針對產(chǎn)品開發(fā)的機械工程分為三個主要領(lǐng)域:設(shè)計、仿真和分析。

　　非CAE專家，包括經(jīng)理和工程師，可能感覺仿真很難理解，因為它涉及復雜的主題、專門的方程和高級矩陣數(shù)學知識。仿真是指使用計算機模型來預測零備件、裝配件和繪圖的響應，以驗證它們在其工作環(huán)境中的性能，然后優(yōu)化這些對象以獲得可能更好的解決方案。分析和仿真工具對產(chǎn)品開發(fā)組織至關(guān)重要，因為它們有助于降低成本和產(chǎn)品重量并縮短產(chǎn)品上市時間。如果沒有仿真和分析，團隊必須構(gòu)建和測試昂貴的原型，并且可能要多次構(gòu)建和測試產(chǎn)品。本電子書將讓非分析師更深入地了解仿真過程的任務(wù)和輸出，包括產(chǎn)品開發(fā)中仿真的本質(zhì)。

　　請繼續(xù)閱讀，詳細了解:

　　>基本仿真:結(jié)構(gòu)、模態(tài)和熱

　　>高級分析:動態(tài)、機構(gòu)和失穩(wěn)

　　>向設(shè)計師普及有限元分析(FEA)

　　>多物理量與計算流體力學(CFD)

　　您準備好踏出進入更廣闊世界的第一步了嗎?我們一起來詳細了解了解何為仿真?

　　第1部分:針對經(jīng)理的仿真類型

　　產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理通常沒有仿真和分析背景。也許他們來自另一個技術(shù)領(lǐng)域，比如電氣工程或計算機科學?；蛘撸麄兛赡苁蔷邆浞羌夹g(shù)背景的項目經(jīng)理。這沒問題。我們不能期望所有人都能精通，甚至熟悉與他們共事的人所從事的領(lǐng)域。以下指南將幫助不熟悉產(chǎn)品開發(fā)仿真的經(jīng)理了解該行業(yè)的基礎(chǔ)知識。讓我們看一看三種主要分析類型:結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析和熱分析。

　　結(jié)構(gòu)分析

　　麻省理工學院的一位教授說:“機械工程是對失效的研究。你們中的一些人將會非常熟悉這一點。”確實如此。產(chǎn)品設(shè)計師制定產(chǎn)品概念，然后對它們進行分析和測試，以確定它們是否適應工作環(huán)境。

　　為了仿真這些情況，工程師們研究了一種稱為應力的概念。結(jié)構(gòu)分析使我們能夠計算應力。遇到困難時，人們可能會說:“我壓力山大。”我們也可以說，“我承受著很大的壓力?！痹跈C械學中，應力和壓力密切相關(guān)。兩者都與單位面積上的力有關(guān)。它們的測量單位相同，如磅/平方英寸或牛頓/平方毫米。在工作環(huán)境中使用產(chǎn)品時，它通常會受力，即載荷。這些載荷要么以拉伸形式出現(xiàn)(拉動)，要么以壓縮形式出現(xiàn)(推動)，或者同時處于這兩種形式。處于拉伸狀態(tài)的物體將變長;處于壓縮狀態(tài)的物體將變短。這種長度變化稱為位移。

　　這些載荷和位移會產(chǎn)生應力。當應力低于屈服強度時，移除載荷，物體將恢復其原始形狀。當應力達到或超過屈服強度時，移除卸荷，物體就會發(fā)生會變形。當應力超過極限抗拉強度或極限壓縮強度時，物體就會斷裂。如果產(chǎn)品上的應力低于失效值，我們就可以計算安全邊際或安全因子。如果產(chǎn)品超過安全標準設(shè)計，我們可以讓它變得更輕、更薄，這樣才能滿足它的要求。這就是優(yōu)化。

　　模態(tài)分析

　　模態(tài)分析是對物體振動的頻率和形狀進行研究。如果撥動吉他弦或后院的晾衣繩，它們就會震動。您甚至可以看到琴弦上的駐波。這是物體固有頻率和振型的一個例子。

　　物理物體不只具有固有頻率，而且還有隨后更高的振動頻率。固有頻率和隨后的頻率是物體的工作模式。產(chǎn)品設(shè)計師需要知道產(chǎn)品的工作模式，才能避免讓它過度振動。如果能量以物體的一種工作模式或鄰近模式注入物體中，它將產(chǎn)生越來越多的振動(共振)，直至將自己撕裂。例如，如果泵以某一頻率旋轉(zhuǎn)，那就不能安裝任何具有相近頻率的組件。物體的固有頻率越高，物體就越不易彎曲。模態(tài)頻率可以幫助產(chǎn)品設(shè)計師在不同的設(shè)計方案之間進行選擇。模態(tài)分析還可以用作更高級分析的輸入，如動態(tài)分析，這將在下一節(jié)介紹。

　　熱分析

　　很明顯，“熱”指的是溫度。熱分析研究影響向或從物體進行熱傳遞的載荷結(jié)果或邊界條件。加熱時，物體會膨脹。冷卻時，物體會收縮。如前所述，當長度改變(“位移”)時，會在物體中產(chǎn)生應力。有三種不同的方式可以將熱傳遞到物體或從物體傳遞出:

　　>傳導:這指的是直接接觸。如果您曾經(jīng)觸摸過滾燙的爐子、筆記本電腦外殼的電池附近部位或長途行駛后的汽車引擎蓋，這些就是傳導。

　　>對流:這指的是通過像空氣或水這樣的流體進行熱傳遞。如果您吹過風扇，那么您感受到的就是對流。

　　>輻射:這指的是通過電磁波加熱物體。您使用輻射來加熱剩菜或在微波爐里制作爆米花。

　　工程師執(zhí)行熱分析來計算最終溫度(也稱為“穩(wěn)態(tài)”)、隨時間變化的溫度(“瞬態(tài)熱”)，或熱量進入或離開物體的速度(“熱流密度”)。

　　第2部分:高級仿真分析

　　讓我們看看另外三類分析。它們比上一節(jié)中討論的分析更高級，但仍是很常用的分析。它們是:

　　>對隨時間或頻率變化的載荷的動態(tài)分析

　　>對具有運動組件的機器的機械分析

　　>對受壓薄壁的失穩(wěn)分析

　　動態(tài)分析

　　動態(tài)分析研究工作環(huán)境中隨時間或頻率變化的載荷的影響。這與靜態(tài)分析不同，在靜態(tài)分析中，載荷是恒定的，我們希望知道平衡(當一切都穩(wěn)定)時的應力或位移。例如，靜態(tài)分析可以是當一個自行車架和兩輛自行車安裝在車頂上時，停放的汽車車頂會產(chǎn)生多大的偏斜。常見的動態(tài)分析類型包括:

　　>動態(tài)時間。在這些研究中，載荷隨時間變化，目的是生成應力、位移或其他隨時間變化的測量結(jié)果。例如，如果潛水器在5分鐘內(nèi)下潛到1000 米，靜水壓力就會隨著時間增加而變化。要查看該時間段內(nèi)壓力對結(jié)構(gòu)的影響，可以執(zhí)行動態(tài)時間分析。

　　>動態(tài)頻率。在許多帶有旋轉(zhuǎn)或擺動組件的機器中，會在一定的時間內(nèi)施加和移除載荷，這段時間稱為周期。1除以這個周期就是頻率。例如，當一輛汽車的轉(zhuǎn)速表顯示3000 rpm(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))時，表明發(fā)動機的曲軸每秒旋轉(zhuǎn)50次。這就是50赫茲的頻率;周期為 0.02秒。為了研究連接桿和活塞對曲軸的應力，可以進行動態(tài)頻率分析。

　　>隨機振動。在崎嶇的鄉(xiāng)間小路上開車，或者乘坐飛機飛行，都會讓人上下顛簸。會發(fā)生多大的顛簸，或者推撞的確切次數(shù)和頻率都是未知的。但在某些工作環(huán)境中，可以測量可能會發(fā)生多大的顛簸。分析師可以生成一個圖表，將經(jīng)歷推撞(加速)的概率表示為頻率的函數(shù)。這稱為功率譜密度(PSD)，或者更準確地說，加速度譜密度(ASD)圖。這些概率可用作隨機振動分析的輸入，以了解產(chǎn)品在該環(huán)境中幸存下來的可能性。

　　機械分析

　　機械分析研究機器的行為，機器是多個組件的組合體，每個組件中的一些零件可能會運動。在機器中，運動零件可以平移、旋轉(zhuǎn)，或者發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)的某種復雜組合。還可以對凸輪、齒輪、皮帶和皮帶輪等組件之間的高級連接進行仿真。

　　機械分析可以分為兩大類:運動學和動力學。運動學是對運動的研究。在運動學分析中，工程師通常對運動組件的位置、速度和/或加速度感興趣。

　　動力學是對力的研究。在機構(gòu)動力學分析中，可能包括彈簧、阻尼器、重力和外力等真實世界實體。除了位置、速度和加速度，還可以測量機械組件中的力和反作用力。這些結(jié)果也可用作結(jié)構(gòu)分析的輸入荷載工況。機械分析可以檢查零備件之間的碰撞。有時確保零備件不會發(fā)生碰撞非常重要，比如割草機外殼中的旋轉(zhuǎn)刀片。在其他機械中，預期的結(jié)果是一個組件推動序列的下一部分中的另一個組件。例如，汽車的制動系統(tǒng)移動墊片或踏板，通過摩擦力減慢車輪轉(zhuǎn)速。還可以生成表示分析過程中組件移動所經(jīng)過的空間的運動包絡(luò)。

　　失穩(wěn)分析

　　當薄壁受到壓力時，由于一種稱為失穩(wěn)的特殊破壞模式，它可能會在材料的屈服強度或極限抗壓強度下屈服或失效。失穩(wěn)分析可以幫助我們研究這一特殊情況。例如，將一根吸管的一端豎立在桌面上。然后向下壓吸管。吸管是薄壁的一個例子;與其長度相比，它的厚度很小。向下壓它，它就會被壓縮。在某個時刻，它通常會在中間的某個位置急劇地快速彎折。這就是失穩(wěn)。

　　失穩(wěn)分析的主要結(jié)果如下：

　　>失穩(wěn)載荷因子。將靜態(tài)載荷乘以此因子，可得出物體可能變得不穩(wěn)定時的臨界載荷。

　　>失穩(wěn)模式形狀指示物體在臨界載荷下可能移動的方式和位置。

　　通常對結(jié)構(gòu)外殼和鈑金件組件執(zhí)行失穩(wěn)分析。我們已經(jīng)介紹了基本分析和高級分析，接下來研究一下通過有限元分析執(zhí)行仿真背后的數(shù)學和科學知識。

　　第3部分:向設(shè)計師普及FEA

　　目前為止，我們已經(jīng)回顧了一些主要的分析類型。在這一節(jié)，讓我們回顧一下有限元分析(FEA)的基本原理。

　　經(jīng)典分析與 FEA

　　所謂的“經(jīng)典力學”使用“封閉方程”來計算位移、反作用力和應力等?！胺忾]”是指輸入與物體形狀、材料特性、載荷等相關(guān)的各種量，以便得到答案。這些封閉方程可以從Roark的《應力和應變公式》等手冊中獲得。

　　遺憾的是，這些封閉方程只適用于特定情況，如梁、桿、平板、管道和壓力容器。如果有人想要分析具有復雜幾何形狀的現(xiàn)代產(chǎn)品，如引擎缸體、個人電子產(chǎn)品的外殼、醫(yī)療設(shè)備等，是不存在封閉方程的。要了解有限元(FF=KEA)，必須掌握一個方程，那就是彈簧力方程:F=K*X

　　它規(guī)定彈簧中的力(F)等于彈簧常數(shù)(k)乘以彈簧的位移(x)(壓縮或拉伸的程度)。有限元分析采取“分而治之”的方法。它將形狀復雜的模型分解成小得多的碎片。這些碎片可以是四面體(棱錐體)、楔體(棱柱)和磚(塊)。這些小碎片是FEA的有限元部分。這些元素的彈簧常數(shù)或剛度可用方程表示。將一個復雜形狀分解成所有這些較小元素的過程稱為“網(wǎng)格化”。分析軟件把這些元素放在一起，形成一個所謂的“剛度矩陣”。

　　設(shè)置仿真時，將定義施加到模型的力。由于剛度矩陣和力已知，我們應該能夠根據(jù)上面的彈簧方程求解出位移。

　　這些矩陣的問題是對它們求解太復雜了;變量比方程更多。但是，在設(shè)置仿真時，會定義約束。約束指定按住模型并阻止其運動的位置。在這些位置，位移為零。這些約束將方程減少到可以求解的數(shù)量。這樣，F(xiàn)EA就可以求解元素的位移。

　　計算應力

　　知道了位移，我們就可以計算每個元素的長度相對于原始長度的變化。二者的比例就是應變。這個量很有用，因為許多材料(特別是金屬)在應變和應力之間存在線性的關(guān)系。將應變乘以一個稱為楊氏模量的材料性質(zhì)，就可以得到應力。材料有一個稱為屈服強度的值。如果向物體施加低于其屈服強度的載荷，物體將會變形;移除載荷后，物體將恢復其原始形狀。如果施加超過屈服強度的載荷，物體將會變形。大多數(shù)結(jié)構(gòu)分析只有在低于屈服強度時才有效。

　　步驟總結(jié)：

　　>將材料屬性應用于零備件

　　>為阻止模型運動的位置定義約束

　　>定義模仿工作環(huán)境的真實條件的載荷

　　>將模型網(wǎng)格化

　　>設(shè)置分析并運行仿真

　　>分析結(jié)果

　　FEA背后的數(shù)學知識非常復雜。仿真既是一門藝術(shù)，也是一種技能。分析師需要掌握知識、接受培訓和擁有經(jīng)驗才能產(chǎn)生良好的結(jié)果，這里只對該過程進行基本概述。了解您的產(chǎn)品在其環(huán)境中的體驗稱為設(shè)計校驗。執(zhí)行設(shè)計校驗后，您就可以優(yōu)化模型來找到可能更好的解決方案。如果感覺獨自執(zhí)行仿真分析和校驗設(shè)計似乎太難了，有一些軟件工具可以提供幫助。

　　您可在整個開發(fā)過程中使用 PTCCreo產(chǎn)品組合中有兩個主要的仿真工具Creo Ansys Simulation 和Creo Simulation Live，以減少物理原型成本、設(shè)計周期時間和分析部門的積壓工作。Creo AnsysSimulation(CAS)將工程仿真先行者Ansys的強大功能直接無縫地集成到Creo中。這個易于使用、功能齊全、高保真的仿真工具是專為設(shè)計師和工程師打造的，利用了Ansys的熱分析、結(jié)構(gòu)分析和模態(tài)分析功能。

　　借助Creo Simulation Live(CSL)，您能在CAD環(huán)境中獲得有關(guān)設(shè)計決策的即時反饋。這種開創(chuàng)性的技術(shù)可于數(shù)秒之內(nèi)對3DCAD 設(shè)計執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析和模態(tài)分析。為設(shè)計工程師量身打造，您在編輯、創(chuàng)建新功能或更改屬性時，分析會實時動態(tài)更新。您可以快速迭代，隨心所欲進行海量設(shè)計變更，因為您有信心做出更明智的決策。

　　>>>CREO的優(yōu)勢:

　　Creo是一款可幫助您加速產(chǎn)品創(chuàng)新，從而更快打造更優(yōu)產(chǎn)品的3DCAD解決方案。易于學習的Creo使用基于模型的方法，讓您從產(chǎn)品設(shè)計的初始階段無縫過渡到制造及后續(xù)階段。Creo將強大、成熟的功能與創(chuàng)成式設(shè)計、實時仿真、先進制造、IloT和增強現(xiàn)實等新技術(shù)相結(jié)合，幫助您更快地迭代、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。Creo還擁有SaaS產(chǎn)品形式，提供了創(chuàng)新的基于云的實時協(xié)作工具，以及簡化的許可證管理和部署。產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)域瞬息萬變，Creo提供了建立競爭優(yōu)勢以及贏得市場份額所需的變革性功能。

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