结构仿真学介绍.pdf

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1、结构仿真学介绍 结构室 曹虎文 目录 1 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 2 软件介绍软件介绍 3 应用实例应用实例 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 结构仿真介绍结构仿真介绍 较为常见的结构仿真类容包括 较为常见的结构仿真类容包括 1 静力学仿真静力学仿真 2 运动学仿真运动学仿真 3 动力学仿真动力学仿真 4 计算流体动力学计算流体动力学 5 热仿真热仿真 6 寿命分析寿命分析 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 静力学仿真静力学仿真 静力学仿真主要用于分析产品在稳定载荷下的应力 位移和应变 主要用静力学仿真主要用于分析产品在稳定载荷下的应力 位移和应变 主要用 于检验产品的强度 刚度和稳定性 常用的

2、仿真软件及其特点 于检验产品的强度 刚度和稳定性 常用的仿真软件及其特点 1 ANSYS 最通用的结构仿真软件 最通用的结构仿真软件 在世界范围内具有各自广泛的用户群在世界范围内具有各自广泛的用户群 用户界面友好 长于线性分析 通用性强 用户界面友好 长于线性分析 通用性强 2 ABAQUS 专注于结构领域 专注于结构领域 以分析复杂的固体力学结构力学系统 特别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 是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题 3 NASTRAN 最早由最早由NASA开发 后来商业化 在航空及造船等领域具有绝开发 后来商业

3、化 在航空及造船等领域具有绝 对统治力 对统治力 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 动力学仿真动力学仿真 实际结构总是受随时间变化的载荷作用 仅仅做静力学仿真并不能满足结实际结构总是受随时间变化的载荷作用 仅仅做静力学仿真并不能满足结 构安全性的要求 所以对结构进行静力学仿真十分有必要 动力学仿真内容较构安全性的要求 所以对结构进行静力学仿真十分有必要 动力学仿真内容较 多 包括模态分析 谐响应分析 瞬态动力学 谱分析 随机振动 显式动力多 包括模态分析 谐响应分析 瞬态动力学 谱分析 随机振动 显式动力 学分析等 学分析等 动力学分析的软件基本和静力学分析软件一致 这些分析占到结构分析的动力学分

4、析的软件基本和静力学分析软件一致 这些分析占到结构分析的 大多数 所以这些软件使用范围最为广泛 被称为通用仿真软件 大多数 所以这些软件使用范围最为广泛 被称为通用仿真软件 模态分析 确定产品的振动特性 求解产品共振频率 模态分析 确定产品的振动特性 求解产品共振频率 谐响应分析 求解产品在稳态简谐载荷作用下的响应 谐响应分析 求解产品在稳态简谐载荷作用下的响应 瞬态动力学 最通用的动力学仿真 分析产品瞬态动力学 最通用的动力学仿真 分析产品受随时间变化的载荷作用下受随时间变化的载荷作用下 的响应 的响应 谱分析 随机振动 分析结构在一定功率谱密度随机载荷的作用下的受力谱分析 随机振动 分析结

5、构在一定功率谱密度随机载荷的作用下的受力 特性 特性 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 动力学仿真动力学仿真 显式动力学分析适用于跌落 爆炸 金属成型等高度非线性问题 其常用显式动力学分析适用于跌落 爆炸 金属成型等高度非线性问题 其常用 软件为 软件为 1 LS DYNA长于冲击 接触等非线性动力分析长于冲击 接触等非线性动力分析 可以求解各种三维非线性可以求解各种三维非线性 结构的高速碰撞 爆炸和金属成型等接触非线性 冲击载荷非线性和材料非线结构的高速碰撞 爆炸和金属成型等接触非线性 冲击载荷非线性和材料非线 性问题 但实际上它在爆炸冲击方面 功能相对较弱性问题 但实际上它在爆炸冲击方面 功能

6、相对较弱 2 DYTRAN在在LS DYNA的框架下 在程序中增加的框架下 在程序中增加PICSES的高级流体动力的高级流体动力 学和流体结构相互作用功能学和流体结构相互作用功能 在 在在高度非线性 流固耦合方面有独特之处在高度非线性 流固耦合方面有独特之处 但 但 在常用的跌落和金属成型等领域不如在常用的跌落和金属成型等领域不如LS DYNA强大 强大 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 运动学仿真运动学仿真 运动学仿真用于仿真机构运动轨迹 速度 加速度曲线以及运动过程中的运动学仿真用于仿真机构运动轨迹 速度 加速度曲线以及运动过程中的 反作用力 反作用力 常用的常用的3维维CAD软件 如软件 如

7、PRO E SOLIDWORKS等都能实现简单的运动等都能实现简单的运动 学仿真 常用的运动学仿真软件如下 学仿真 常用的运动学仿真软件如下 ANSYS rigid dynamic模块 多体动力学 可以与模块 多体动力学 可以与ANSYS本身动力学模块本身动力学模块 无缝连接 实现刚柔混合动力学仿真 在确认速度 加速度曲线的同时对关键无缝连接 实现刚柔混合动力学仿真 在确认速度 加速度曲线的同时对关键 部件进行应力应变分析 确认其强度刚度 部件进行应力应变分析 确认其强度刚度 NASTRAN ADAMS ADAMS时世界上应用最广泛的机械系统仿真分析软时世界上应用最广泛的机械系统仿真分析软 件

8、 精确预测载荷变化 计算运动轨迹 速度和加速度 虽然与件 精确预测载荷变化 计算运动轨迹 速度和加速度 虽然与NASTRAN属属 于同一个公司 可以通过接口进入于同一个公司 可以通过接口进入NASTRAN进行进行刚柔混合动力学仿真 但接刚柔混合动力学仿真 但接 口软件的评价不高 口软件的评价不高 SIMmechanics 基于 基于MATLAB simulink 多用于机器人 特别是并联机器 多用于机器人 特别是并联机器 人运动仿真 求解器位置与姿态 并且可以使用人运动仿真 求解器位置与姿态 并且可以使用simulink中的控制单元 实现中的控制单元 实现 系统级的运动控制仿真 系统级的运动控

9、制仿真 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 计算流体动力学仿真计算流体动力学仿真 用于求包含解流体流动与热传导相关的物理现象的系统 获取系统的速度用于求包含解流体流动与热传导相关的物理现象的系统 获取系统的速度 场 压力场和温度场等 常用软件场 压力场和温度场等 常用软件 ANSYS FLUENT CFX 均被 均被ANSYS公司收购 是目前应用最广泛的公司收购 是目前应用最广泛的CFD 软件 和上述有限元软件不同 计算流体动力学软件的离散方式一般采用有限软件 和上述有限元软件不同 计算流体动力学软件的离散方式一般采用有限 体积法 体积法 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 热仿真热仿真 用于求解系统热流

10、与温度场 改善系统散热能力 常用软件 用于求解系统热流与温度场 改善系统散热能力 常用软件 ANSYS ANSYS的热仿真基于传导的热交换系数 求解精度依赖于对边界的热仿真基于传导的热交换系数 求解精度依赖于对边界 热交换系数的设置 热交换系数的设置 Flotherm 基于有限体积的 基于有限体积的CFD 采用结构化网格 求解速度快 在研发 采用结构化网格 求解速度快 在研发 初期系统级设计与优化时功能强大 但前处理器与初期系统级设计与优化时功能强大 但前处理器与CAD不能无缝兼容 不能直不能无缝兼容 不能直 接由接由CAD到到CAE 需要重新简化建模 需要重新简化建模 ICEPAC 基于有限

11、体积的基于有限体积的CFD 采用非结构化网格 内部求解器采用 采用非结构化网格 内部求解器采用 fluent求解器 结果更精确 集成求解器 结果更精确 集成workbench平台 可以与平台 可以与CAD双向数据交流 双向数据交流 不需要格外简化 更适用于部件级结构详细设计阶段 在液冷及热管冷却等多不需要格外简化 更适用于部件级结构详细设计阶段 在液冷及热管冷却等多 流体冷却领域 流体冷却领域 ICEPAK表现远远强于其他同类软件 表现远远强于其他同类软件 EFD pro 完全无缝嵌入在 完全无缝嵌入在PRO E环境下 其操作界面完全等同于环境下 其操作界面完全等同于PRO E 不需要太多专业

12、知识即可进行热分析 所有操作均在不需要太多专业知识即可进行热分析 所有操作均在CAD环境下进行 不需要环境下进行 不需要 重复建模及流体区域定义 完成热仿真分析定义之后 对重复建模及流体区域定义 完成热仿真分析定义之后 对CAD模型进行修改 模型进行修改 只需要克隆前一次定义 即可马上开始热仿真计算 只需要克隆前一次定义 即可马上开始热仿真计算 仿真介绍与分类仿真介绍与分类 寿命分析寿命分析 用于分析产品在周期性载荷作用下的疲劳寿命 所有通用均拥有自己的疲用于分析产品在周期性载荷作用下的疲劳寿命 所有通用均拥有自己的疲 劳分析模块 功能差别不大 都采用劳分析模块 功能差别不大 都采用S N曲线

13、及局部应力应变法来计算疲劳寿曲线及局部应力应变法来计算疲劳寿 命 区别只在于对命 区别只在于对S N曲线修正方法及雨流技计数算法 以及对于点焊 热疲曲线修正方法及雨流技计数算法 以及对于点焊 热疲 劳的支撑程度上 专业的疲劳软件有劳的支撑程度上 专业的疲劳软件有Ncode和和FE life等 基本没有太大区别 等 基本没有太大区别 软件介绍软件介绍 MSC NASTRAN 世界上应用最广泛的通用世界上应用最广泛的通用CAE 最早由 最早由NASA开发 涉及内容包括 静态开发 涉及内容包括 静态 分析 动力学分析 热传导分析 显式瞬态动力学分析 疲劳寿命分析 拓扑分析 动力学分析 热传导分析 显

14、式瞬态动力学分析 疲劳寿命分析 拓扑 优化 运动仿真 噪音优化 运动仿真 噪音 声场分析 材料数据库及管理 仿真数据管理和控制系声场分析 材料数据库及管理 仿真数据管理和控制系 统仿真等 在航天航空 造船 冶金等行业占有绝对优势 统仿真等 在航天航空 造船 冶金等行业占有绝对优势 图图1 MSC patran界面界面 软件介绍软件介绍 ANSYS ANSYS WORKBENCH ANSYS是一种融结构 热 流体 电磁和声学于一体的大型通用有限元软是一种融结构 热 流体 电磁和声学于一体的大型通用有限元软 件 能够进行应力分析 热分析 流场分析 电磁分析及多场耦合分析 其多件 能够进行应力分析

15、热分析 流场分析 电磁分析及多场耦合分析 其多 场耦合分析 计算流体动力学分析及线性结构应力分析最为出色 场耦合分析 计算流体动力学分析及线性结构应力分析最为出色 图图2 ANSYS界面界面 图图3 WORKBENCH界面界面 软件介绍软件介绍 ABAQUS ABAQUS是长于非线性有限元分析是长于非线性有限元分析 可以分析复杂的固体力学和结构力学可以分析复杂的固体力学和结构力学 系统 特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题 系统 特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题 其专注于其专注于 非线性结构分析 在高端结构分析领域具有较大优势 非线性结构分析 在高端结构分析

16、领域具有较大优势 图4 ABAQUS界面 软件介绍软件介绍 Hypermesh hypermesh是全球最通用的前后处理器 其最著名的特点是它所具有的强是全球最通用的前后处理器 其最著名的特点是它所具有的强 大的有限元网格划分前处理功能和后处理功能 具有广泛的与大的有限元网格划分前处理功能和后处理功能 具有广泛的与CAD软件接口和软件接口和 与与CAE求解器接口 求解器接口 图5 Hypermesh界面 应用实例应用实例 1 产品安装架的静力分析产品安装架的静力分析 静力强度分析是ANSYS最基本也是最常用的分析类型 针对公司TMS产品安装架在高塔风载作用下的强度分析 图6 建模与简化 图7

17、载荷与边界条件 载荷与边界条件 桅杆固定约束 正反面风压力 上下螺栓预紧力 系统重力 应用实例应用实例 1 产品安装架的静力分析产品安装架的静力分析 分析结果 图8 等效应力 图9 安全系数 结果应用 1 安全校验 在理论上向客户说明产品的安全性 2 指导设计 应用实例应用实例 2 模态分析模态分析 针对于ALU模块振动试验夹具的共振频率分析 图10 建立模态耦合分析 图11 预应力结构分析等效 应变图 影藏上盖板 考虑到夹紧预应力的 刚度硬化作用 建立预应 力耦合模型 应用实例应用实例 2 模态分析模态分析 针对于ALU模块振动试验夹具的共振频率分析 图12 共振频率 图13 1阶模态振型与

18、2阶模态振型 应用实例应用实例 3 随机振动随机振动 获取TMS带包装材料在运输过程中对于随机振动的响应 图14 建立耦合分析模型 应用实例应用实例 3 随机振动随机振动 获取TMS带包装材料在运输过程中对于随机振动的响应 图15 施加PSD载荷 应用实例应用实例 3 随机振动随机振动 获取TMS带包装材料在运输过程中对于随机振动的响应 图16 获得1 加速度响应 最大值1 93E5mm s2 19 7G 最小值30567mm s2 3 11G 应用实例应用实例 3 随机振动随机振动 获取TMS带包装材料在运输过程中对于随机振动的响应 图17 获得指定点的PSD响应 图18 模态分析结果 应用

19、实例应用实例 4 跌落分析跌落分析 利用LS DYNA获得TMS机箱在1 5m高高度跌落的受力情况 图19 建立跌落模型 应用实例应用实例 4 跌落分析跌落分析 利用LS DYNA获得TMS机箱在1 5m高高度跌落的受力情况 图19 指定跌落条件 重力加速度9 81m s2 高度1 5m 重力方向y 求解时间0 03s 应用实例应用实例 4 跌落分析跌落分析 利用LS DYNA获得TMS机箱在1 5m高高度跌落的受力情况 图20 错误信息 求解失败 因为划分网格出现太多四面体单元 而显式动力学分 析的高度非线性要求 使得四面体单元不适用与该求解过程 而将改 复杂机箱模型划全部分成六面体单元需要

20、太长的时间 所以该分析未 能完成 应用实例应用实例 5 优化设计优化设计 获得螺栓预紧力与安装架摩擦力的最优化设计 输入参数 上下螺栓预紧力 输出参数 安装架与桅杆之间 的最大摩擦力 图21 优化设计分析过程 应用实例应用实例 5 优化设计优化设计 获得螺栓预紧力与安装架摩擦力的最优化设计 图22 上螺纹预紧 力与摩擦力响应 曲线 图23 下螺纹预紧 力与摩擦力响应 曲线 图24 螺纹预紧力与 摩擦力联合响应曲 面 应用实例应用实例 5 优化设计优化设计 获得螺栓预紧力与安装架摩擦力的最优化设计 图25 目标驱动优化结果 应用实例应用实例 6 ICEPAK热分析热分析 Icepak板级热分析

21、图25 导入PCB信息 输入各层材料信 息 应用实例应用实例 6 ICEPAK热分析热分析 Icepak板级热分析 图25 在icepak中显示PCB 应用实例应用实例 6 ICEPAK热分析热分析 Icepak板级热分析 图25 温度结果 应用实例应用实例 6 ICEPAK热分析热分析 Icepak与flotherm的优点缺点对比 在电子产品散热领域 icepak与flotherm占据了绝大部分市场份额 几乎没有 其他竞争对手 其中超过70 的用户选择flotherm 两者对比如下 ICEPAK 1 非结构化网格 适用于复杂的分析模型 2 与CAD接口良好 可以导入复杂模型 3 采用Fluent求解器 具有更复杂的流动模型 更高的求解精度 4 糟糕的操作界面和后处理器 使用和查看结构都较为复杂 5 非参数化建模过程 使得基本无法实现自动优化 Flotherm 1 结构化网格 求解速度快 适用于大规模模型 2 与CAD接口需要先进行简化 离散 有很多限制条件 3 采用拉格朗日紊流模型 适用于大多数情况 更优秀的辐射 算法 能很好的评估辐射在电子产品散热中的作用 4 优秀的用户界面和可视化的结果查看 提高软件的易用性 5 全程参数化 具有强大的优化能力 谢谢大家谢谢大家