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1、常用三维建模及分析软件介绍,航空学院,1.2 常用的三维建模及有限元分析软件,1.4 有限元分析软件,提纲,1.3 三维建模软件,1.1 概述,在出现计算机绘图以前我们是这样画图的,1.1 概述,计算机辅助设计（CAD）已经成为了现阶段设计领域的一个趋势；计算机辅助设计（CAD）的优势；大量辅助设计商业软件的大量涌现不仅对工业领域起到了强大的推动作用，更为学术研究领域提供了各种研究工具。,随着CAD技术的发展,1.2 常用的三维建模及有限元分析软件,三维建模是什么？三维建模在现实中非常常见，如孩子们堆沙丘城堡、搭积木的过程是三维建模的过程，雕刻、制作陶瓷艺术品等，也都是三维建模的过程。人脑中的
2、物体形貌在真实空间再现出来的过程，就是三维建模的过程。广义地讲，所有产品制造的过程，无论手工制作还是机器加工，都是将人们头脑中设计的产品转化为真实产品的过程，都可称为产品的三维建模过程。,常用的软件：,1.3 三维建模软件,三维建模是指在计算机上建立完整的产品三维数字几何模型的过程，与广义的三维建模概念有所不同。计算机中通过三维建模建立的三维数字形体，称为三维数字模型，简称三维模型。在三维模型的基础上，人们可以进行后续的许多工作，如CAD（Computer Aided Design）、CAM（Computer Aided Manufacturing）、CAE（Computer Aided En
3、gineering）等。,三维建模必须借助软件来完成，这些软件常被称为三维建模系统。工业上常用的三维建模软件有：Catia、solidworks、UG、ProE、AutoCAD等,1.31 CATIA,CATIA是法国Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，Dassault System 成立于1981年，CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。,CATIA的logo,CATIA软件介绍,CATIA V5是IBM/DS基于Windows NT/2000操作系统上开发的高
4、端的CAD/CAM软件，它涵盖了产品开发的全过程，提供了完善无缝的集成环境。CATIA V5之前的版本CATIA V4是基于UNIX系统开发的，随着NT操作系统的普及，以及个人计算机性能不断地提高、成本不断地下降，许多高端的CAD/CAM软件纷纷从UNIX移植到Windows NT平台。IBM/DS在充分了解客户的需求，并积累了大量客户的应用经验后，决定开发新一代基于NT平台的CATIA即CATIA V5。,CATIA在全球已经拥有超过100万的用户，包括11个工业领域,CATIA的运用范围,CATIA V5的应用举例,CATIA的功能,CATIA的界面,CATIA设计效果图,CATIA V5
5、环境下设计的波音787外观模型,商用客机模型,1.32 solidworks,SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。,SolidWorks2010启动页面,Solidworks软件简介,SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。,Solidworks软件的工具,2D到
6、3D转换工具内置零件分析机器设计工具模具设计工具消费产品设计工具对现成零组件的线上存取模型组态管理零件模型建构曲面设计,1、TopDown(自顶向下)的设计2、DownTop(自下向上)的设计3、配置管理4、易用性及对传统数据格式的支持5、零部件镜像6、装配特征7、工程图(RapidDraft,剖中剖,交替位置视图)8、eDrawing9、钣金设计,Solidworks功能,Solidworks界面,solidworks设计产品效果图,Solidworks建立的F14战机模型,Solidworks建立的某发动机模型,1.33 UG,UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM
7、Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG同时也是用户指南（user guide）和普遍语法（Universal Grammer）的缩写。,22,UGS 起源于麦道(MD)公司，60年代起成为商业化软件。由Boeing-McDonnell Douglas公司开发。,UG UGS的起源软件发展及现状,23,世界级的CAD/CAE/CAM一体化解决方案,UG,UG软件的技术特性,集成的产品开发:UG是一个完全集成的 CAD/CAM/CA
8、E 软件集，它致力于从概念设计到功能工程分析到制造的整个产品开发过程。相关性:通过应用主模型方法，从设计到制造所有应用相关联。并行协作:通过应用主模型,产品数据管理PDM(iMAN),产品可视化(PV),以及Internet技术，支持扩展企业范围的并行协作。基于知识的工程:用知识驱动的自动化，Unigraphics 解决了怎样捕捉，再使用和运用累积在制造产品的人和过程中的知识问题。客户化:Unigraphics提供CAD/CAM/CAE业界最先进的编程工具集定制 Unigraphics和裁编它以满足一个企业的需求,集成的产品开发,分析结构或运动分析脚本,计算机辅助设计CAD,计算机辅助制图,建
9、模,制造,计算机辅助工程分析CAE,编辑,计算机辅助制造CAM,市场需求,UG是一个完全集成的 CAD/CAM/CAE 软件集，它致力于从概念设计到功能工程分析到制造的整个产品开发过程。,二维工程图,制图,数控代码,UG设计(CAD),通过应用主模型方法，从设计到制造所有应用相关联。,UG分析,结构分析,工程图,UG加工(CAM),CAM 基础平面铣钻加工 型腔和型心铣固定轴铣45轴变轴铣清根铣顺序铣转台NURBS 曲线生成器线切割可视化加工,UG 工作界面,利用UG NX 5.0欢迎界面中的“文件”“新建”菜单，可以新建一个文件，并进入 UG的工作界面，如下图所示。,UG建立的三维模型,UG
10、环境下建立的某直升机模型,1.34 Pro/E,Pro/ENGINEER是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，简称PTC)的最新一代CAD/CAE/CAM软件，它包含许多先进设计理念，是一套设计至生产的机械自动化软件包，是一个参数化、基于特征的实体造型系统。,Pro/ENGINEER广泛用于机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、电子、家电、玩具等行业，是一个全方位的三维产品开发软件，它集三维实体造型、模具设计、钣金设计、铸造件设计、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析、电路布线、装配管路设计、产品数据库管理等功能于一体。,Pro/E的应
11、用范围,Pro/ENGINEER的主要模块,1.机械设计(CAD)模块 2.功能仿真(CAE)模块 3.制造(CAM)模块 4.工业设计(CAID)模块 5.数据管理(PDM)模块 6.数据交换(Geometry Translator),Pro/ENGINEER的工作界面,Pro/ENGINEER设计的产品,Pro/E制作的机械CAD图,Pro/E设计的产品渲染图,1.35 AutoCAD,AutoCAD（Auto Computer Aided Design）是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上
12、广为流行的绘图工具。,应用于机械、建筑、电子、航天、造船、化工、土木、冶金、农业、气象、纺织、轻工业等领域。,AutoCAD的应用领域,绘图编辑尺寸标注文件管理三维操作数据库的管理和连接开放式体系结构,AutoCAD的主要功能,AutoCAD的界面,AutoCAD制作的零件三视图,AutoCAD制作的零件图,AutoCAD制作的装配图,AutoCAD制作的建筑立面图,1.4 有限元分析软件,有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问
13、题。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司。,1.4 有限元分析软件,将模型空间划分成许多单元，在保证单元间的连续性和边界条件的基础上，用求解多元线形方程组的方法得到各单元节点上的数值解。由于是以单元代替模型，其解是近似的，但是由于它有良好的收敛性，因此单元的细化能有效提高它的精度，达到我们的要求。由于以许多小单元来代替模型，使得可以方便地处理各种形状的（甚至是很复杂的）模型，使以前很难求解的形状也能够得到满意的求解。,有限元软件比较,ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS
14、、MSC进入中国比较早,所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。,软件的发展状况,ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。,分析性能排名,结构分析能力排名：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS流体分析能力排名：
15、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：ADINA，ABAQUS、ANSYS、MSC,根据用户反馈统计对其分析性能进行排名：,ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,CATIA,Solidworks,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。,1.41 ANSYS,ANSYS应用领域,航空航天、汽车工业、生物医学、
16、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。,ANSYS功能概览,结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场,ANSYS 结构分析 概览,结构分析的类型:静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作 响应谱).,ANSYS 结构分析 概览(续),谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结
17、构非线性行为.特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析,ANSYS热分析概览,ANSYS 热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.ANSYS功能:相变(熔化及凝固),内热源(例如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射),ANSYS电磁分析概览,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,A
18、NSYS 流体分析 概览,流体分析 用于确定流体的流动及热行为.流体分析分以下几类:CFD-ANSYS/FLOTRAN 提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等.声学分析-考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等.容器内流体 分析-考虑容器内的非流动流体的影响.可以确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合分析-在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元.,ANSYS软件构成,软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。,前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户
19、可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。,ANSYS界面,ANSYS软件界面,ANSYS软件输出仿真图,航天飞机的气动分析图,1.42 ABAQUS,ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的
20、线性分析到许多复杂的非线性问题。达索并购ABAQUS后,将SIMULIA作为其分析产品的新品牌。它是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台。ABAQUS专注结构分析，目前没有流体模块。,核心求解器ABAQUS/Standard 通用模块，隐式积分ABAQUS/Explicit 动态有限元模拟，显式积分,前后处理ABAQUS/CAE 交互式图形环境（前处理）ABAQUS/Viewer CAE的一部分，又称为Visualization模块（后处理）,ABAQUS产品的组成,其他模块ABAQUS/Aqua 适合于模拟离岸结构，如油井平台，可用于分析波浪、风荷载和浮力的作用。ABAQUS/Design
21、 适合于进行设计敏感性计算ABAQUS/Foundation 适合于线性静态、动态分析,ABAQUS产品的组成,ABAQUS界面,ABAQUS的求解器,ABAQUS/STANDARD是一个通用分析模块，它能求解广泛领域的线性和非线性问题，包括静力、动力、构件的热和电响应。ABAQUS/EXPLICIT采用显示动力学有限元格式，适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。,ABAQUS求解器的特点,可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题 Standard隐式算法（稳定，费用高）当每一个求解增量步结束的时候，隐式的有限元要解一组方程组。Exp
22、licit显示方法（条件稳定，费用低）并不需要求解方程组，通过动态方法推进增量计算,ABAQUS主要功能,复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题；模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料；其它工程问题：热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透/应力耦合分析）及压电介质分析。,ABAQUS分析结果显示,热固耦合分析,结构强度分析,汽车碰撞仿真,1.43 ADINA,ADINA 系统是一个单机系统的程序，用于进行固体、结构、流体以及结构相互作用的流体流
23、动的复杂有限元分析。借助 ADINA 系统，用户无需使用一套有限元程序进行线性动态与静态的结构分析，而用另外的程序进行非线性结构分析，再用其他基于流量的有限元程序进行流体流动分析。此外，ADINA 系统还是最主要的、用于结构相互作用的流体流动的完全耦合分析程序（多物理场）。,ADINA软件界面,ADINA几何建模,CAD的建模风格，可方便生成复杂几何模型基于Parasolid核心技术的实体建模技术 可与UG、Solidwork、solidedge直接交换数据 快速方便的布尔运算 几何模型的修改 倒斜角 倒圆角 变半径圆角 抽空,自动网格划分技术,CAD软件直接接口 Pro/Engineer U
24、nigraphics SolidEdge SolidWorks Bentley AutoCAD,通用几何数据接口 IGES Parasolid 与有限元软件接口 Nastran Patran I-DEAS,数据接口,各种结果量的彩色图和等值线图向量图形显示 多种隐藏线、切面、切片图多种动画方式对计算结果的列表显示载荷、边界条件等的图形显示,对结果的修改和载荷工况运算 曲线图方式显示时程分析结果 表格方式显示时程分析结果 将时程结果变换为谱数据 CFD专用后处理如粒子迹线图,结果后处理,1.44 MSC,下边将重点介绍Patran,MSC.PATRAN,MSC.PATRAN是工业领域最著名的有限
25、元前、后处理器，是一个开放式、多功能的三维MCAE软件包，具有集工程设计、工程分析、和结果评估功能于一体的、交互图形界面的CAE集成环境。,MSC.PATRAN是集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。,MSC.PATRAN的应用范围,MSC.Patran 被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、铁道、机械、制造业、电子、建筑、土木、国防、生物力学、食品包装、教学研究等各个行业。,MSC.PATRAN的软件界面,MSC.PATRAN环境下对三维模型进行网格的划分,航空发动机结构分析模型,汽车分析模型,MSC.PATRAN的求解器,在PATRAN界面内可直接选择的求解器包括：MSC/NASTR
26、AN MSC/DYTRAN MSC/DROPTEST MSC/SUPERFORGE MSC/MVISION Star-CD CFX Fluent ABAQUS ANSYS LS-DYNA3D MARC PamCRASH SAMCEF,MSC.PATRAN分析结果的显示,某结构强度分析图谱,MSC.PATRAN静力分析,静力分析结果的输出,PATRAN运用Dytran求救碰撞问题,美国海军的空军作战中心水上飞机撞击水面的仿真,汽车、安全气囊、假人整体碰撞分析,飞鸟与发动机碰撞分析,PATRAN运用Nastran进行力学分析,某飞机的静压力分析,对复合材料进行性能分析,对起落架降落时进行受力分析,草图编辑器零件设计外形设计装配设计运动机构模拟,CATIA展示,建模前置处理计算后置处理,PAMCRASH展示,
