有限元的发展现状与新趋势
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一、背景与意义结构静力有限元模型修正研究与应用是现代工程领域中的一个重要课题,其研究目的在于提高结构静力有限元模型的精度和可靠性,从而使得有限元分析在工程实践中具有更高的准确性和实用性。
传统的结构静力有限元模型在分析复杂结构时常常存在着精度不足的问题,尤其是在考虑非线性和非均匀性时更为突出。
进行结构静力有限元模型的修正研究与应用是非常必要的。
修正后的有限元模型不仅能够更准确地反映结构的受力行为,还能够提高模型的收敛性和计算效率。
二、关键技术与方法1. 结构静力有限元模型修正的基本原理结构静力有限元模型修正的基本原理是通过对原有的有限元模型进行修正和改进,以提高其精度和准确性。
修正的方法包括改进刚度矩阵、修正材料模型、考虑非线性和非均匀性效应等。
2. 结构静力有限元模型修正的关键技术和方法结构静力有限元模型修正涉及到多个关键技术和方法,包括但不限于参数修正法、模态超级位置法、附加刚度法、几何非线性效应考虑和材料非均匀性等。
这些方法通过对原有的有限元模型进行改进和修正,以提高其精度和可靠性。
三、研究现状与发展趋势目前,结构静力有限元模型修正的研究已经取得了一定的成果,但在应用中还存在一定的局限性。
目前结构静力有限元模型的修正方法大多是针对特定问题或特定结构的,通用性较差;另由于结构静力有限元模型修正涉及到多个方面,现有的研究还存在不足之处,有待进一步完善。
未来,结构静力有限元模型修正的研究将会朝着以下方向发展:一是针对不同结构和不同问题,提出更加通用和普适的修正方法;二是加强对结构非线性和非均匀性效应的研究,提高有限元模型的适用范围和精度;三是结合人工智能等新技术,加快有限元模型修正的速度和效率。
四、典型案例分析1. 桥梁结构的有限元模型修正以桥梁结构为研究对象,通过对桥梁结构的有限元模型进行改进和修正,提高了模型的精度和可靠性。
修正后的有限元模型能够更准确地反映桥梁结构的受力情况,为工程实践提供了可靠的分析依据。
有限元分析基础第一章有限元法概述在机械设计中,人们常常运用材料力学、结构力学等理论知识分析机械零构件的强度、刚度和稳定性问题。
但对一些复杂的零构件,这种分析常常就必须对其受力状态和边界条件进行简化。
否则力学分析将无法进行。
但这种简化的处理常常导致计算结果与实际相差甚远,有时甚至失去了分析的意义。
所以过去设计经验和类比占有较大比重。
因为这个原因,人们也常常在设计中选择较大的安全系数。
如此也就造成所设计的机械结构整体尺寸和重量偏大,而局部薄弱环节强度和刚度又不足的设计缺陷。
近年来,数值计算机在工程分析上的成功运用,产生了一门全新、高效的工程计算分析学科——有限元分析方法。
该方法彻底改变了传统工程分析中的做法。
使计算精度和计算领域大大改善。
§1.1 有限元方法的发展历史、现状和将来一,历史有限元法的起源应追溯到上世纪40年代(20世纪40年代)。
1943年R.Courant从数学的角度提出了有限元法的基本观点。
50年代中期在对飞机结构的分析中,诞生了结构分析的矩阵方法。
1960年R.W.Clough在分析弹性力学平面问题时引入了“Finite Element Method”这一术语,从而标志着有限元法的思想在力学分析中的广泛推广。
60、70年代计算机技术的发展,极大地促进了有限元法的发展。
具体表现在:1)由弹性力学的平面问题扩展到空间、板壳问题。
2)由静力平衡问题——稳定性和动力学分析问题。
3)由弹性问题——弹塑性、粘弹性等问题。
二,现状现在有限元分析法的应用领域已经由开始时的固体力学,扩展到流体力学、传热学和电磁力学等多个传统的领域。
已经形成了一种非常成熟的数值分析计算方法。
大型的商业化有限元分析软件也是层出不穷,如:SAP系列的代表SAP2000(Structure Analysis Program)美国安世软件公司的ANSYS大型综合有限元分析软件美国航天航空局的NASTRAN系列软件除此以外,还有MASTER、ALGO、ABIQUES、ADINA、COSMOS等。
百度文库- 让每个人平等地提升自我第1章有限元分析方法及NX Nastran的由来有限元分析方法介绍计算机软硬件技术的迅猛发展,给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化,数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。
数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果,根据不同行业的需求,不断扩充、更新和完善。
有限单元法的形成近三十年来,计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步,诞生了商业化的有限元数值分析软件,并发展成为一门专门的学科——计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)。
这些商品化的CAE软件具有越来越人性化的操作界面和易用性,使得这一工具的使用者由学校或研究所的专业人员逐步扩展到企业的产品设计人员或分析人员,CAE在各个工业领域的应用也得到不断普及并逐步向纵深发展,CAE工程仿真在工业设计中的作用变得日益重要。
许多行业中已经将CAE分析方法和计算要求设置在产品研发流程中,作为产品上市前必不可少的环节。
CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性:❑CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期。
❑虚拟样机的引入减少了实物样机的试验次数。
❑大幅度地降低产品研发成本。
❑在精确的分析结果指导下制造出高质量的产品。
❑能够快速对设计变更作出反应。
❑能充分和CAD模型相结合并对不同类型的问题进行分析。
❑能够精确预测出产品的性能。
❑增加产品和工程的可靠性。
❑采用优化设计,降低材料的消耗或成本。
❑在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题。
❑模拟各种试验方案,减少试验时间和经费。
❑进行机械事故分析,查找事故原因。
当前流行的商业化CAE软件有很多种,国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。
其中最为著名的是由美国国1百度文库 - 让每个人平等地提升自我2家宇航局(NASA )在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的Nastran 有限元分析系统。
整车NVH仿真模拟技术研究一、概述整车NVH仿真模拟技术是现代汽车工业中的重要技术之一,主要应用于汽车产品及零部件的设计和开发过程中对NVH噪声、振动与传动性能进行预测与评估,以达到提高汽车产品品质、降低开发成本和提升市场竞争力的目的。
本文将从整车NVH仿真模拟技术原理、应用、发展现状及趋势等方面进行介绍和分析。
二、整车NVH仿真模拟技术原理整车NVH仿真模拟技术主要是运用有限元、边界元、传递矩阵等多种方法,对汽车车身、发动机、底盘及其它空气和机械噪声源进行建模和仿真计算,并结合试验验证和优化,对整车NVH性能进行分析和评估。
1.有限元方法(FEA)有限元方法是将一个复杂的大系统分解成若干个较小的、简单的子系统,并且进行离散化,计算每个子系统的特性参数。
然后,通过组合论把每个子系统重新组成一个大系统,并分析其总体特性,从而解决全局问题的一种数值计算方法。
在整车NVH仿真模拟中,有限元方法主要用于车身和底盘的NVH分析和评估。
2.边界元方法(BEA)边界元方法通常将待求解的问题的边界与周围环境联系起来,将问题转化为一些与边界相关的算法。
实际上深入发掘了边界的信息,用边界而非内部的信息表示问题,从而使计算得到简化。
在整车NVH仿真模拟中,主要应用于板件和空气噪声的分析和评估。
3.传递矩阵方法(TMM)传递矩阵方法是以系统的输入、输出特性和传递函数为基础,分析系统内外噪声发生、传输和反射的技术方法。
它能有针对性地对汽车的空气、机械、液体等噪声进行分析和评估,可以了解噪声对车辆各个部位的影响和损伤,为NVH优化提供科学依据。
三、整车NVH仿真模拟技术应用整车NVH仿真模拟技术在汽车行业中应用广泛,主要集中在以下方面:1.车身和底盘NVH分析评估车身和底盘是汽车的基本构成部分,而其NVH性能是影响乘坐舒适性的最重要因素之一。
通过整车NVH仿真模拟技术,汽车设计师可以更加直观地了解不同材质、结构、加工工艺等因素对NVH性能的影响,从而对设计方案进行优化,提高整车NVH性能。
探究关于建筑工程结构设计现状分析及发展趋势建筑工程结构设计是建筑工程领域中的重要一环,对建筑物的承载能力和稳定性起着关键作用。
随着科技的发展和社会的进步,建筑工程结构设计在不断改善和创新。
本文将探究建筑工程结构设计的现状分析及未来的发展趋势。
一、建筑工程结构设计的现状分析目前,建筑工程结构设计已经发展成为一个复杂而丰富的学科领域,涉及到材料科学、力学理论、工程力学、计算机应用等众多学科知识。
在结构设计领域,已经形成了许多成熟的设计理论和方法,如有限元分析、结构优化设计、BIM设计等。
建筑结构材料的选择也越来越多样化,如钢结构、混凝土结构、木结构等,能够满足不同建筑需求的结构设计。
尽管建筑工程结构设计取得了很大的进步,但仍然存在一些挑战。
建筑结构设计的复杂化和多样化,使得设计师需要不断提升自己的专业素养和跨学科能力。
随着城市化进程的加快,大城市中高层建筑和超高层建筑逐渐增多,对结构设计的要求也越来越高。
建筑工程结构设计在面对自然灾害和人为破坏时的抗风抗震等能力也需要进一步提高。
3. 建筑工程结构设计的发展动向未来建筑工程结构设计的发展趋势主要包括两个方面,一是新材料和新技术的应用,二是结构设计的智能化和数字化发展。
建筑工程结构设计将更加广泛地应用新材料和新技术。
碳纤维复合材料、超高强混凝土、高强度钢材等新材料的应用将进一步提高建筑结构的抗震抗风性能。
结构设计将更加注重绿色、环保和可持续发展的理念,推动木结构、竹结构等天然材料的应用,以减少对环境的影响。
结构设计将进一步智能化和数字化。
随着大数据、云计算、人工智能等技术的发展,建筑工程结构设计将更加注重数据的采集、分析和应用,实现结构设计的智能化。
BIM技术的应用将使得建筑工程结构设计可以在早期设计阶段就进行全面的三维建模和分析,提高设计效率和准确性。
1. 新材料和新技术的应用2. 智能化和数字化发展3. 绿色、环保和可持续发展建筑工程结构设计在未来将会朝着新材料和新技术的应用、智能化和数字化发展、绿色、环保和可持续发展的方向不断发展。
地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势郝治福,康绍忠(中国农业大学中国农业水问题研究中心)目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。
20世纪60年代中期以来,随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用,数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广,具有明显的通用性和广泛的适用性。
尤其近十几年,地下水系统数值模拟取得了长足进步。
一、国外地下水系统数值模拟研究现状目前,国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节,提出新的思维方法,采用新的数学工具,分析不同尺度下的变化情况,合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。
1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一致,强调对水文地质条件合理概化的重要性,并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。
根据Anderson等提出的工作程序,要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型,应进行以下工作:确定模型目标,建立水文地质概念模型,建立数学模型,模型设计及模型求解,模型校正,校正灵敏度分析,模型验证和预报,预报灵敏度分析,模型设计与模型结果的给出,模型后续检查以及模型的再设计。
Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题:①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用;②必须发展准确的离散技术,保留模型重要的物理特性;③发挥计算机技术体系的潜力,提供有效的数值求解算法。
针对Newman等的推测,Wood 提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。
Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect (reverse water level fluctuation)现象进行数值模拟,阐述了其机理性原因。
Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。
Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况,而二维模型就不能恰当处理。
拆装式模块化箱式钢结构精细化有限元分析研究目录一、内容概述 (2)1. 研究背景与意义 (2)2. 国内外研究现状及发展趋势 (4)3. 研究目的与内容 (5)二、拆装式模块化箱式钢结构概述 (6)1. 模块化设计理念介绍 (8)2. 箱式钢结构特点分析 (9)3. 拆装式结构设计原理 (10)三、有限元分析理论基础 (11)1. 有限元法基本原理 (13)2. 有限元分析软件简介 (14)3. 精细化建模技术 (15)四、拆装式模块化箱式钢结构有限元建模 (17)1. 建模前的准备工作 (18)2. 精细化有限元模型建立过程 (19)3. 边界条件与荷载施加 (21)五、拆装式模块化箱式钢结构性能分析 (22)1. 静态性能分析 (23)2. 动态性能分析 (25)3. 疲劳性能分析 (26)4. 可靠性分析 (27)六、拆装式模块化箱式钢结构优化设计研究 (28)1. 设计优化目标 (29)2. 优化算法选择与实施 (30)3. 优化效果评估 (32)七、实验研究与分析验证 (33)1. 实验设计方案 (34)2. 实验过程与结果 (36)3. 实验结果与有限元分析结果对比 (37)八、结论与展望 (38)1. 研究成果总结 (39)2. 研究不足与未来展望 (40)一、内容概述本研究致力于深入探索拆装式模块化箱式钢结构在精细化有限元分析方面的理论与实践应用。
我们将系统阐述拆装式模块化箱式钢结构的基本原理与结构特点,明确其模块化设计的核心价值及其在现代建筑领域的应用前景。
研究将重点围绕有限元分析方法展开,详细探讨适用于拆装式模块化箱式钢结构的精细化分析模型与算法。
通过对比传统分析方法,我们将展示精细化分析在精度和效率方面的显著优势,并为后续的实际应用奠定坚实基础。
本研究还将结合具体工程案例,对拆装式模块化箱式钢结构进行精细化有限元分析模拟,验证理论分析与实际应用的契合度。
通过案例分析,我们期望为拆装式模块化箱式钢结构的设计、施工及优化提供有力支持,并为相关领域的研究人员提供有价值的参考信息。
MEMS传感器研究现状和发展趋势摘要:微型化、集成化及智能化是当今科学技术的主要发展方向。
随着微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem,MEMS)和微加工技术的发展,微型传感器也随之迅速发展。
介绍了MEMS传感器概念及种类,并对其研究现状、应用领域进行了分析总结和介绍。
最后,对MEMS传感器的一些发展趋势进行了论述和展望。
关键词:MEMS;传感器;微系统0引言MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。
与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
同时,微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
第一个微型传感器诞生于1962年,至此开启了MEMS 技术的先河[1]。
此后,MEMS传感器作为MEMS技术的重要分支发展速度最快,长期受到美、日、英、俄等世界大国的高度重视,各国纷纷将MEMS传感器技术作为战略性技术领域之一,投入巨资进行专项研究。
随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展,传感器的微型化、智能化、网络化和多功能化得到快速发展,MEMS传感器逐步取代传统的机械传感器,占据传感器主导地位,并在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用。
1MEMS传感器及分类从微小化和集成化的角度,MEMS(或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统[2]。
微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的,融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术,并应用现代信息技术构成的微型系统。
是20世纪末、21世纪初兴起的科学前沿,是当前十分活跃的研究领域,涉及多学科的交叉,如物理学、力学、化学、生物学等基础学科和材料、机械、电子、信息等工程技术学科[3]。
有限元强度折减法综述及发展摘要:近年来,有限元强度折减法在工程上得到了广泛的应用,且取得了很大的成功。
这已经证明其在岩土工程上的可行性与优越性。
在边坡稳定性分析上的应用可以说是有限元强度折减法最为重要的应用之一,如今它在隧道工程上也得到了广泛应用。
有限元强度折减法最大的优点是可以运用大型有限元程序如ANSYS、ABQUS等来进行求解,并且不用事先假定滑移面的形式和位置就可得到边坡的稳定安全系数和破坏位置。
针对不同问题,要选择合适的屈服准则来进行求解,这样得到的计算结果与实际情况会更加接近。
在未来的发展过程中,有限元强度折减法的应用范围还将不断扩大,并且对于屈服准则的选取也会越来越精准。
关键词:有限元强度折减法; 屈服准则; 边坡稳定性分析; 隧道工程; 三维有限元强度折减法Summary and development of finite element strength reductionmethodDong Xiao-jiang(College of Sciences, xi’an University of Science and Technology, xi’an 710054, China)Abstract:In recent years, finite element strength reduction method has been widely used in the project and achieved great success,which has proved its feasibility and superiority in geotechnical engineering. The application in slope stability analysis can be said to be one of the most important applications of finite element strength reduction method. Now it has also been widely applied in Tunnel Engineering. The biggest advantage of finite element strength reduction method is that it can use some large finite element software like ANSY S、ABQU S to get solutions. Without assuming the modus and position of the slip plane we can get the safe factor and the destruction of the slope. Y ou should select the appropriate yield criterion to solve different problems. Only by that you can get closer result to the actual situation. In the future course of development, the scope of application of finite element strength reduction method will continue to be expanded and the selection of yield criterion will be more accurate.Key words: finite element strength reduction method; field criterion; slope stability analysis; tunnel engineering; three-dimensional finite element strength reduction method1、引言有限元强度折减法与有限元荷载增加法统称为有限元极限分析法,它们本质上都是采用数值分析手段求解极限状态的分析法。
工程机械技术现状和发展趋势一、发展现状:1、产品质量、可靠性有待提高,在整体技术水平上来说,专业的知识程度不够,经济的收益比较差经,基础件的企业技术含量低。
大多数企业在科技的投入不够,独立自主开发能力比较薄弱。
原材料及相关技术落后,工艺及工艺装备水平低,制约了基础件的发展。
2、企业制造能力有待提升,我国制造技术与装备水平总体上落后于世界先进水平5-10年,制造能力较弱,成品率低且质量差;目前存在生产过程自动化技术水平低、能耗高、周期长、效率低、材料利用率低等问题。
同时缺乏高精度复杂零件的工艺实践,未形成成熟的工艺规范。
3、技术研发相比企业发展规模的滞后,自主创新能力薄弱,高端装备制造呈现突破乏力。
目前,我国工程机械拥有自主知识产权和自主品牌的技术和产品少,在许多高端产品领域未能掌握核心关键技术,对外依存度高。
4、关键零部件的自主研发生产能力有待提升,主机面临“空心化”;工程机械中的高端主机和成套设备所需的关键零部件、元器件和配套设备大量进口;混凝土机械所需的高端底盘、核心液压元器件、高效大功率发动机等全部需要进口;大型工程机械所需30MPa以上液压件全部进口。
5、现代制造服务业发展缓慢,价值链的高端缺位;我国工程机械的发展过度依赖单机、实物量的增长,为用户提供系统设计、系统成套、工程承包、远程诊断维护、产品回收再制造、租赁等服务业未能得到培育。
解决这些问题,必须依赖技术进步,必须依靠转变发展方式,这就为发展工程机械提出了迫切的要求和难得的发展机遇。
二、技术发展趋势展望工程机械技术与人类社会的发展相伴而行,设计理念也随之发生重大变革,设计方法由二维AUTOCAD转变为以PRO-E为代表的三维设计,CAE分析中有限元计算的应用逐步转变为系统化的有限元计算,验证方式由用户验证逐步转变为批量前的规范试验。
新产品开发方式以市场为导向进行需求分析、概念设计、方案设计、详细设计、试制试验及批量商品化投产。
未来,在市场和创新的双轮驱动下,工程机械技术的发展将趋向于高质量、高可靠性、安全节能、服务。
电子行业新型电子元器件研发方案第1章引言 (3)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 研究目标与内容 (3)第2章新型电子元器件技术概述 (4)2.1 新型电子元器件分类 (4)2.2 新型电子元器件发展趋势 (4)2.3 技术挑战与机遇 (5)第3章新型半导体材料研究 (5)3.1 材料选择与功能分析 (5)3.1.1 选取原则 (5)3.1.2 材料功能分析 (6)3.2 材料制备与表征 (6)3.2.1 制备方法 (6)3.2.2 表征技术 (6)3.3 材料在新型电子元器件中的应用 (6)第4章新型电子元器件设计与仿真 (7)4.1 设计原理与要求 (7)4.1.1 设计原理 (7)4.1.2 设计要求 (7)4.2 仿真模型与方法 (7)4.2.1 仿真模型 (7)4.2.2 仿真方法 (8)4.3 设计与仿真案例分析 (8)4.3.1 案例一:新型MOSFET器件设计 (8)4.3.2 案例二:新型铁电存储器设计 (8)第五章制造工艺与封装技术 (9)5.1 制造工艺研究 (9)5.1.1 制造工艺概述 (9)5.1.2 制造工艺关键技术研究 (9)5.2 封装技术探讨 (9)5.2.1 封装技术概述 (9)5.2.2 封装技术关键问题研究 (9)5.3 工艺与封装技术在新型电子元器件中的应用 (10)第6章新型传感器研发 (10)6.1 传感器类型与原理 (10)6.1.1 类型概述 (10)6.1.2 工作原理 (10)6.2 传感器设计方法 (10)6.2.1 敏感元件设计 (10)6.2.2 转换元件设计 (11)6.3 传感器功能测试与分析 (11)6.3.1 功能指标 (11)6.3.2 测试方法 (11)6.3.3 数据分析 (11)第7章新型功率器件研究 (11)7.1 功率器件类型与结构 (11)7.1.1 功率MOSFET (11)7.1.2 功率IGBT (11)7.1.3 功率二极管 (12)7.2 功率器件设计要点 (12)7.2.1 器件结构设计 (12)7.2.2 制造工艺 (12)7.2.3 封装技术 (12)7.3 功率器件功能评估 (12)7.3.1 静态特性 (12)7.3.2 动态特性 (12)7.3.3 可靠性 (12)7.3.4 应用场景 (12)第8章新型微电子器件摸索 (13)8.1 微电子器件发展趋势 (13)8.1.1 高集成度与小型化 (13)8.1.2 低功耗与高功能 (13)8.1.3 新材料与新工艺 (13)8.2 微电子器件设计创新 (13)8.2.1 器件结构创新 (13)8.2.2 封装技术革新 (13)8.2.3 系统集成创新 (13)8.3 微电子器件应用前景 (13)8.3.1 智能终端 (13)8.3.2 物联网 (14)8.3.3 高功能计算 (14)8.3.4 智能汽车 (14)第9章研发成果验证与优化 (14)9.1 实验设计与实施 (14)9.1.1 实验样本制备 (14)9.1.2 实验设备与仪器 (14)9.1.3 实验方法 (14)9.1.4 实验过程 (15)9.2 测试结果分析 (15)9.2.1 高温高湿实验结果分析 (15)9.2.2 温度冲击实验结果分析 (15)9.2.3 振动实验结果分析 (15)9.2.4 电功能测试结果分析 (15)9.3.1 结构优化 (15)9.3.2 材料选择 (15)9.3.3 工艺改进 (15)9.3.4 电功能优化 (15)第十章市场分析与未来展望 (16)10.1 新型电子元器件市场分析 (16)10.2 竞争对手分析 (16)10.3 未来发展趋势与展望 (16)第1章引言1.1 背景与意义信息技术的飞速发展,电子行业在国民经济中的地位日益显著。
试探机械设计技术的现状及发展趋势摘要:机械设计是机械制造的重要环节,在现代科学技术高速发展的时期,机械设计也有了新的内涵,了解机械设计的当前现状与今后的发展前景,对于机械设计的水平的提高具有重要意义。
关键词:机械制造;设计;数字化;并行化;智能化中图分类号:td404 文献标识码:a 文章编号:机械设计对质量有很大影响,随着技术的发展,传统的机械设计已不能满足现代产品功能的需要,在当前计算机技术高速发展的新时期,应当运用全新的设计理念和方法,制定科学的设计模式,提高我们的设计水平。
一、当前机械制造业设计的方法及内容当前机械制造业设计方法是在对过去传统的机械设计理念进行深刻反思的基础上,综合运用现代化的设计技术手段实施的相应机械设计,可以概括为以下三个方面主要内容。
1、数字化成为当前机械设计的核心特点。
随着科技的进步,尤其是数字化技术的高速发展,在机械设计进行之前久能够围绕整个设计生命周期进行相应的建模工作。
同时可以充分利用计算机技术进行模拟设计,并对产品设计的整个生命周期进行过程模拟,给实际机械设计提供最佳的参考素材。
在设计当中,还能够综合运用大量的数字化的设计技术及方法,广泛应用计算机辅助设计以及数字管理手段对全部设计的过程进行科学管理,确保资源配置最优化、设计效率最大化。
2、并行化成为当前机械设计的最大趋势。
依托计算机支持,机械制造设计团队能够实现更多信息的共享,从而打破了时间和空间阻隔障碍。
不同地区的机械设计工作者能够在同一平台下实现协同设计工作。
在机械设计的过程中能够更多地赢得技术方面的支持和帮助,实现各种优势的互助互补,不断提高设计能力和设计水平。
随着当前机械大型化、综合化的发展,各种机械的构造及功能都变得更加多样和复杂,机械设计开发初期确立的思路对于后期影响较大,由于设计过程比较复杂,如果前期的设计思路一旦出现纰漏,那么将很难进行及时的修正。
因此在开发设计的的开始阶段就必须进行更加充分的实验及论证,充分考虑设计过程中可能产生的各种因素,这样能够有效减少产品后期的修正频次,缩短产品的开发周期。
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一、有限元法基本思想
有限元法的基本思想是将结构离散化,用有限个简单的单元来表示复杂的对象,
单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据平衡和变形协调条件综合求解。由
于单元的数目是有限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法(FEM,Finite
Element Method)。
有限单元方法是迄今为止最为有效的数值计算方法之一,它对科学与工程技术的
提供巨大支撑。
二、有限元法的孕育过程及诞生和发展
▪
在17世纪,牛顿和莱布尼茨发明了积分法,证明了该运算具有整体对局
部的可加性。
▪
在18世纪,著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。
另一位数学家Lagrange提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为
积分表达式的另一途经。
▪
在19世纪末及20世纪初,数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运
用位移函数来表达其上的未知函数。
▪
1915年,数学家伽辽金提出了选择位移函数中形函数的伽辽金法方法被
广泛地用于有限元。
▪
1943年,数学家库朗德第一次提出了可在定义域内分片地使用位移函数
来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。
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▪
20世纪50年代,飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的
应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组,首先将连续体的机翼离散
为三角形板块的集合来进行应力分析,经过一番波折后获得成功。
(Clough教授参与研究。)
▪
20世纪50年代,大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作,这
为实现有限元技术准备好了物质条件。
▪
1960年,美国加州大学伯克利分校的R.W.Clough教授在论文中提出了
“有限单元”,这样的名词。值得骄傲的是我国南京大学冯康教授在此前
后独立地在论文中提出了“有限单元”。
三、有限元法计算方法及软件
有限元计算方法作为一种技术更多的与FEM软件的发展紧密的结合起来。方法
不断更新,优胜劣汰,传承和发展。在传统有限元分析的数值计算方法之中,有
直接计算法(DirectSolver)与迭代法(Iterative 所谓快速解法)两种。
常见的有限元软件有:美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、MARC 、COSMOS、
ELAS、 MSC 和STARDYNE,德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的 SYSTUS
等。
显式/隐式有限元法:只需对可以简化为对角阵的质量矩阵求逆,没有增量步内
迭代收敛问题,可以一直计算下去。隐式计算具有时间步长增量较大、每个荷载
步都能控制收敛,避免误差累积、存在迭代不收敛的问题、计算量随计算规模增
大而成超线性增长的特点。相对与隐式显式计算具有时间步长很小、误差累积、
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不存在迭代不收敛的问题、计算量随计算规模基本为线性增长的特点。这种计算
方法的代表软件有ABQUS。
离散单元法:离散单元法也被称为散体单元法,最早是1971年 由Cundall提
出的一种不连续数值方法模型,这种方法的优点是 适用于模拟离散颗粒组合体
在准静态或动态条件下的变形过程。 离散单元法不是建立在最小势能变分原理
上,而是建立在最基本 的牛顿第二运动定律上。它以每个刚体的运动方程为基
础,建立 描述整个破坏过程的显式方程组后,通过动力松弛迭代求解。
刚体弹簧单元法:刚体弹簧单元法(RigidBodySpringMethod,RBSM) 最早由
Kawai于1976年提出,当初提出的意图是以较少的自由度来求解结构问题。它
把体系分解为一些由均布在接触面上的弹簧系 统联系起来的刚性元,刚性元本
身不发生弹性变形,因此结构的变形能仅能储存在接触面的弹簧系统中。由于刚
体弹簧元单元间 的作用力通过单元界面上弹簧传递,可以直接得到界面的作用
力, 因此在岩土界面分析等领域也有着较好的应用。
接触判断法:通过单元之间的相互接触判断得到相互之间的作用力,进而形成运
动方程。因此,快速而准确的接触算法对有限元方法非常重要。由于由于计算过
程中单元往往会发生较大位移,使得原有的块体间的空间拓扑关系发生变化,使
接触判断变得更加复杂。
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无网格法:传统有限元需要构造特定的单元网格来形成位置插值函数,是否可以
让计算机根据节点信息来“自动”形成位移插值函数?无网格法可以实现。无网
格法对函数的要求有:
•
光滑连续
•
影响的节点有限
无网格法常用插值方法有: 移动最小二乘、核函数与径向基函数。整体方程有配
点法、 最小二乘法、伽辽金法。伽辽金法是应用最广、最稳定的无网 格法之一。
XFEM:1999年提出,扩展有限元法(XFEM),在 Belytschko等学者努力下
XFEM得到长足发展,在ABAQUS的6.10版本软件中得以实现。
四、结构工程领域有限元法的发展趋势
1. 多物理场耦合问题
近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、 磁场、渗流和声场等
问题的求解计算,最近又发展到求解 几个交叉学科的问题。如需要用固体力学
和流体动力学的 有限元分析结果交叉迭代求解,即所谓“流固耦合”的问题。
2. 线性工程问题到非线性分析问题
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线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如土木工程中 的高层建筑和大跨度
悬索桥的出现,就要求考虑结构的大位 移和大应变等几何非线性问题;
航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力,也要考虑材料的非线性问题;
诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现,仅靠线性计算理论就不足以解
决遇到的问题,只有 采用非线性有限元算法才能解决。
3. 时变结构及连续倒塌问题
结构不可能天生就存在那里,也不可能凭空消失,所以 结构物的建造或则拆除
过程,均为动态的,在不同阶段可能表现出不同力学性能,其中存在很多复杂问
题。有限元对于此类过程分析,往往根据施工过程,编制时程程序,动态跟踪结
构性能变化。
4. 优化问题:
在有限元中有这几个方面的需求,如边界形状优化、最小质量、等强度、等应变、
动力学参数优化等,优化问题的特点是变量多(几十/数百),许多实际的优化
算法这样多的变量中稳健性还有待提高。
5. 湍流问题:
目前已经有一些较好的方法,如有限体积法等,仍需深入,目前湍流问题实际上
根本不是算法问题,而是介质的物理模型问题;人们对湍流的认识可能还受到目
前科学技术水平的限制。
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五、结语
有限元法不是万能的,关键是其思想,它完美地体现了哲学中局部与整体的关系,
要解决整体问题,必须先研究局部问题, 局部问题研究清楚后,再研究局部之
间作用的关系,然后各个局部在一个统一的坐标尺度下综合,考虑整个系统和外
部的关系,最后得到全局的特征。
有限元方法是我们认识世界的科学工具,但它的哲学含义、方法论含义还远没有
为人们所认识。