变形和高度非线性模块高速变形和高度非线性模块ANSYS/LS-DYNA（冲击、爆炸、碰撞、实体成形、冲击、爆炸、碰撞、实体成形、板成形）板成形）28练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2生成有限元模型生成有限元模型施加载荷及边界条施加载荷及边界条件，完成求解运算件，完成求解运算检查求解结果检查求解结果设计优化器等设计优化器等29练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2实体实体模型模型实体实体网格网格辅助辅助PREPANSYS数据库数据库图形图形显示显示解算解算通用通用POST时间历程时间历程POST前处理前处理后处理后处理8. ANSYS数数据据库库30练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2图形窗口图形窗口输入窗口实用菜单实用菜单主菜单主菜单31练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.21. 与与CAD软件的无缝集成软件的无缝集成2. 强大可靠的网格剖分能力强大可靠的网格剖分能力3. 由求解线性问题发展到非线性问题由求解线性问题发展到非线性问题4. 由求解结构场发展到耦合场由求解结构场发展到耦合场5. 程序的开放性程序的开放性32练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.233练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.21 在油气勘探开发中的应用在油气勘探开发中的应用盆地地质力学分析模拟盆地地质力学分析模拟大地构造学数值仿真大地构造学数值仿真地应力场模拟研究地应力场模拟研究地球动力系统与演化仿真地球动力系统与演化仿真声波法测井资料解释与模拟声波法测井资料解释与模拟电测法测井资料解释与模拟电测法测井资料解释与模拟构造的地层温度压力场预测构造的地层温度压力场预测井壁稳定性与钻进效果研究井壁稳定性与钻进效果研究石油勘探开发仪器设计石油勘探开发仪器设计 34练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.22 在石油钻井工程中的应用在石油钻井工程中的应用石油钻机井架系统结构设计石油钻机井架系统结构设计钻柱强度与环空动力学钻柱强度与环空动力学钻头与钻头与BHA 设计设计高压水射流破岩高压水射流破岩井下环空流体动力学井下环空流体动力学钻柱接头与井下工具优化设计钻柱接头与井下工具优化设计地面钻井配套设备静、动力学地面钻井配套设备静、动力学 35练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.23 在采油工程中的应用在采油工程中的应用套管与油管柱设计套管与油管柱设计井口装置、阀门与法兰设计井口装置、阀门与法兰设计油管与采油封隔器、卡瓦系统设计油管与采油封隔器、卡瓦系统设计井下电潜泵、水利活塞泵有杆泵管柱优化设计井下电潜泵、水利活塞泵有杆泵管柱优化设计射孔完井射孔完井高压注水强度高压注水强度稠油热采工程稠油热采工程套管损坏机理套管损坏机理 36练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.24 在油田地面工程建设中的应用在油田地面工程建设中的应用石油重型装备设计与建设石油重型装备设计与建设油气储运地面工程建设油气储运地面工程建设埋地、架空管线设计埋地、架空管线设计钻采地面配套工程建设钻采地面配套工程建设滩海与浅海钻采装备滩海与浅海钻采装备 37练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2(一一)、 ANSYS在在机电中的应用实例机电中的应用实例(二二)、ANSYS在在石油工程中的应用实例石油工程中的应用实例38练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.21.金属成型加工过程模拟金属成型加工过程模拟2. 汽车碰撞分析汽车碰撞分析3. 三维后处理三维后处理4. 映象网格映象网格(一一)、ANSYS在在机机电电中中的的应应用用实实例例39练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.25. 电磁场分析电磁场分析6. 接触、超单元接触、超单元7. 飞机风扇应力分析飞机风扇应力分析8. V6发动机热分析发动机热分析40练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.29. 转子模态分析转子模态分析10. 电磁结构耦合场电磁结构耦合场11. 大变形分析大变形分析12. 金属成型粘塑性金属成型粘塑性41练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.213. 流动应力等值线流动应力等值线15. 皮带轮子模型皮带轮子模型16. 吹风机半透明热分析吹风机半透明热分析14.高架机车摇臂设计优化高架机车摇臂设计优化42练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.217.几何模型的传输几何模型的传输CAD，ANSYSIGES接口接口43练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2(二二)、ANSYS在在石油工程中的应用实例石油工程中的应用实例1. 平面问题射孔完井中的应用平面问题射孔完井中的应用12. 空间问题射孔完井中的应用空间问题射孔完井中的应用244练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2参考资料：参考资料：1. ANSYS入门手册（上下），美国ANSYS公司北京办事处,1998.2. ANSYS基本过程手册，美国ANSYS公司北京办事处,1998.3. ANSYS建模与分网手册，美国ANSYS公司北京办事处,1998.4. ANSYS非线性分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.5. ANSYS动力学分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.6. ANSYS热分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.7. ANSYS电磁场分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.8. ANSYS计算流体动力学分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.9. ANSYS耦合场分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.10. ANSYS疲劳断裂复合材料，美国ANSYS公司北京办事处,1998.11. ANSYS高级分析指南，美国ANSYS公司北京办事处,1998.12.王国强，主编， 西安：西北工业大学出版社，1999.813. ,美国IMAG公司驻北京办事处-资料，1993年9月。14.ANSYS/ED5.4 光盘在线资料，ANSYS,Inc,SAS IP,Inc. 15.ANSYS/ED5.6 光盘在线资料，ANSYS,Inc,SAS IP,Inc. 200016.王勖成，劭敏，编著，有限单元法基本原理和数值方法，北京：清华大学出版 社，1997年3月。45练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.246练章华练章华 教授教授 讲稿讲稿/2005.9.2/2005.9.2ANSYS软件软件ADINA软件软件ABAQUS软件软件NASTRAN软件软件MARC软件软件其它其它CAE软件软件P1234www.mscsoftware.com.cnwww.ansys.com.cnwww.abaqus.com.cnwww.adina.com.cn47