機(jī)械重工行業(yè)的CAE解決方案
機(jī)械結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)這個(gè)術(shù)語是一個(gè)廣義的概念，它包括土木工程結(jié)構(gòu)，如橋梁和建筑物；汽車結(jié)構(gòu)，如車身骨架；海洋結(jié)構(gòu)，如船舶結(jié)構(gòu)；航空結(jié)構(gòu)，如飛機(jī)機(jī)身等；同時(shí)還包括機(jī)械零部件，如活塞，傳動(dòng)軸等等。
由于大多是工程機(jī)械產(chǎn)品在工作過程中的受力情況和變形條件很復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)時(shí)很難較準(zhǔn)確地計(jì)算出有關(guān)零部件的應(yīng)力應(yīng)變分布及動(dòng)力學(xué)特性，從而評(píng)估機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命等。以往是給出一些假設(shè)條件，采用工程力學(xué)的方法進(jìn)行近似計(jì)算，但這樣設(shè)計(jì)出的部件在幾何尺寸和結(jié)構(gòu)型式上都難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，現(xiàn)在可以通過CAE技術(shù)有效地解決這個(gè)問題。
機(jī)械行業(yè)常用的靜力、動(dòng)力和斷裂損傷CAE分析軟件包括ANSYS、ABAQUS、LS-DYNA、MSC.Marc、Nastran、Hyperworks等；專業(yè)疲勞分析軟件包括Fe-Safe，MSC.Fatigue，Ncode/DesignLife等，專業(yè)流體分析軟件包括Fluent，CFX，F(xiàn)LOW-3D，Star-CD，Phoenix，F(xiàn)lowmaster，SC/Tetra等。
動(dòng)力學(xué)分析：是用來確定慣性（質(zhì)量效應(yīng)）和阻尼起著重要作用時(shí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件動(dòng)力學(xué)特性的技術(shù)。用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。
斷裂損傷分析
疲勞分析
流體分析
結(jié)構(gòu)靜力分析
結(jié)構(gòu)靜力分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的往往是結(jié)構(gòu)的位移、約束反力、應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。對(duì)于機(jī)械而言，靜力學(xué)分析通常包括：強(qiáng)度分析，剛度分析和穩(wěn)定性分析幾塊，而其中以強(qiáng)度分析和剛度分析最重要。
1、校核結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，其準(zhǔn)則為： 若強(qiáng)度過剩較多，可以減小結(jié)構(gòu)承力件尺寸。
2、校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)為動(dòng)力分析等提供結(jié)構(gòu)剛度特性數(shù)據(jù)，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進(jìn)行。
3、計(jì)算和校核桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會(huì)喪失穩(wěn)定。
4、計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結(jié)構(gòu)分析提供資料。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是CAE分析的主要內(nèi)容之一。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析不同于靜力分析，常用來確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還要考慮阻尼及慣性效應(yīng)的作用。
結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下響應(yīng)和性能的分析，主要是由已知結(jié)構(gòu)和動(dòng)力荷載來計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，以確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力特性，為改善結(jié)構(gòu)性能、合理進(jìn)行設(shè)計(jì)提供依據(jù)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析不僅要考慮動(dòng)力荷載和響應(yīng)隨時(shí)間而變化，而且還要考慮結(jié)構(gòu)因振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性力和阻尼力。動(dòng)力荷載作用在結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)稱為強(qiáng)迫振動(dòng)。
1、模態(tài)分析：分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型
2、諧響應(yīng)分析：結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間呈正弦規(guī)律載荷作用下的響應(yīng)分析
3、譜分析：結(jié)構(gòu)在沖擊響應(yīng)譜作用下的響應(yīng)分析
4、PSD分析: 結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)分析
5、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)在任意動(dòng)態(tài)載荷作用下的響應(yīng)
6、斷裂分析
運(yùn)用斷裂力學(xué)方法，分析在具有缺陷（裂紋）的結(jié)構(gòu)或者材料在載荷作用下裂紋是否擴(kuò)展、擴(kuò)展速率、是否斷裂、何時(shí)斷裂等，從而確定結(jié)構(gòu)是否安全，其壽命周期、檢修周期、壽命期內(nèi)允許的最大載荷等。
裂紋一般按照幾何特征分為穿透裂紋、表面裂紋、角裂紋、深埋裂紋等；按照力學(xué)特征分為張開型、滑開型、撕開型等；按照裂紋尖端塑性區(qū)的相對(duì)大小分為線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)。線彈性裂紋的擴(kuò)展和斷裂判定主要是基于應(yīng)力強(qiáng)度因子K；彈塑性裂紋的擴(kuò)展和斷裂判定主要是基于J積分。由于研究比較成熟、且工程上占比比較大的是彈塑性裂紋，因此計(jì)算各種裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、研究材料本身的斷裂韌度Kc是斷裂力學(xué)中的主要內(nèi)容。
裂紋擴(kuò)展公式一般是基于經(jīng)典的Paris公式及相關(guān)修正公式，按考慮因素由簡單至復(fù)雜則常用的有Walker公式、Forman公式、Nasgro公式等。影響裂紋擴(kuò)展及斷裂的因素主要有多個(gè)材料常數(shù)、應(yīng)力比、裂紋結(jié)構(gòu)形式等。
斷裂有限元分析的方法包括：
應(yīng)力強(qiáng)度因子和積分法（K，J積分和G積分）
擴(kuò)展有限元法（XFEM技術(shù)）
虛擬裂紋閉合法（VCCT技術(shù)）
機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。。疲勞破壞是機(jī)械零件失效的主要原因之一。疲勞強(qiáng)度是指材料在無限多次交變載荷作用下會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，對(duì)于軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等承受交變載荷的零件要選擇疲勞強(qiáng)度較好的材料來制造。
a.靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)）疲勞分析法，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的一階固有頻率大于3倍載荷平率情況下，如汽車車身、底盤等
b.瞬態(tài)疲勞分析法，應(yīng)用于不適應(yīng)靜態(tài)疲勞分析法的場合，如汽車曲軸等旋轉(zhuǎn)類零件
c.振動(dòng)疲勞分析法，應(yīng)用于載荷變化復(fù)雜的情況下，將載荷時(shí)間歷程在頻域內(nèi)用功率譜密度函數(shù)描述，進(jìn)行隨機(jī)響應(yīng)分析進(jìn)而評(píng)估疲勞壽命
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalFluidDynamics,簡稱CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。
通過CFD數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量(如速度、壓力、溫度、濃度等)的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。還可據(jù)此算出相關(guān)的其他物理星，如旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、水力損失和效率等。
計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析在機(jī)械機(jī)構(gòu)的中應(yīng)用包括：
水輪機(jī)、風(fēng)機(jī)和泵等流體機(jī)械內(nèi)部的流體流動(dòng)；
換熱器性能分析及換熱器片形狀的選??；
制冷工程熱流場分析；
旋流分離器、生化反應(yīng)器、干燥器、流化床、換熱器方面的應(yīng)用；
